История развития электроники

4.2 Изобретение плоскостного биполярного транзистора.

Одновременно, в период апрель 1947 – январь 1948 г., Шокли опубликовал теорию плоскостных биполярных транзисторов. Рассмотрев полупроводниковые выпрямительные устройства из кристаллов полупроводника, имеющего переход между областями p- и n- типа.(Рис. 4.3)

Такое устройство, называемое плоскостным полупроводниковым выпрямителем, обладает малым сопротивлением, когда р-область – положительна по отношению к n-области. Характеристики плоскостного выпрямителя можно точно определить теоретически. По сравнению с точечным, плоскостной выпрямитель допускает большую нагрузку т.к. площадь контакта можно сделать достаточно большой. С другой стороны с увеличением площади растет шунтирующая контактная емкость. Далее Шокли рассмотрел теорию плоскостного транзистора из кристалла полупроводника, содержащего два p-n перехода (Рис. 4.4) Положительная р-область является эмиттером, отрицательная р-область коллектором, n-область представляет собой базу. Таким образом вместо металлических точечных контактов используются две p-n области. В точечном транзисторе два металлических точечных контакта необходимо было располагать очень близко друг к другу, и в плоскостном транзисторе оба перехода должны располагаться очень близко друг к другу. Область базы очень тонкая – менее 25 мкм. Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность. Для нормальной работы транзистора, как усилителя, необходимо чтобы на эмиттер было подано прямое, а на коллектор обратное смещение, по отношению к базе. Для p-n-p транзистора условие соответствует – положительному эмиттеру и отрицательному коллектору. Для n-p-n – обратные полярности т.е. отрицательный эмиттер и положительный коллектор.

Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.

+

–

4.3 Предпосылки появления транзисторов.

Появление транзисторов – это результат кропотливой работы десятков выдающихся ученых и сотен виднейших специалистов, которые в течении предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Среди них были не только физики, но и специалисты по электронике, физхимии, материаловедению.

Начало серьезных исследований относится к 1833 году, когда Майкл Фарадей работая с сульфидом серебра обнаружил, что проводимость полупроводников растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в этом случае уменьшается.

В конце XIX века были установлены три важнейших свойства полупроводников:

1. Появление ЭДС при освещении полупроводника.

2. Рост электрической проводимости полупроводника при освещении.

3. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом.

В 20-е годы ХХ в. выпрямляющие свойства контакта полупроводников с металлом начали практически использовать в радиотехнике. Радиоспециалисту из Нижегородской радиотехнической лаборатории Олегу Лосеву в 1922 году удалось применить выпрямляющее устройство на контакте стали с кристаллом цинкита в качестве детектора, в детекторном приемнике под названием "Кристадин". Схема кристадина (Рис. 4.5) содержит входной настраиваемый контур L₁C₁ к которому подключена внешняя антенна А и заземление. С помощью переключателя П₁ параллельно входному контуру подключается детектор Д₁. Такой детектор может не только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал, когда его рабочая точка находится на падающем участке ВАХ (Рис. 4.5(б)). На этом участке ВАХ сопротивление детектора становится отрицательным, что приводит к частичной компенсации потерь в контуре L₁C₁ и тогда приемник становится генератором.

Потенциометр R₁ регулирует ток детектора. Прослушивание сигналов принятых радиостанцией осуществляется на низкоуровневый телефон, катушки которого включены последовательно с источником питания через дроссель Др 1 и катушку L₂.

Первый образец кристадина был изготовлен Лосевым в 1923 году. В это время в Москве начала работать центральная радиотелефонная станция, передачи которой можно было принимать на простые детекторные приемники только вблизи столицы. Кристадин Лосева позволял не только увеличить дальность приема радиостанции, но был проще и дешевле. Интерес к кристадину в то время был огромный. "Сенсационное изобретение" – под таким заголовком американский журнал "Radio News" напечатал в сентябре 1924 г. редакционную статью посвященную работе Лосева. "Открытие Лосева делает эпоху", – писал журнал, выражая надежду, что сложную электровакуумную лампу вскоре заменит кусочек цинкита или другого вещества простого в изготовлении и применении.

Продолжая исследование кристаллических детекторов, Лосев открыл свечение карборунда при прохождении через него электрического тока. Спустя 20 лет это же явление было открыто американским физиком Дестрио и получило название электролюминесценции. Важную роль в развитии теории полупроводников в начале 30-х годов сыграли работы проводимые в России под руководством академика А.Ф. Иоффе. В 1931 году он опубликовал статью с пророческим названием: "Полупроводники – новые материалы электроники". Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли советские ученые – Б.В. Курчатов, В.П. Жузе и др. В своей работе – "К вопросу об электропроводности закиси меди", опубликованной в 1932 году, они показали, что величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и природой примеси. Немного позднее, советский физик – Я.Н. Френкель создал теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать теоретическую модель полупроводника, основанную на том факте, что в твердом теле дискретные энергетические уровни электронов отдельных атомов размываются в непрерывные зоны, разделенные запрещенными зонами (значениями энергии, которые электроны не могут принимать) – "зонная теория полупроводников".

В 1938 г. Мотт в Англии, Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии сформулировали, независимо, теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. Эта обширная программа исследований, выполняемая учеными разных стран и привела к экспериментальному созданию сначала точечного, а затем и плоскостного транзистора.

4.4 История развития полевых транзисторов.

4.4.1 Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг., 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд – автор этих потентов. Он родился в 1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.

Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис. 4.6

Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор.

4.4.2

В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О. Хейл

Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4.7 где:

1 – управляющий электрод

2 – тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия)

3,4 – омические контакты к полупроводнику

5 – источник постоянного тока

6 – источник переменного напряжения

7 – амперметр

Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором.

4.4.3

Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме "BTL" (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине 1945 г. Шокли вернулся в "BTL", а в 1946 г. туда же пришел Бардин.

В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим электродом, состоящим, как показано на рис. 4.8, из обратно смещенного p-n – перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхности канала с противоположных сторон формируется p-n-переход, таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим как течет ток между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется истоком. На рис. 4.8 – это отрицательный электрод. Второй омический электрод, к которому подходят электроны, – сток. Третий вывод от p-n-перехода называют затвор.

Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности и транзистор запирается.

4.4.4

В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другую конструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник называются МДП-транзисторы. В период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались на лабораторной стадии развития. Три фактора способствовали стремительному развитию полевых транзисторов в 70-е годы:

1) Развитие физики полупроводников и прогресс в технологии полупроводников, что позволило получить приборы с заданными характеристиками.

2) Создание новых технологических методов, таких как тонкопленочные технологии для получения структуры с изолированным затвором.

3) Широкое внедрение транзисторов в электрическое оборудование.

4.5 История развития серийного производства транзисторов в США и СССР

4.5.1

Ускоренная разработка и производство транзисторов развернулись в США в кремниевой долине, расположенной в 80-ти км от Сан-Франциско. Возникновение кремниевой долины связывают с именем Ф. Термена – декана инженерного факультета Стенфордского университета, когда его студенты Хьюлетт, Паккард и братья Вариан создали фирмы, прославившие их имена во время второй мировой войны.

Бурное развитие кремниевой долины началось, когда Шокли покинул "BTL" и основал собственную фирму по производству кремниевых транзисторов при финансовой помощи питомца Калифорнийского политехнического института А. Беккмана. Его фирма начала работу осенью 1955 г., как отделение фирмы "Beckman Instruments" в армейских казармах Паоло-Алто. Шокли пригласил 12 специалистов (Хорсли, Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Джонс, Клейнер, Блэнк, Нэпик, Са). В 1957 г. фирма изменила свое название на "Shockly Transistor Corporation". Вскоре 8 специалистов (Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Клейнер, Блэнк) договорились с Беккманом и создали отдельную самостоятельную фирму "Fairchild Semiconductor Corporation" в основе деятельности, которой лежало массовое производство высококачественных кремниевых биполярных транзисторов. В качестве первого изделия был выбран в 1957 г. кремниевый n-p-n мезатранзистор с двойной диффузией типа 2N696. Он требовал всего лишь два процесса фотолитографии для создания эмиттера и металлических контактов. Термин мезатранзистор был предложен Эрли из "BTL". Введя дополнительную операцию фотолитографии, Хорни заменил мезаструктуру коллектора диффузионным карманом и закрыл место пересечения эмиторного и коллекторного переходов с поверхностью термическим оксидом(1000 ^oС). Технологию таких транзисторов Хорни назвал планарным процессом. В 1961 г. был начат крупносерийный выпуск двух планарных кремниевых биполярных транзисторов 2N613(n-p-n), 2N869(p-n-p)

Институт полупроводниковых материалов и оборудования (США) составил генеалогическое дерево и первые ветви отпочкованные от фирмы Shockley выглядят так: Ласт и Хорни в 1961 году основали Amelco, которая позже превратилась в Teledyne Semiconductor. Хорни в 1964 году создал Union Corbide Electronics, в 1967 году – Intersil. Ежегодно создавалось по четыре фирмы, и за период с 1957 по 1983 г. в кремниевой долине было создано более 100 фирм. Рост продолжается и сейчас. Он стимулируется близостью Стенфордского и Калифорнийского университета и активным участием их сотрудников в деле организации фирм (Рис. 4.9).

Рис. 4.9 Динамика развития кремниевой долины.

4.5.2

Первыми транзисторами выпущенными отечественной промышленностью были точечные транзисторы, которые предназначались для усиления и генерирования колебаний частотой до 5 МГц. В процессе производства первых в мире транзисторов были отработаны отдельные технологические процессы и разработаны методы контроля параметров. Накопленный опыт позволил перейти к выпуску более совершенных приборов, которые уже могли работать на частотах до 10 МГц. В дальнейшем на смену точечным транзисторам пришли плоскостные, обладающие более высокими электрическими и эксплуатационными качествами. Первые транзисторы типа П1 и П2 предназначались для усиления и генерирования электрических колебаний с частотой до 100 кГц. Затем появились более мощные низкочастотные транзисторы П3 и П4 применение которых в 2-х тактных усилителях позволяло получить выходную мощность до нескольких десятков ватт. По мере развития полупроводниковой промышленности происходило освоение новых типов транзисторов, в том числе П5 и П6, которые по сравнению со своими предшественниками обладали улучшенными характеристиками. Шло время, осваивались новые методы изготовления транзисторов, и транзисторы П1 – П6 уже не удовлетворяли действующим требованиям и были сняты с производства. Вместо них появились транзисторы типа П13 – П16, П201 – П203, которые тоже относились к низкочастотным непревышающим 100 кГц. Столь низкий частотный предел объясняется способом изготовления этих транзисторов, осуществляемым методом сплавления. Поэтому транзисторы П1 – П6, П13 – П16, П201 – П203 называют сплавными. Транзисторы способные генерировать и усиливать электрические колебания с частотой в десятки и сотни МГц появились значительно позже – это были транзисторы типа П401 – П403, которые положили начало применению нового диффузионного метода изготовления полупроводниковых приборов. Такие транзисторы называют диффузионными. Дальнейшее развитие шло по пути совершенствования как сплавных, так и диффузионных транзисторов, а так же созданию и освоению новых методов их изготовления.

5. Предпосылки появления микроэлектроники

5.1 Требования миниатюризации электрорадиоэлементов со стороны разработчиков радиоаппаратуры.

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных ЭРЭ(электрорадиоэлементов) и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Даже опытные сборщики и наладчики ЭВМ допускали несколько ошибок на 1000 спаек. Разработчики предполагали новые перспективные схемы, а изготовители не могли запустить эти схемы сразу после сборки т.к. при монтаже не удавалось избежать ошибок, обрывов в цепи за счет не пропаев, и коротких замыканий. Требовалась длинная и кропотливая наладка. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств. Решение проблемы межсоединений и явилось предпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применение печатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблему повышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат не дает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кроме проводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральные микросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40-х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла. Переход к изготовлению на одной подложке нескольких соединенных между собой конденсаторов, а затем соединение их с композиционными резисторами, наносимыми также с помощью трафарета, с последующим вжиганием привело к созданию гибридных схем, состоящих из конденсаторов и резисторов. Вскоре в состав гибридных схем были включены и дискретные активные и пассивные компоненты: навесные конденсаторы, диоды и транзисторы. В дальнейшем развитии гибридных схем навесным монтажем были включены сверхминиатюрные электровакуумные лампы. Такие схемы получили название толстопленочные гибридные интегральные микросхемы (ГИС). Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхность диэлектрических подложек тонких пленок различных материалов(проводящих, диэлектрических, резистивных).

В 60-е годы огромные усилия исследователей были направлены на создание тонкопленочных активных элементов. Однако надежно работающих транзисторов с воспроизводимыми характеристиками никак не удавалось получить, поэтому в тонкопленочных ГИС продолжают использовать активные навесные элементы. К моменту изобретения интегральных микросхем из полупроводниковых материалов уже научились изготавливать дискретные транзисторы и резисторы. Для изготовления конденсатора уже использовали емкость обратно смещенного p-n перехода. Для изготовления резисторов использовались омические свойства кристалла полупроводника. На очереди стояла задача объединить все эти элементы в одном устройстве.

5.2 Основы развития технологии микроэлектроники.

5.2.1

Развитие микроэлектроники определяется уровнем достигнутой микротехнологии.

Планарная технология. При планарной технологии требуется обеспечить возможность создания рисунка тонких слоев из материала с различными электрическими характеристиками, чтобы получить электронную схему. Важная особенность планарной технологии заключается в ее групповом характере: все интегральные схемы (ИС) на пластине изготавливают в одном технологическом цикле, что позволяет одновременно получать несколько полупроводниковых схем.

5.2.1.1

Технологические процессы получения тонких пленок.

1) Эпитаксия (упорядочение) – процесс наращивания на кристаллической подложке атомов упорядоченных в монокристаллическую структуру. с тем чтобы структура наращиваемой пленки полностью повторила кристаллическую ориентацию подложки. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в возможности получения чрезвычайно чистых пленок при сохранении возможности регулирования уровня легирования. Применяют три типа эпитаксиального наращивания: газовую, жидкостную и молекулярную.

При газовой эпитаксии водород с примесью четырех хлористого кремния (SiCl₄ + H₂) с контролируемой концентрацией пропускают через реактор (Рис. 5.1), в котором на графитовом основании (1) расположены кремниевые пластины (2). С помощью индукционного нагревателя графит прогревается выше 1000 ⁰С эта температура необходима для обеспечения правильной ориентации осаждаемых атомов в решетке и получении монокристаллической пленки. В основе процесса лежит обратимая реакция: SiCl₄ + 2H₂ ↔ Si + 4HCl – прямая реакция соответствует получению эпитаксиальной пленки, обратная реакция травлению подложки. Для легирования эпитаксиальной пленки в газовый поток добавляют примесные атомы. Фосфорит (PH₃) используют в качестве донорной примеси, а диборан (B₂ H₃) в качестве акцепторной примеси.

При жидкостной эпитаксии получают многочисленные структуры из разных материалов. На Рис. 5.2: 1, 2, 3, 4 – растворы

5 – скользящий графитовый держатель растворов

6 – подложка

7 – основной графитовый держатель

8 – толкатель

9 – электрическая печь

10 – кварцевая труба

11 – термофара

Подвижная конструкция с различными растворами последовательно подводит растворы к подложке. Таким образом получают гетеропереходы с различными материалами толщиной менее 1 мкм (Ge – Si, GaAs – GaP)

Молекулярно-лучевая эпитаксия проводится в сверхвысоком вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой. На Рис. 5.3 иллюстрируется процесс получения соединения Al_xGa_1–xAs. Каждый нагреватель содержит тигель, являющимся источником молекулярного пучка одного из основных элементов пленки. Температура каждого нагревателя выбирается таким образом, чтобы давление паров, испаренных материалов, было достаточно для образования молекулярных пучков. Подбором температуры нагревателя и подложки получают пленки со сложным химическим составом. Дополнительное управление процессом выращивания осуществляется с помощью специальных заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии наиболее перспективен для твердотельной электроники в которой существенную роль играют слоистые структуры субмикронных размеров.

2) Окисление. Слой двуокиси кремния формируется обычно на подложке за счет химического соединения атомов кремния с кислородом, который подается к поверхности кремниевой подложки нагретой технической печи до температуры 900-1200 ^оС.

Рис. 5.4 : 1 – подложка

2 – кварцевая лодочка

3 – нагреватель

4 – кварцевая труба

Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Окисление происходит быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому оно используется для получения толстых пленок SiO₂. Наиболее часто используется толщина окисла составляющая десятые доли мкм, а верхний практический предел 1–2 мкм.

5.2.2 Литографические процессы используемые для формирования токологии микросхем.

5.2.2.1 Фотолитография.

Ф
отолитография является основным технологическим процессом в микроэлектронике при получении линий шириной до 1 мкм и его долей. Сначала изготавливают оригинал топологии микросхемы в сильноувеличенном размере (до 500 раз). Затем делают фотографию с уменьшением в 100 раз, затем в 10 раз и т.д. пока окончательное изображение на пластине не будет точно соответствовать требуемой схеме. Полученная фотопластина используется в качестве маски для передачи рисунка на поверхность подложки. Рассмотрим фотолитографический процесс для получения отверстия в слое двуокиси кремния расположенном на подложке. Рис. 5.5

1 – стеклянный фотошаблон

2 – фоторезист

3 – SiO₂ (окись кремния)

4 – кремниевая подложка

5 – светонепроницаемый рисунок на фотоэмульсии

6 – ультрафиолетовое излучение

Этапы:

а) Первичное покрытие

б) Контактная печать

в) После проявления

г) После травления

д) После удаления фоторезиста

Сначала на окисный слой наносят фоторезист (2), затем к фоторезисту прикладывают стеклянный фотошаблон (1) с рисунком соответствующим той части окисла, которая должна быть удалена (5). Экспонируют фотошаблон в ультрафиолетовых лучах (6). Проявляют. В процессе проявления не экспонированные участки фоторезиста (2) растворяются. Окисный слой в окне стравливают кислотным раствором и удаляют оставшийся слой фоторезиста – такой метод называется методом контактной печати. Кроме того используют проекционную печать, когда между фотошаблоном и подложкой располагают оптические линзы.

5.2.2.2 Электронно-лучевая литография.

Для получения рисунка методом электронной литографии применяют два способа:

1. Электронный луч, управляемый ЭВМ, перемещается заданным образом по поверхности подложки.

2. Электронный пучок проходит через специальные маски.

В первом случае применяют два типа сканирующих систем – растровую и векторную. В растровой системе электронный луч модулируется по интенсивности и построчно проходит по всей поверхности подложки. В векторной системе электронный луч отклоняется таким образом, что его след на резисте точно соответствует необходимому рисунку.