ЛЕКЦІЯ 1

Історичний огляд

Що таке електроніка? - Це передача, прийом, обробка та зберіганняінформації за допомогою електричних зарядів. Це наука, технічні прийоми,промисловість.

Що стосується інформації, то завжди, коли було людство, це всебуло. Людське мислення, розмовна мова, вузлики на пам'ять, сигнальнівогнища, Семафорний телеграф і т.д. - Це прийом, передача, обробка ізберігання інформації. І це було не менше ніж 5000 років. Але тільки недавно,в кінці 18 століття, були винайдені телефон і телеграф - пристрої дляпередачі і прийому інформації за допомогою електричних сигналів. Це --початок електроніки, як вона зараз називається.

Далі електроніка досить швидко розвивається. У 1895 р. Поповвинайшов і збудував діючу модель радіо - електронний пристрій длябездротової передачі інформації - грозовідмітник. Герц провів досліди попоширення радіохвиль, Марконі розвинув і застосував ці досліди дляпобудови радіо з вибором передавальної радіостанції по довжині хвилівипромінювання.

Але на початку не було гарного підсилювального елементи для електричнихпристроїв. Тому справжній розвиток електроніки почалося з 1904 р., колибула винайдена радіолампа - діод, а в 1907 р. - тріод. Вони виглядають так,як показано на рис. Зліва зображено радіолампа - діод, яка складається згерметичного балона, а всередині балона - вакуум і кілька металевихконструкцій з виведеними назовні електродами. Одна з них - нитка напруження, заній пропускається електричний струм, який нагріває її до температури в
700-2300 оС. Ця нитка розігріває катод, до якого підводитьсянегативна напруга, і катод випромінює електрони. До анода підводитьсяпозитивне напруга, різниця потенціалів досить висока (100-300
В), і тому електрони, які вилетіли з катода, полетять до анода, іотже, у лампі потече струм. При зміні знака напруги електрони зхолодного анода вилітати не будуть, не буде і струму. Тому діод можевиконувати роль випрямляча змінної напруги.

На правому рис. зображена радіолампа - тріод. У ній все те саме, що й удіода, але є додатковий електрод - керуюча сітка. Зазвичай на сіткуподається негативний потенціал, і вона відштовхує вилетіли з катодаелектрони. Тому чим більше негативний потенціал сітки, тим меншеелектронів протече від катода до анода. Таким чином, потенціал сіткислужить для керування струмом в радіолампи. Зазвичай сітка у лампі розташованадо катода набагато ближче, ніж анод, тому малими потенціалами сітки можнауправляти великими струмами лампи. Якщо напруга до анода подається черезвеликий опір, то й потенціали на аноді будуть мінятися сильніше, ніжна сітці. Це хороший електронний підсилювач напруги.

Радіолампи пройшли дуже великий шлях розвитку. З'явилися більшевчинені Тетрод і пентоди - лампи з чотирма і п'ятьма електродами,які володіють великими коефіцієнтами посилення. Стали робити більш складнірадіолампи: з більш ніж п'ятьма електродами. З них найбільшепоширення набули здвоєні радіолампи: здвоєні діоди, тріоди,діод-тріоди і т.д. З'явилися газонаповнені лампи - газотрони. У них єгаз, правда, що знаходиться під невеликим тиском. Зазвичай він іонізується,з'являються іони - атоми без електрона, тобто що мають позитивний заряд.
Протікання струму в таких лампах складніше: він може бути якелектронним, так і іонним. Розміри радіоламп були дуже різними: відмініатюрних пальчикових до величезних на зріст людини.

Винахід тріода відкрило великі можливості розвитку електроніки.
Світова кількість випускаються радіоламп виросло до другої світової війни добагатьох мільйонів штук на рік. Були винайдені і створені багато пристроїв поприйому та передачі інформації. Телефон і телеграф, радіоприймачі ірадіопередавачі. Замість патефонів з'явилися програвачі платівок,з'явилися магнітофони. Почали розроблятися телевізори.

Але це все лише частина завдань електроніки - прийом, передача ізберігання інформації. А де ж обробка інформації, найбільш важлива,складна і цікава її частина? Очевидно, що її може робити тількиобчислювальний пристрій.

До початку Другої світової війни вже з'явилися електронні арифмометри --обробники цифрової інформації. Але справжній розвиток цієї областіелектроніки почалося з виникнення електронних обчислювальних машин
(ЕОМ). Воно почалося в 1948 році - в США була зроблена перша ЕОМ нарадіолампах - ЕНІАК. Ось деякі її параметри:
| Кількість радіоламп | 18 000 шт |
| Кількість ін елементів | 100 000 шт |
| Вага | 30 т |
| Площа | 100 м2 |
| Розсіюється потужність | 100 КВт |
| Швидкодія | 10 000 Гц |

Як видно з цієї таблиці - це грандіозна споруда. І воноволоділо всіма характерними рисами сучасної ЕОМ: пам'ять, якамістила дані та програму їх обробки, арифметичне-логічнепристрій, зв'язок із зовнішніми пристроями. Але, звичайно, у неї ще було ібагато недоліків. У порівнянні з сучасним рівнем техніки, ця ЕОМменш складна, ніж простий калькулятор, особливо якщо він можепрограмуватися. Але за вагою (30 т в порівнянні з 50 г), за займаноїплощі, по потужності, що розсіюється сучасні калькулятори її суттєвоперевершують. Особливо важливо, що їх швидкодію ніяк не менше 1 МГц,тобто в сто разів більше, ніж у першої ЕОМ.

Але набагато більш істотним є термін служби першої ЕОМ. Уосновному він визначався терміном служби радіолампи. А він визначаєтьсяінтенсивністю відмов

(= 10-5 ч-1
Тобто з 100 000 радіоламп один відмовить за час 1 год. Або іншими словами,термін служби однієї радіолампи дорівнює

Т = 1/(= 105 год
Це багато. Дійсно, якщо вважати, що в добі приблизно по 25 год, тоце 4 000 днів, або приблизно 12 років роботи до відмови. Це непогано.

Але коли замість 5-20 радіоламп одночасно повинні працювати 18 000радіоламп, ситуація різко змінюється. Всі радіолампи служать 12 років, алевиходять з ладу випадково, в будь-який момент часу. І вихід хоч одногорадіолампи з ладу приводить до виходу всього пристрою. У цьому випадку длявсього пристрою можна записати:

(заг = N * (= 18 000 * 10-5 = 0,18 год-1
А термін служби всього пристрою дорівнює

Т заг = 5 ч
Тобто термін служби ЕНІАК всього 5 г! У середньому через кожні 5 год якасьрадіолампа виходила з ладу. Знайти з 18 000 радіоламп непрацюючу не так -то просто. А після того, як вона знайдена, треба її замінити, і провестиперевірку ЕОМ на працездатність. На все це йшло ще близько 5 ч.

Але нам треба робити більш складні ЕОМ. Якщо ми ускладнимо її так, що вній буде в 10 разів більше радіоламп, термін служби зменшиться в 10 разів, тобтобуде дорівнює 0,5 ч. А на ремонт буде йти ще більше часу. Це --катастрофа кількостей.

Всі подальший розвиток електроніки пов'язано з боротьбою з катастрофоюкількостей. Для цього треба було знизити інтенсивність відмов радіолампи.
Але радіолампа - складний пристрій. По-перше, всередині неї глибокий вакуум,якщо він загубиться, анодний ток радіолампи понизиться з-за зіткненьелектронів з атомами повітря і з іонами, які отримали в результаті цихзіткнень. Сітка лампи - це дротяна спіраль, яка намотананавколо катода. Вона слабка, не витримує перевантажень, вібрацій. Нитка розжарюваннянагріта до високої температури, тому випускає не тільки електрони, а йдосить багато атомів, тобто нитка весь час випаровується. Усунути всі цінедоліки і підвищити термін служби не вдалося.

І ось в 1948 р. винайшли транзистор. Він виглядав так, як показано нарис.

Він набагато краще радіолампи: менше, легше, немає нитки розжарювання. Розмірийого не більше одного міліметра. Це цілісний шматок напівпровідника, вельмиміцного кристала, по міцності не поступається сталі або чавуну. Тому утранзистора інтенсивність відмов менше, приблизно (= 10-7 ч -1.

Транзистори дуже швидко завоювали ринок збуту. Вже в 1949 р. у СШАзробили перший транзисторну ЕОМ, аналогічну ЕНІАК - тобто через рік післявинаходи транзистора. Для ілюстрації цього наведемо цитату з журналу
"Наука і життя", 1986, № 2, с. 90:
"... Якщо вести відлік від перших машин, то сьогодні обсяги внутрішньої пам'яті
ЕОМ збільшилися в сотні разів, а швидкодія - у сотні тисяч разів, в тисячіразів зменшилося споживання енергії, і знизилася вартість. Фахівціприкинули, що якщо б такими темпами прогресувало автомобілебудування,то машина класу "Волги" рухалася б мало не зі швидкістю світла,споживала би кілька грамів бензину на сотню кілометрів і коштувала бкілька рублів ".
Але ж це було 15 років тому!

Подивимося докладніше, як же був винайдений транзистор? Виявляється,його винайшли, досліджуючи вплив двох р-п переходів (напівпровідниковихдіодів) один на одного, розташованих на дуже малій відстані. (Цепоказано на рис.)

Дві металеві дуже гострі голки містилися на поверхнігерманію (напівпровідник) на малій відстаніодин від одного, і потім припікали (пропускався сильний струм на

короткий час). При цьому відбувався розігрів напівпровідника, металчастково розчинявся в напівпровіднику, і також дифундувати всередину його.
Метал підбирався таким чином, що його атоми створювали електроннийнапівпровідник (п-тип). Таким чином виходили два р-п переходу. А так яквони були дуже близькі, то вступали у взаємодію, і виходивтранзистор.

Перші транзистори так і виготовлялися, і ця технологія називаласяточкової. Очевидні недоліки її. Справа в тому, що з теорії транзисторіввідстань між р-п переходами повинно бути набагато менше дифузійногодовжини (що це таке, ми скажемо в наступних лекціях), а вона дужемаленька, лежить в межах від одиниць до десятків мікрометрів (зазвичайговорять мікронів). Розташувати дві голочки так близько неможливо - мікронзначно менше товщини людського волосся (приблизно 50 мкм).

Можна припустити, що відстань між голками порівнянно з товщиноюлюдського волосся, і приблизно дорівнює 0,1 мм, або 100 мкм. Далі потрібнопропустити іскру електричного розряду через голочки, так, щобвідбулися плавлення, розчинення і дифузія металу. Процес важковідтворений. Тому багато транзистори, виготовлені з цієїтехнології, виявлялися бракованими: то р-п переходи зливалися, товідстань між ними було занадто великим. А сам коефіцієнт посиленнятранзистора був взагалі випадковою величиною.

Було потрібне вдосконалення технології виготовлення транзисторів.
Перший крок у цьому напрямку був отриманий, коли точкову технологіюзамінили на сплавним (див. рис.). Тут зображена основна конструкція,застосовувана в цьому методі: два графітові пластини з невеликими ямками дляалюмінію оточують з двох сторін пластину германію з електронноюелектропровідність (п-типу). Ця конструкція поміщається в піч з високоютемпературою (600-800оС). Аллюминий розплавляється і дифундує вгерманій. Коли дифузія пройшла на досить велику глибину, процесприпиняють. Аллюминий є акцептором, тобто там, де пройшла дифузія,германій став напівпровідником з доречний електропровідність (р-типу).
Виглядає це так:

Тепер треба тільки розрізати отриману пластину на шматочки, що містять потри різних типи електропровідності (транзистори), посадити в корпус іприпаяти кристал до ніжок - транзистор готовий.

сплавні транзистори набагато краще точкових: більш керованийпроцес дифузії, просто підтримується постійна температура в печі ірегулюється час дифузії. Точкова технологія була витіснена Сплавний.

Однак у Сплавний технології є певні недоліки, до основнихз них відноситься те, що дифузія проводиться з різних сторін. Товщинапластини не може бути менше 0,5 ... 1 мм, тому що інакше вона стане гнучкою,згортатиметься, і не можна буде вважати, що пластина плоска. Значить,товщина, на яку потрібно провести дифузію, як мінімум 250 мкм, товщинабази 1 ... 5 мкм, і її треба зробити точно (з точністю не гірше 1 мкм). Упідсумку треба зробити дифузію на глибину 250 мкм з точністю не гірше 1 мкм.
Це важко здійсненне.

Поступово в ході розробки технології виготовлення транзисторівприйшли до дифузійного технології, в основі якої лежить фотолітографія.

Коротко опишемо фотолітографії. Її завданням є створення наповерхні кремнію (він найкраще підходить для фотолітографії) маски длядифузії, яка потім буде здійснюватися локально. Ця маска повиннавитримувати дуже високі температури (1200 ... 13000С). Для цієї метигодиться оксид кремнію, який виходить дуже просто шляхом окисленнясамого кремнію при високих температурах в парах води і в кисні. Йоготовщина порядки 1 мкм, але цього достатньо, щоб не дати атомів домішкипродіффундіровать в напівпровідник. Але в потрібних місцях у діоксид кремніюроблять отвори (вікна), які і визначатимуть, де пройде локальнадифузія.

Для виготовлення вікон зазвичай використовують фоторезист - це практичнофотоемульсія, яка має особливі властивості:

1. Вона повинна витримувати травлення плавикової кислотою (звичайна фотоемульсія не витримує), що необхідно при витравлювання вікон в діоксид кремнію.

2. Вона володіє високою роздільною здатністю (більше 1000 ліній на мм, або менше

1 мкм).

3. Вона володіє низькою в'язкістю, для того, щоб могла розтектися до шару товщиною в 1 мкм (інакше такого високого дозволу не отримати).

4. Вона чутлива до опромінення світлом в ультрафіолетової області

(довжина хвилі світла становить 0,3 мкм).

Так багато особливих властивостей може мати тільки особлива речовина. Цепластмаса, яка під дією світла руйнується, або, навпаки, піддією світла утворюється. Таких речовин знайдено багато. Це - фоторезист.

Отже, в процесі фотолітографії, ми можемо створити тонкий шардіоксиду кремнію (на кремнії, напівпровіднику), потім нанести дуже тонкийшар фоторезиста, далі через фотошаблони (особлива фотопластинки, на якійє багато заздалегідь розрахованих і виготовлених темних і світлих місць)висвітлити її ультрафіолетовим світлом, потім проявити, тобто видалитиосвітлені місця (чи навпаки неосвітлені), далі можна видалити черезвікна в фоторезист діоксид кремнію (травлення в плавикової кислоті) івидалити сам фоторезист, тому що його залишки можуть перешкодити привисокотемпературному процесі дифузії.

Тепер можна робити дифузію з одного боку:

А значить, легше зробити точно регульований тонкий базовий шар: робимодифузію на глибину приблизно 5 ... 6 мкм, потім другий дифузію на 3 .. 4 мкм.
База буде приблизно 2 мкм. Глибина дифузії і товщина бази відповідні,значить, можна їх зробити точно (а загальна товщина пластини може бути будь-який,наприклад 1 мм). Пластину (як прийнято називати в електроніці "чип") можнарозрізати на окремі транзистори, перевірити кожен транзистор, і хорошітранзистори можна посадити в корпус.

Чому ж тільки фотолітографія дозволила вирішити проблему точногозавдання товщини бази? Справа в тому, що якщо товщина бази менше 5 мкм (0,1товщини волосся), то просто неможливо створити контакт до такої області. А вразі виготовлення локальних емітерний областей цей контакт можна робитизверху там, де немає емітера - це може бути набагато велика площа.

Тому розвиток фотолітографії та локальної дифузії призвело дозагальним визнанням дифузійного технології виготовлення транзисторів.

У 60-70 рр.. набула поширення транзисторна ЕОМ БЕСМ-6. Але вонатеж працювала приблизно 1-2 доби, і виходила з ладу. Треба було 1-2 дібремонтувати. Що ж далі? Треба підвищувати надійність транзистора. І цяпроблема була вирішена!

У кожного транзистора три контакти, які здійснюються припаюваннямзолотих зволікань. 3 пайки до кристалу, 3 пайки до ніжок корпусу, 3 пайкив схемі, де транзистор використовується - всього 9. У МДН-транзисторів 4контакту, значить всього 12 пайок.

А що, якщо не розрізати пластину на окремі транзистори, а відразувикористовувати їх у схемі? Ідея приваблива, можна, принаймні, в 3 разискоротити кількість контактів.

Однак є проблема - все транзистори будуть закорочені по колекторуі базі. Отже, їх треба ізолювати один від одного. І ця проблема булавирішена, і не одним способом!

Розглянемо ізоляцію р-п переходом. Спочатку роблять кишені: наприклад вр-тип створюють дифузією п-області:

Припустимо, що між кишенями є напруга, наприклад, таке, щоправу кишеню має позитивний потенціал. Тоді правий р-п перехідзміщений у зворотному напрямку, і струму немає. Нехай, навпаки, праву кишенюмає негативний потенціал - тоді лівий кишеню зміщений у зворотномунапрямку, іструму знову немає.

Тепер у кожному кишені можна зробити свій транзистор, і він будеізольований від інших.

Є ще одна проблема. При кожній дифузії потрібно передіффундіроватьтой шар, який був - тобто концентрація носіїв виявляється більше,ніж у попередньому шарі. Значить, найменша концентрація повинна бути впластині, в кишенях вона більше, кишені можуть виконувати роль колекторів,далі створюється базова область, в ній концентрація носіїв ще більше,ніж у колекторної області, потім ми робимо емітерний область, і в нійнайбільша концентрація носіїв заряду. Але це означає, щоопір колекторної області найбільше, і тому дуже велике RC
- Велика стала часу, транзистори працюють занадто повільно. Дляпідвищення швидкодії транзисторів треба зробити на дні кишені тонкийшар з високою концентрацією носіїв заряду. Ця проблема теж булавирішена за допомогою епітаксиальні нарощування шарів - нарощування шарів зтієї ж кристалічної орієнтацією, що і у підкладки. Це - епітаксії.
Чи можемо наростити тонкий шар монокристалу, але з іншого концентрацієюносіїв заряду.

Тепер повний цикл виготовлення мікросхеми (інтегральної схеми)виглядає так, як показано на рис. нижче.
1. На першому етапі роблять локальну дифузію донорів, причому сильну - для створення прихованого шару.
2. На другому етапі роблять епітаксії - нарощують епітаксиальні шар з низькою концентрацією електронів (електронів більше, ніж дірок).
3. На третьому етапі проводять локальну дифузію акцепторів для поділу на кишені.
4. Далі знову проводять дифузію акцепторів для створення базових областей.
5. Тепер треба зробити емітер, значить локальна дифузія донорів. Заразом роблять підготовку для доброго контакту до колекторної області - всередині колектора сильно легована область.
6. І нарешті, захищають всю поверхню кремнію оксидом кремнію, роблять у ньому вікна для контактів до транзисторам, потім напилюють метал. Далі зайвий метал видаляють.

Далі потрібно розділити пластину на окремі мікросхеми, зміцнити вкорпус, припаяти контакти.

Виявляється, інтенсивність відмов мікросхеми не визначаєтьсянапівпровідникової структурою, а в основному залежить від числа контактів.
Тому інтенсивність відмов мікросхеми теж приблизно 10-7 ч-1. На одніймікросхемі можна зробити багато транзисторів. В даний час їхкількість може перевищувати мільйон.

У схемах зазвичай багато інших елементів. Як їх зробити?

Як діода зазвичай використовують транзистор, у якого немаєемітерний області, або у звичайного транзистора закорачівают один р-пперехід.

Як резистора використовують базову або колекторних область, алеїї потрібно зробити потрібної довжини і ширини, і до неї роблять 2 контакту

Як конденсатора використовують паразитне ємність р-п переходу,або роблять конденсатор з діоксидом кремнію в якості діелектрика.

індуктивності, як правило, в мікроелектронній технології не роблять.

Проте є межі у мікроелектроніки. Не дуже-то вдаєтьсязбільшувати кількість транзисторів, тому що вони мають обмеження по зменшеннюрозмірів. Площа кристала теж не вдається збільшувати.

У цьому випадку є надія, що дасть перспективу функціональнаелектроніка - це електроніка, в якій прості функції транзисторазамінюються більш складними функціями, що мають наявність у різнихкристалах - напівпровідникових, сегнетоелетріческіх, магнето-електричнихі так далі.

-----------------------< br>