Лекция 1(Вступительная) Физические процессы в цифровых устройствах

1. Классическая и квантовая электродинамика

Физически любое устрйство может функционировать за счёт перемещения каких-либо механических частей, движения электронов, фотонов, квантовых частиц.

Законы классической электродинамики отлично описывают все особенности электрических и магнитных явлений, за исключением явлений атомного масштаба. Законы клас.электродинамики подчиняются уравнениям Максвелла(в интегр. или дифференциальном виде). Классическая электродинамика является теоретической основой электротехники и техники средств связи.

Закономерности электрических и магнитных явлений атомного масштаба точно описываются квантовой электродинамикой.

В соответствии с классической электродинамикой электрон, поскольку он ускоряется, должен излучать, постепенно теряя энергию и приближаясь по спирали к ядру. Для объяснения наблюдаемого излучения атома водорода Бор постулировал, что эта потеря энергии на излучение должна происходить порциями, или квантами, - в процессе перехода от излучающих возбужденных состояний атома к неизлучающему основному состоянию.

Микро - 10 в -6 степени соответ. скорости электрона. Нано 10 в -9 степени соотв. атомным и молекулярным расстояниям, в которых движение электронов не подчиняется классическим законам, а законам квантовой электродинамики.

2. Микро и наноэлектроника.

Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле  удваивается каждые полтора-два года.

Поэтому принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляются новые свойства, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

Микроэлектроника — подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов, с геометрическими размерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше^[1].

Такие устройства обычно производят из полупроводников и полупроводниковых соединений, используя процессы фотолитография и легирование. Большинство компонентов обычной электроники также применяются и в микроэлектронике: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, изоляторы и проводник, но уже в виде миниатюрных устройств в интегральном исполнении.

Цифровые интегральные микросхемы в основном состоят из транзисторов. Аналоговые интегральные схемы в основном содержат резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности используются в схемах работающих на высоких частотах.

С развитием техники, размеры компонентов постоянно уменьшаются. При очень большой степени интеграции компонентов, а следовательно и при максимальной минимизации их размеров, вопрос межэлементного взаимодействия становится очень актуальным.

• нанотехнология ‑ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

• наноматериалы ‑ материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

• наносистемная техника ‑ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

• Одним из реальных направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие нанотехнологий на основе использования особенностей свойств вещества (материалов) при уменьшении его размеров до нанометрового масштаба, разработка приборов и устройств на основе квантовых наноструктур (лазеры на квантовых точках, сверхбыстродействующие транзисторы, запоминающие устройства );

• фотонные кристаллы, поведение света в которых сравнимо с поведением электронов в полупроводниках. На их основе возможно создание приборов с быстродействием более высоким, чем у полупроводниковых аналогов;

• разупорядоченные нанокристаллические среды для лазерной генерации и получения лазерных дисплеев с более высокой яркостью (на 2-3 порядка выше, чем на обычных светодиодах) и большим углом обзора;

• антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

• В информатике ‑ многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

• В энергетике (в том числе атомной) ‑ наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран). Кроме того, наноматериалы применяются в тепловыделяющих и нейтронопоглощающих элементах ядерных реакторов; с помощью нанодатчиков обеспечивается охрана окружающей среды при хранении и переработке отработавшего ядерного топлива и мониторинга всех технологических процедур для управления качеством сборки и эксплуатации ядерных систем; нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

- транзистор, в к-ром управление протекающим через него током осуществляется электрич. полем, перпендикулярным направлению тока. Принцип работы П. т., сформулированный в 1920-х гг., поясняется на рис. 1. Тонкая пластинка полупроводника (канал) снабжена двумя омич. электродами (истоком и стоком). Между истоком и стоком расположен третий электрод - затвор. Напряжение, приложенное между затвором и любым из двух др. электродов (истоком или стоком), приводит к появлению в подзатворной области канала электрпч. поля. Влияние этого поля приводит к изменению кол-ва носителей заряда в канале вблизи затвора и, как следствие, изменяет сопротивление канала.

Изготовляются П. т. гл. обр. из Si и GaAs; исследуются также П. т. на основе тройных твёрдых растворов а также гетероструктур

и др.

Если канал П. т.- полупроводник n-тнпа, то ток в нём переносится электронами, входящими в канал через исток, к к-рому в этом случае прикладывается отри-цат. потенциал, н выходящими из канала через сток.

Если канал П. <т.- полупроводник р-типа, то к истоку прикладывается положит, потенциал, а к стоку - отрицательный. При любом типе проводимости канала ток всегда переносится носителями заряда только одного знака: либо электронами, либо дырками, поэтому П. т. наз. иногда униполярными транзисторами.

Различают 2 осн. типа П. т. К первому типу относят П. т., в к-рых затвором служит r- re-переход (П. т. с управляющим r -h-переходом) или барьер металл - полупроводник ( Шоттки барьер). Ко второму типу относят П. т., в к-рых металлич. электрод затвора отделён от канала тонким слоем диэлектрика, - П. т. с изолированным затвором.

Идея, лежащая в основе работы П. т. с затвором в виде p- n -перехода, высказана в нач. 50-х гг. У. Шок-ли (W. Shockley, США). Она поясняется на рис. 2. Под металлич. электродом затвора П. т. сформирован р-слой, так что между затвором и любым из двух др, электродов П. т. существует p - n -переход. Толщина канала d, по к-рому ток может протекать между истоком и стоком, зависит от напряжения, приложенного к затвору. Между истоком и затвором прикладывается напряжение смещающее p - n -переход в запорном направлении (в П. т. с каналом h-типа это условие соответствует "минусу" на затворе). Тогда под затвором возникает обеднённый слой (см. p - n-переход), имеющий очень высокое сопротивление. Чем больше напряжение тем больше толщина обеднённого слоя. В пределах обеднённого слоя ток практически течь не может. Поэтому увеличение соответствует сужению канала, по к-рому протекает ток между истоком и стоком. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током в канале. Чем больше тем толще обеднённый слой и тоньше канал и, следовательно, тем больше его сопротивление и тем меньше ток в канале. При достаточно большой величине обеднённый слой под затвором может полностью перекрыть канал, и ток в канале обратится в нуль. Соответствующее напряжение наз. напряжением отсечки. Ширина области объёмного заряда обратносмещён-ного p - n -перехода где е- заряд электрона,- концентрация доноров в материале канала, e - диэлектрич. проницаемость материала,диэлектрич. постоянная, контактная разность потенциалов в p - n-

переходе. Очевидно, толщина канала где h - геом. толщина канала (рис. 2). Напряжение отсечки находится из условия

Принцип работы П. т. с затвором в виде барьера Шоттки (ПТШ) аналогичен. Разница лишь в том, что обеднённый слой в канале под затвором создаётся приложением запорного напряжения к контакту металл - полупроводник.

ПТШ и П. т. с управляющим переходом, как правило, являются П. т. снормально открытым каналом. Так принято наз. П. т., в к-рых при отсутствии напряжения на затворе канал открыт и между истоком и стоком возможно протекание тока. В цифровых устройствах для снижения потребляемой мощности применяют также нормально закрытые П. т. В этих приборах толщина канала h настолько мала, что канал под действием кон-тактной разности потенциалов при нулевом напряжении на затворе полностью обеднён носителями заряда, т. е. канал практически закрыт. Рабочей областью входных сигналов таких П. т. являются отпирающие значения

В П. т. с изолиров. затвором между каналом П. т. и металлич. электродом затвора размещается тонкий слой диэлектрика (рис. 3, 4). Поэтому такие П. т. наз. МДП-транзисторами (металл - диэлектрик - полупроводник; см. МДП-структура). Часто в МДП-тран-зисторе слоем диэлектрика служит окисел на поверхности полупроводника. В этом случае П. т. наз. МОП-транзисторами (металл - окисел - полупроводник). Первые МДП-транзисторы появились в сер. 50-х гг.

МДП-транзисторы могут быть как с нормально открытым, так и с нормально закрытым каналами. МДП-транзистор с нормально открытым, встроенным каналом показан на рис. 3 на примере МДП-транзистора с каналом re-типа. Транзистор выполнен на подложке р-типа. Сверху подложки методами диффузии, ионной имплантации или эпитаксии формируются проводящий канал re-типа и две глубокие области для создания омич. контактов в области истока и стока. Область затвора представляет собой конденсатор, в к-ром одной обкладкой служит металлич. электрод затвора, а другой - канал П. т. Если между затвором и каналом приложить напряжение, то в зависимости от его знака канал будет обогащаться или обедняться подвижными носителями заряда. Соответственно, сопротивление канала будет уменьшаться или возрастать. В показанной на рис. 3 МДП-структуре с каналом n-типа напряжение, "плюс" к-рого приложен к затвору, а "минус" - к каналу (истоку или стоку), вызывает обогащение электронами приповерхностного слоя полупроводника под затвором. Обратная полярность напряжения на затворе вызывает обеднение канала электронами аналогично П. т. с управляющим переходом.

Для работы МДП-транзистора принципиально важно, чтобы поверхность раздела диэлектрик - полупроводник под затвором имела низкую плотность электронных поверхностных состояний. В противном случае изменение напряжения на затворе может приводить не к изменению концентрации носителей в канале, а лишь к перезарядке поверхностных состояний.

МДП-транзистор с индуциров. каналом показан на рис. 4. Из сравнения рис. 3 и 4 видно, что этот транзистор отличается от МДП-транзистора со встроенным каналом отсутствием n-слоя под затвором. Если напряжение на затворе отсутствует то в МДП-тран-зисторе, показанном на рис. 4, отсутствует и канал (транзистор с нормально закрытым каналом), а сам транзистор представляет собой два последовательно включённых перехода. При любой полярности напряжения между истоком и стоком один из этих переходов оказывается включённым в обратном направлении и ток в цепи исток - сток практически равен нулю.

Если приложить к затвору напряжение в такой полярности, как показано на рис. 4, то поле под затвором будет оттеснять дырки и притягивать в под-затворную область электроны. При достаточно большом напряжении называемом напряжением отпирания, под затвором происходит инверсия типа проводимости: вблизи затвора образуется тонкий слой n-типа. Между истоком и стоком возникает проводящий канал. При дальнейшем увеличении возрастает концентрация электронов в канале и сопротивление его уменьшается.

Осн. параметры П. т. Для П. т. характерно очень высокое входное сопротивление по пост, току

Действительно, входной сигнал в П. т. подаётся на затвор, сопротивление к-рого в П. т. с управляющим переходом и ПТШ определяется сопротивлением обратно смещённого перехода или сопротивлением барьера Шоттки, а в МДП-транзисторе - сопротивлением слоя диэлектрика. Величина в П. т. обычно превосходит 10⁶ Ом, в нек-рых конструкциях достигает 10¹⁴ Ом. Входное сопротивление по перем. току практически определяется ёмкостью затвора В сверхвысокочастотных П. т. величина пФ, в мощных низкочастотных П. т. величина пФ.

Усилит, свойства П. т. характеризуются крутизной вольт-амперной характеристики 5, определяемой как отношение изменения тока между истоком и стоком (тока стока)к изменению напряжения на затворе при пост, напряжении на стоке:

При неизменной структуре прибора крутизна растёт прямо пропорционально ширине затвора В (рис. 5). Поэтому при сравнении усилит, свойств разл. типов П. т. используется понятие уд. крутизны (отношения крутизны к ширине затвора В). Крутизна П. т. измеряется в сименсах, уд. крутизна - в сименсах/мм. В серийных П. т.См/мм. В лаб. разработках достигнуты значения при 300 К и при 77 К.

П. т. относятся к малошумящим приборам. Типичное значение коэф. шума (см. Шумовая температура )серийных П. т. дБ. Предельные ВЧ-свойства П. т. определяются временем пролёта носителей под затвором t _пр вдоль канала. Макс, рабочая частота П. т. может быть оценена, как где L- длина затвора (рис. 5). Величина L в серийных П. т. составляет 0,5-10 мкм. В лаб. условиях широко исследуются приборы с мкм. Величина u _макс в кремниевых приборах не превосходит дрейфовой скорости насыщения см/с (см. Лавинно-пролётный диод). В П. т. на основе соединений при мкм важную роль играют т. н. баллис-тич. эффекты (движение носителей заряда без столкновений на длине канала), за счёт к-рых величина возрастает до Предельная частота генерации П. т. превосходит 200 ГГц. Предельно малое время переключения

Осн. разновидности П. т. По областям применения все П. т. можно условно разбить на 4 осн. группы: П. т. для цифровых устройств и интегральных схем (ЦУ и ИС), П. т. общего применения, сверхвысокочастотные П. т. и мощные П. т.

П. т., предназначенные для работы в ЦУ и ИС, должны обладать малыми габаритами, высокой скоростью переключения и мин. энергией переключения. Серийные П. т. для ЦУ и ИС в наст, время изготовляются в осн. из Si и характеризуются следующими параметрами: длина затвора мкм, время переключения нс, энергия переключения пДж. Лучшие результаты получены с использованием П. т. на основе гетерострук-тур с селективным легированием (ГСЛ) [3, 4]. В ГСЛ-транзисторах, называемых также транзисторами с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), используются свойства двумерного электронного газа, образующегося в нек-рых гетероструктурах на границе узкозонного и широкозонного слоев гетеропары. С использованием гетеропары получены ГСЛ-транзисторы с временем переключения 5 пс и энергией переключения Дж. Исследуются также ГСЛ-транзисторы с использованием др. гетеропар на основе соединений

Осн. требование к сверхвысокочастотным П. т. состоит в достижении макс, мощности или коэф. усиления на предельно высокой частоте. Продвижение в область высоких частот требует уменьшения длины затвора и макс, использования баллистич. эффектов для достижения высокой скорости носителей. Для изготовления сверхвысокочастотных П. т. в наст, время используется в осн. в к-ром баллистич. превышение скорости над максимально возможным равновесным значением выражено значительно сильнее, чем в Серийные СВЧ П. т. работают на частотах до Лаб. разработки проводятся на частотах 90-110 ГГц. Предельная частота генерации (230 ГГц) получена в ГСЛ-транзисторах на основе изготовленных с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии.

Мощные П. т. работают при напряжении в цепи канала В и коммутируемом токе Т. к. мощность на единицу рабочей площади структуры принципиально ограничена необходимостью отводить тепло, мощные П. т. имеют большую общую длину электродов. Часто используется встречно-штыревая система электродов [2]. Мощные П. т. изготовляются на основе и Характерные рабочие частоты мощных П. т. достигают величин МГц.

Новые разновидности П. т. Транзисторы с проницаемой базой (ТПБ) предложены в 1979 и, по оценкам, способны, в принципе, повысить рабочую частоту П. т. до 10¹² Гц (1 ТГц). Носители заряда в канале ТПБ движутся не вдоль поверхности полупроводниковой плёнки, а перпендикулярно ей. Длина канала, и следовательно время пролёта носителей, в ТПБ могут быть значительно уменьшены в сравнении с планар-ным П. т. При планарной конструкции мин. размер затвора L определяется возможностями рентг. или электронно-лучевой микролитографии:мкм

(1000). Предельно малая величина L в ТПБ определяется толщиной плёнки, к-рая может быть получена в совр. установке молекулярно-пучковой эпитаксии, и составляет неск. атомных слоев.

Электроны в ТПБ (рис. 6) движутся от истока к стоку в направлении, перпендикулярном поверхности плёнки. Затвором служит металлич. сетка, "погружённая" в толщу полупроводниковой структуры ТПБ. По принципу действия ТПБ аналогичен ПТШ. Между металлич. сеткой и полупроводником возникает барьер Шоттки. Толщина обеднённой области вблизи проводников сетки определяется напряжением на затворе. Если толщина обеднённой области меньше расстояния между проводниками сетки, канал открыт и электроны свободно движутся к стоку. При достаточно большом напряжении обеднённые области перекрываются - канал закрыт. Осн. проблема создания ТПБ состоит в получении качеств, границы раздела металл - полупроводник. ТПБ имеет большое сходство с электронной лампой, в к-рой управляющим электродом является металлич. сетка.

Др. разновидностью П. т., в к-ром достигается уменьшение длины канала, является П. т. с канавкой (рис. 7), к-рый по принципу действия представляет собой МДП-тран-зистор с индуциров. каналом. Однако длина канала в такой структуре определяется не размером канавки в её верх, части (рис. 7), а толщиной слоя и углом между склонами канавки и слоями П. т. Длина затвора в такой конструкции может быть в неск. раз меньшей, чем в планарном П. т. Изготовление П. т. с V-канавкой основано на анизотропии травления Si и GaAs при определ. ориентации поверхности полупроводниковой структуры

Если говорить о мире высоких технологий, то очевидно, что сегодня человек как никогда близок к порогу, за которым кончается "микро" и начинается "нано": квантовые эффекты всё смелее и смелее внедряются в электронные устройства. Ведь транзистор, содержащий всего один атом примеси, уже существует, правда пока, по некоторым оценкам, он не столь хорош функционально, как подобное ему устройство, содержащее семь примесных атомов фосфора в наноостровке (квантовой точке).

- Транзистор - это управляемый полупроводниковый триод, который позволяет слабым низковольтным сигналом контролировать довольно большие токи. До него был электровакуумный прибор, который был сделан более чем сто лет назад и работал сначала в режиме токов, ограниченных инжекцией электронов из катода.

История изобретения полевого транзистора как основы сегодняшней информационной технологии также довольно давняя и тесно переплетена с электронными лампами. Интересно, что эволюция транзисторов идет в обратном направлении: от длинного канала, где ток ограничен пространственным зарядом, к короткому, где ток ограничен инжекцией. Первый патент на полевой транзистор датирован 1928 годом, его получил Лилиенфельд из США.

На самом деле он почти наш соотечественник, уроженец Львова, еврей, сначала он окончил университет в Вене, затем попал в Германию, работал в Берлине, и когда начались фашистские погромы, в 1926 году эмигрировал в США. Там ему предложили заняться твердотельной тематикой, а до этого он как раз работал с электровакуумными рентгеновскими трубками, и ему пришла мысль перенести свой опыт в твёрдое тело. Еще есть тонкоплёночные транзисторы.

Их изобрели тоже в Германии, в Гётенгене. Британский патент получил Оскар Хайл (Oscar Heil) в 1935 году. У него была русская жена Агнесса Арсеньева (Agnesa Arsenjewa), физик из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, они вместе известны как изобретатели клистрона, сверхвысокочастотного электровакуумного прибора.