Инфоурок / Физика / Конспекты / Лекционный материал по дисциплине "Наноинженерия" - МИНИАТЮРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ НАНОИНЖЕНЕРИИ
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Педагогическая деятельность в соответствии с новым ФГОС требует от учителя наличия системы специальных знаний в области анатомии, физиологии, специальной психологии, дефектологии и социальной работы.

Только сейчас Вы можете пройти дистанционное обучение прямо на сайте "Инфоурок" со скидкой 40% по курсу повышения квалификации "Организация работы с обучающимися с ограниченными возможностями здоровья (ОВЗ)" (72 часа). По окончании курса Вы получите печатное удостоверение о повышении квалификации установленного образца (доставка удостоверения бесплатна).

Автор курса: Логинова Наталья Геннадьевна, кандидат педагогических наук, учитель высшей категории. Начало обучения новой группы: 27 сентября.

Подать заявку на этот курс    Смотреть список всех 216 курсов со скидкой 40%

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.




Самые низкие цены на курсы переподготовки

Специально для учителей, воспитателей и других работников системы образования действуют 50% скидки при обучении на курсах профессиональной переподготовки.

После окончания обучения выдаётся диплом о профессиональной переподготовке установленного образца с присвоением квалификации (признаётся при прохождении аттестации по всей России).

Обучение проходит заочно прямо на сайте проекта "Инфоурок", но в дипломе форма обучения не указывается.

Начало обучения ближайшей группы: 27 сентября. Оплата возможна в беспроцентную рассрочку (10% в начале обучения и 90% в конце обучения)!

Подайте заявку на интересующий Вас курс сейчас: https://infourok.ru

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  

Общая информация

Номер материала: 175407

Похожие материалы

2017 год объявлен годом экологии и особо охраняемых природных территорий в Российской Федерации. Министерство образования и науки рекомендует в 2017/2018 учебном году включать в программы воспитания и социализации образовательные события, приуроченные к году экологии.

Учителям 1-11 классов и воспитателям дошкольных ОУ вместе с ребятами рекомендуем принять участие в международном конкурсе «Законы экологии», приуроченном к году экологии. Участники конкурса проверят свои знания правил поведения на природе, узнают интересные факты о животных и растениях, занесённых в Красную книгу России. Все ученики будут награждены красочными наградными материалами, а учителя получат бесплатные свидетельства о подготовке участников и призёров международного конкурса.

Конкурс "Законы экологии"