Введение. Электроника - наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств

КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Введение

Электроника - наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, используемых в основном для передачи, обработки и хранения информации·.

До 1947 г. основным прибором электроники являлась элект­ронная лампа - усилительный прибор, основанный на использо­вании процессов, связанных с движением электронов в вакууме. При всех своих несомненных и до сих пор непревзойденных достоинствах электронные лампы обладают одним существенным недостатком - большими размерами, хотя последние достиже­ния в области вакуумной микроэлектроники, возможно, смогут этот недостаток устранить и начать новый виток развития вакуум­ной технологии. В 1947 г. Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Б. Шокли изобрели полупроводниковый усилительный прибор - транзис­тор и началась эра твердотельной электроники, вследствие чего стали развиваться микроэлектроника и наноэлектроника, добив­шиеся за короткое время впечатляющих результатов.

Успехи в развитии микроэлектроники привели к тому, что от­личие параметров современной микроэлектронной продукции и продукции 1970-х гг. еще больше впечатляет. В 1958 г. Дж.Ф. Килби и Р. Н. Нойс впервые создали электронную схему на одном крис­талле. Если размеры элементов первых микросхем составляли десят­ки микрон, то к 2004 г. ведущие фирмы США сумели добиться технологического стандарта размера элемента 0,1 мкм.

Фундамент современной микроэлектроники составляет планар­ная технология. Несущей конструкцией всей микросхемы являет­ся подложка. На эту подложку в различных комбинациях и в тре­буемом количестве наносятся полупроводниковые, проводящие и изолирующие слои, в которых создаются требуемые конфигура­ции и топологические рисунки. Толщина этих слоев колеблется в зависимости от технологических требований от 0,05 до 1-2 мкм (для сравнения: человеческий волос имеет среднюю толщину 60 мкм).

Создание высокоточного прецизионного топологического ри­сунка в тонких, субмикронных (по толщине) слоях сейчас явля­ется наиболее сложной задачей микро- и нанотехнологии. Микро­технология имеет дело с элементами микросхем, размер которых превышает 1 мкм; субмикронная технология - 0,1... 1,0 мкм; на­нотехнология - менее 0,1 мкм.

Считается, что нанотехнология позволит создавать практичес­ки любые изделия - от вычислительных машин сверхвысокой производительности до искусственных органов человека, причем, чем дальше ученые от практической деятельности в области на­нотехнологии, тем смелее и масштабнее генерируемые ими про­гнозы. Это касается и вторжения в сферу биологии, биофизики и биотехнологии, особенно в области конвергенции органических и неорганических соединений.

В настоящее время самым прецизионным и точным инстру­ментом обработки и контроля микросхем является пучок заря­женных частиц - электронов или ионов. Законы, по которым подобные пучки взаимодействуют с твердым телом, лежат в ос­нове той области нанотехнологии, которая связана с получением поверхностных и объемных конфигураций в процессе производ­ства ИС и методами контроля и метрологии. Создание интеграль­ных наноэлектронных квантовых схем является, по существу, ко­нечной целью наноэлектроники. Мечтой технологов является ре­альная совокупность способов и приемов создания функциональ­ных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек, в том числе элементов из отдельных молекул и атомов, с возмож­ностью одновременной их визуализации и контроля.

Традиционный метод, включающий в себя создание масок на поверхности полупроводниковой пластины с последующим при­менением микролитографии все более высокого разрешения, в том числе рентгено-, электронолитографии и ионной литогра­фии, а также синхротронного излучения, приведет, по всей ви­димости, к созданию проводящих дорожек с нанометровыми по­перечными размерами. Однако создание элементов на основе от ­ дельных молекул и атомов традиционным путем невозможно, хотя совершенно необходимо.

Научное направление, связанное с ультрадисперсным состоя­нием вещества, называемым теперь наносостоянием, зародилось в СССР еще в самом начале 1950-х г. на предприятиях оборонно­промышленного комплекса (ОПК), а с начала 1970-х гг. и во мно­гих открытых организациях, что подтверждается соответствующими публикациями. Этот факт признают и зарубежные коллеги (что, впрочем, не мешает им избегать ссылок на приоритетные работы их российских коллег).

Курс физических основ современной мик­ро- и нанотехники состоит из двух основных блоков. Первый блок ­ физические основы микро- и нанотехнологии с точки зрения квантовой механики, в том числе основных представлений фрак­тальной физики и нелинейной динамики. Это теоретическая база для дальнейшего понимания материала. Второй блок - краткое описание элементной базы современной полупроводниковой тех­ники.

Поиск по сайту: