Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015

Автоматическая выдача свидетельства о публикации в официальном СМИ сразу после добавления материала на сайт - Бесплатно

Добавить свой материал

За каждый опубликованный материал Вы получите бесплатное свидетельство о публикации от проекта «Инфоурок»

(Свидетельство о регистрации СМИ: Эл №ФС77-60625 от 20.01.2015)

Инфоурок / Физика / Конспекты / Лекционный материал по дисциплине "Наноинженерия" - МИНИАТЮРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ НАНОИНЖЕНЕРИИ
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 26 апреля.

Подать заявку на курс
  • Физика

Лекционный материал по дисциплине "Наноинженерия" - МИНИАТЮРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ НАНОИНЖЕНЕРИИ

библиотека
материалов


Лекция по дисциплине «Наноинженерия» .

МИНИАТЮРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ НАНОИНЖЕНЕРИИ



1.1. Поколения элементной базы микро- и наносистем

Наноинженерия – как научное направление, возникло не на пустом месте. Наноинженерия (англ. Nanotechnological engineering) - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, предметом которой являются исследования, проектирование и совершенствование методов производства и применения интегрированных систем, основанных на законах и принципах нанотехнологий и микро- и наносистемной техники. К ведению наноинженерии относится высокоточное приборостроение, машиностроение и биотехнологии с разрешающей способностью допусков размерных цепей объектов в десятки – единицы нанометров.

Начало микроминиатюризации интегрированных систем было положено с первых дней зарождения радиотехники. Развитие полупроводниковой электроники связано с изобретением в 1948 году (а точнее в декабре 1947 года) сотрудниками американской фирмы «Bell Telephone Laboratories» Уильямом Шокли, Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном транзистора, за что все трое в 1956 году получили Нобелевскую премию по физике.



Справка:

Уолтер Х. Браттейн (1902-1987) – американский физик, специалист по квантовой механике. Родился в Китае. Степень бакалавра получил в Уитменском колледже (1924г.), степень магистра – в Орегонском университете (1926г.). Защитил докторскую диссертацию (1929г) в университете шт. Миннесота, куда приезжали читать лекции по новой квантово-механической теории ее создатели - Арнольд Зоммерфельд, Эрвин Шредингер и Джеймс Франк. В 1929 году поступил на работу в фирму «Bell Telephone Laboratories». В 1931 году возглавил в ней вместе с Дж. Беккером работы по исследованию купроксных выпрямителей.

Джон Бардин (1908-1991) – американский физик-теоретик, единственный в мире дважды лауреат Нобелевской премии по физике, вторая премия – за работы по сверхпроводимости в 1972 году (теория Бардина-Купера-Шриффера).

Уильям Брэдфорд Шокли (1910-1989) – американский физик, специалист по физике твердого тела. Родился в Лондоне. Степень бакалавра получил в Калифорнийском технологическом институте (1932г.), степень доктора наук – в Массачусетском технологическом институте (1936г.)


История создания транзистора вообще заслуживает отдельного повествования, поскольку является невероятно интересной. В качестве интриги можно сказать, что если бы не Вторая мировая война, то транзистор был бы открыт на 7 лет раньше. Уже в 1940 году исследователи, сами того не подозревая, получили первый p-n-переход и начали исследовать его свойства. Однако война помешала продолжению этих работ, и все три будущих Нобелевский лауреата были направлены в разные исследовательские группы, работавшие на военные нужды.

В 30-е годы ХХ века промышленностью выпускались купроксные выпрямители – по сути дела приборы, использующий полупроводниковые свойства твердого тела. Однако принцип их работы в то время еще никто не понимал.

В работы по получению сверхчистых материалов, в частности германия и кремния, и исследованию их свойств внесли свой вклад :

Рассел С. Оль – химик, работы по получению кремния высокой чистоты.

Дж.Х. Скафф и Х.С.Тойерер – металлурги, работавшие с кремнием в начале 40-х годов.

В СССР, благодаря работам физиков школы А.Ф.Иоффе, было быстро освоено производство полупроводниковых элементов. Первый транзистор был получен его учеником Б.М.Вулом в 1957 году (по другим сведениям в 1953 году).

Патент на изобретение интегральной микросхемы был выдан Джеку Килби из фирмы «Texas Instruments» в 1961 году. За это открытие он в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике.


Справка. Джек Сент Клер Килби деятельность начал в 1947г. в фирме «Centralab», шт. Миллуоки.


В том же году нашему соотечественнику – академику Жоресу Алферову также была присуждена Нобелевская премия по физике, но уже за работы по созданию полупроводниковых приборов на гетеропереходах. При этом сейчас умалчивают, что еще в 1972 году, в советские времена, ему за эти же работы была присуждена Ленинская премия.

Все это говорит о важности оценки работ по микроминиатюризации электронной аппаратуры.

В 1968 году трое специалистов, ранее работавших в фирме «Fairchild Semiconductor», - Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув основали в Кремниевой долине (шт. Калифорния) фирму «Intel» (Intellegense Electronics) на которой в 1971 году был разработан и выпущен в продажу первый микропроцессор – микросхема Intel-4004, содержащая 2250 p-канальных МОП-транзисторов. Процессор был разработан Мартином Хоффом и Масатоси Шимой. В том же году фирма «Intel» выпустила микросхему динамического ОЗУ объемом 1 Кбит.

Элементные базы в ЭВА:

1-е поколение – активные элементы – электровакуумные приборы и дискретные элементы (1895 –1948)

1904г. – изобретение Дж.А.Флемингом лампового диода.

1906г. - изобретение Ли Де Форестом лампового триода.

2-е поколение – транзистор и печатный монтаж.(1948-1961). Печатные платы имеют более высокую надежность, большую воспроизводимость параметров, легкость автоматизации производства и снижение себестоимости.

3-е поколение – (1961- до конца 70-х годов) ИС – толсто- и тонкопленочные ИС полупроводниковые ИС, микросборки.

4-е поколение – (конец 70-х годов и до настоящего времени) БИС и СБИС, функциональная микроэлектроника – узлы и приборы, в которых невозможно выделить элементы, эквивалентные традиционным дискретным компонентам.

5-е поколение – наноэлектроника.



1.2. Классификация интегральных схем как объектов наноинженерии


Интегральные схемы (ИС) – это электронное изделие, выполняющее определенные функции преобразования и обработки сигналов, имеющее высокую плотность упаковки электрических и соединительных элементов, которое с точки зрения требований к испытаниям, применению, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

В настоящее время, число транзисторов в ИС достигло 42 млн. (процессор «Pentium-4») и 57 млн. (графический ускоритель «GeForce-3») (эти данные относятся в 2000 году и сейчас уже устарели. Число транзисторов в микропроцессоре Intel Core2 достигло 150 млн.) на кристалле и сотен миллионов (микросхема памяти 256 Мбит) и даже 1 миллиарда элементов (микросхема 1 Гбит фирмы «Samsung»).


В микроэлектронике существует и действует так называемый “Закон Мура”, согласно которому число транзисторов в наиболее сложной ИС удваивается каждые 18 месяцев. Это предположение было высказано Гордоном Муром в 1965 году. И до сих пор это положение в той или иной мере выполняется закон выполняется.

Полупроводниковая ИС – это ИС, представляющая собой полупроводниковый крастал, в поверхностном слое которого с помощью методов полупроводниковой технологии сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы и соединений между ними.

В полупроводниковой ИС все элементы и межсоединения выполнены в приповерхностном объеме или на поверхности полупроводника.

Характеристики полупроводниковых материалов


Физические свойства наиболее часто применяемых в наноинженерии полупроводниковых материалов и диэлектриков представлены в таб.1.1.

Таблица 1.1 «Физические свойстваполупроводниковых материалов»


hello_html_4b3e4286.png

При этом, несмотря на то, что технологические процессы производства ИС относятся к сфере «высоких» технологий, только ~3% объема кремниевой пластины полезно используются для формирования структур компонентов ИС. Остальной объем кремниевой пластины (~97%) не используется и является лишь держателем (подложкой) для ИС, чтобы изготовленная ИС не рассыпалась из-за своей сверхмалой толщины.

Рис. 1.2.1 Кремниевые пластины
Пленочные ИС – это ИС все пассивные элементы и межсоединения в которых выполнены в виде пленок. hello_html_m7e4b1548.png

Различают тонкопленочные (с толщиной пленок, формирующих структуру ИС, до 2 мкм) и толстопленочные (от 20 мкм и выше) ИС.


1.3 Кремниевые подложки для интегральных схем

Пригодность подложек полупроводниковых материалов для изготовления ИС определяется параметрами, зависящими от его (т.е. полупроводникового материала) физических, оптических, термических, термоэлектрических свойств, а также зонной структуры, ширины запрещенной зоны, положения в ней примесных уровней.

Очень важны электрические свойства подложек:

1. Тип электропроводности

2. Концентрация носителей заряда

3. Подвижность носителей

4. Время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина.

Все эти параметры сильно зависят от метода получения полупроводникового материала.

В настоящее время из всех полупроводниковых материалов, применяемых для производства объектов наноинженерии, наибольшее распространение получил кремний.

Справка. Кремний – элемент 4 группы таблицы Менделеева.

Кремний наиболее распространен в земной коре – 29,5%. В природе встречается в виде окислов и солей кремниевой кислоты.

Кварц – содержит 99,99% кремния. Чистый песок – 99,8 – 99,9% .

Изотопический состав:

–Si ат.вес 28 – 92,2%,

- Si ат. вес 29 – 4,68%,

- Si ат. вес 30 – 3,05%.

Остальные изотопы кремния – радиоактивны.

Плотность – 2,32 г/см3. Тпл – 1412°С. Ширина запрещенной зоны – 1,09 эВ ( при 300°С).

Подвижность носителей в чистом крмении

– электроны – 1450 см2/В сек.,

- дырки – 480 см2/В сек.

Технический кремний получают восстановлением SiO2 в электрической дуге между графитовыми электродами. Это исходной сырье для получения полупроводникового кремния высокой чистоты (с содержанием примесей меньше 10-6 %).


1.4.Технология получения полупроводникового кремния


Полупроводниковый кремний получают по следующей технологии:

1. Превращение технического кремния в летучее соединение.

2. Очистка соединения с помощью химических методов

3. Восстановление соединения с выделением чистого кремния

4. Конечная очистка кремния методом бестигельной зонной плавки

5. Выращивание легированных кристаллов.

Рис. 1.4.1 Монокристалл кремния
На рисунке слева: кремниевый слиток диаметром 20 - 50 см и длиной до 3 метров. hello_html_10347d81.png

Далее слиток подвергается механической и химической обработкам.

В окончательном виде кремний представляет из себя пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.

Разработаны промышленные технологии получения Si с содержанием примеси на уровне 1012... 1013 ат/см3.

По сравнению с Ge Si обладает :

1. Более широкой запрещенной зоной – поэтому ИС, разработанные на его основе работают в большем температурном диапазоне

2. Меньшими токами утечки

3. Большими рабочими напряжениями

SiO2 – обладает маскирующими свойствами, т.е. разными скоростями диффузии в Si и SiO2 для основных легирующих примесей. На этом физическом принципе основана планарная технология изготовления полупроводниковых ИС.

Соединения Ge маскирующими свойствами не обладают, а потому попытки создать ИС на германии успеха не имели.


Краткое описание документа:

зарождения радиотехники. Развитие полупроводниковой электроники связано с изобретением в 1948 году (а точнее в декабре 1947 года) сотрудниками американской фирмы «Bell Telephone Laboratories» Уильямом Шокли, Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном транзистора, за что все трое в 1956 году получили Нобелевскую премию по физике.

 

Справка:

Уолтер Х. Браттейн (1902-1987) – американский физик, специалист по квантовой механике. Родился в Китае. Степень бакалавра получил в Уитменском колледже (1924г.), степень магистра – в Орегонском университете (1926г.). Защитил докторскую диссертацию (1929г) в университете шт. Миннесота, куда приезжали читать лекции по новой квантово-механической теории ее создатели - Арнольд Зоммерфельд, Эрвин Шредингер и Джеймс Франк. В 1929 году поступил на работу в фирму «Bell Telephone Laboratories». В 1931 году возглавил в ней вместе с Дж. Беккером работы по исследованию купроксных выпрямителей.

Джон Бардин (1908-1991) – американский физик-теоретик, единственный в мире дважды лауреат Нобелевской премии по физике, вторая премия – за работы по сверхпроводимости в 1972 году (теория Бардина-Купера-Шриффера).

Уильям Брэдфорд Шокли (1910-1989) – американский физик, специалист по физике твердого тела. Родился в Лондоне. Степень бакалавра получил в Калифорнийском технологическом институте (1932г.), степень доктора наук – в Массачусетском технологическом институте (1936г.)

 

История создания транзистора вообще заслуживает отдельного повествования, поскольку является невероятно интересной. В качестве интриги можно сказать, что если бы не Вторая мировая война, то транзистор был бы открыт на  

Автор
Дата добавления 06.12.2014
Раздел Физика
Подраздел Конспекты
Просмотров432
Номер материала 175407
Получить свидетельство о публикации

"Инфоурок" приглашает всех педагогов и детей к участию в самой массовой интернет-олимпиаде «Весна 2017» с рекордно низкой оплатой за одного ученика - всего 45 рублей

В олимпиадах "Инфоурок" лучшие условия для учителей и учеников:

1. невероятно низкий размер орг.взноса — всего 58 рублей, из которых 13 рублей остаётся учителю на компенсацию расходов;
2. подходящие по сложности для большинства учеников задания;
3. призовой фонд 1.000.000 рублей для самых активных учителей;
4. официальные наградные документы для учителей бесплатно(от организатора - ООО "Инфоурок" - имеющего образовательную лицензию и свидетельство СМИ) - при участии от 10 учеников
5. бесплатный доступ ко всем видеоурокам проекта "Инфоурок";
6. легко подать заявку, не нужно отправлять ответы в бумажном виде;
7. родителям всех учеников - благодарственные письма от «Инфоурок».
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://infourok.ru/konkurs


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ


Идёт приём заявок на международный конкурс по математике "Весенний марафон" для учеников 1-11 классов и дошкольников

Уникальность конкурса в преимуществах для учителей и учеников:

1. Задания подходят для учеников с любым уровнем знаний;
2. Бесплатные наградные документы для учителей;
3. Невероятно низкий орг.взнос - всего 38 рублей;
4. Публикация рейтинга классов по итогам конкурса;
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://urokimatematiki.ru

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх