Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ

В.П. Леонов

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ И ТЕХНОЛОГИЮ

ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЭВМ

И КОМПЬЮТЕРОВ

Томск – 2008

УДК 681.3(075.8)+621.38.032(075)

Л 476

Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной

базы ЭВМ и компьютеров: Учебное пособие. – Томск: Изд-во

НТЛ, 2008. – 264 с.

ISBN 978-5-89503-390-6

В учебном пособии рассмотрены основные этапы развития физики

и технологии элементной базы ЭВМ и компьютеров. Изложение мате-

риала ведётся от начального этапа зарождения вакуумной электроники

до современной элементной базы на основе полупроводниковой мик-

роэлектроники. Данное пособие призвано помочь более цельно пред-

ставить как историю развития элементной базы вычислительной тех-

ники, так и основы физики и технологии её создания. Содержание по-

собия имеет своей целью создать у студента ясное представление о

том, что современная элементная база вычислительной техники бази-

руется на сплаве достижений физики и сложнейшей технологии.

Предназначено для подготовки студентов неинженерных специ-

альностей, изучающих программирование и информатику.

УДК 681.3(075.8)+621.38.032(075)

Р е ц е н з е н т : Бакин Н.Н., к. т. н., зам. ген. директора

НИИ полупроводниковых приборов, г. Томск

ISBN 978-5-89503-390-6 © В.П. Леонов, текст, 2008

Оглавление 3

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................8

ГЛАВА 1. ОТ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

К ПОЛУПРОВОДНИКАМ............................................................ 13

1.1. Вакуумная электроника: от лампы освещения до

радиоламп ................................................................................ 13

Осветительная лампа накаливания...................................14

Первые электровакуумные приборы ................................ 23

Электровакуумный диод.................................................... 26

Электровакуумный триод и многосеточные лампы........ 32

Превращение радио в бытовое информационное

устройство........................................................................... 37

Электронно-оптические индикаторы ............................... 40

Газонаполненные электронные лампы............................. 41

Прочие электронные лампы .............................................. 41

Электронно-лучевая трубка...............................................44

Жидкокристаллические экраны ........................................ 49

Плазменные панели............................................................ 51

Перспективы электровакуумных ламп............................. 52

Электросвязь, информация, люди..................................... 55

1.2. Типы химической связи: металлическая, ковалентная,

ионная ...................................................................................... 61

Металлы и металлическая связь ....................................... 61

Модель свободных электронов......................................... 66

Недостатки модели свободных электронов ..................... 69

Ионная связь ....................................................................... 71

Химическая связь в полупроводниках ............................. 73

Основные свойства ковалентной связи............................ 73

Ионно-ковалентный тип связи в твердых телах.............. 75

Химическая связь в полупроводниковых

соединениях A

8−N

........................................................... 76

1.3. Полупроводники – прошлое и настоящее............................. 77

Первые сведения о полупроводниках...............................77

Первые теории полупроводников.....................................80

Зарождение твердотельной электроники .........................83

Соотношение физики и технологии полупроводников ..85

4 Оглавление

1.4. Основные отличительные свойства полупроводников ....... 88

1.5. Основы кристаллофизики ...................................................... 92

Точечные дефекты ............................................................. 95

Примеси как дефекты структуры кристалла.

Взаимосвязь структурных точечных дефектов с

электронными..................................................................... 96

Основные механизмы образования точечных

дефектов.............................................................................. 98

Тепловые колебания атомов ............................................. 98

Отклонения от стехиометрии............................................ 98

Линейные дефекты ............................................................ 98

Плоскостные дефекты ....................................................... 99

Объёмные дефекты ............................................................ 99

Облучение......................................................................... 100

Аморфные тела, изотропия и анизотропия.................... 100

1.6. Электрические свойства примесей...................................... 101

Выводы ......................................................................................... 106

ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ.............................................................. 109

2.1. Выращивание объемных полупроводниковых

монокристаллов .................................................................... 109

Получение кристаллов из жидкой фазы ........................ 109

Выращивание кристаллов из расплава........................... 110

Методы нормальной направленной кристаллизации ... 110

Метод Чохральского........................................................ 112

2.2. Выращивание полупроводниковых кристаллов малого

объёма.................................................................................... 117

Выращивание монокристаллов из раствора.................. 117

Выращивание кристаллов из газообразной фазы ......... 118

Метод химических и газотранспортных реакций ......... 119

Монокристаллические плёнки, эпитаксия..................... 121

Рост из газовой фазы с использованием

металлорганических соединений ................................... 124

Молекулярно-лучевая эпитаксия ................................... 126

Методы легирования полупроводниковых материалов 127

Выводы ......................................................................................... 129

ГЛАВА 3. ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ............................ 130

3.1. Зонная структура полупроводников ................................... 130

Оглавление 5

Энергетические зоны в полупроводниках ..................... 130

Электропроводность полупроводников ......................... 132

Неравновесные носители................................................. 135

Движение свободных носителей заряда

в полупроводниках, диффузия и дрейф .........................136

Эффект Ганна ...................................................................140

Контактные явления и эффект поля ............................... 142

Барьер Шоттки.................................................................. 144

3.2. Электронно-дырочный переход........................................... 146

Прямое и обратное включение p–n-перехода................ 150

Ёмкости p–n-перехода......................................................152

3.3. Функциональные типы полупроводниковых диодов ........ 153

Выпрямительные диоды .................................................. 154

Импульсные диоды .......................................................... 154

Полупроводниковые стабилитроны ............................... 155

Варикапы........................................................................... 157

Туннельные диоды ........................................................... 157

Диод Ганна........................................................................ 158

Лавинно-пролётные диоды.............................................. 160

Светодиоды....................................................................... 160

Фотодиоды........................................................................ 160

Условные обозначения полупроводниковых диодов.... 160

3.4. Транзисторы .......................................................................... 162

Общие сведения о транзисторах ..................................... 162

Биполярные транзисторы ................................................ 162

Основные схемы включения транзистора...................... 165

Способы описания свойств транзистора, работающего

в активном режиме при малом переменном сигнале.... 166

Статические характеристики транзистора..................... 168

Полевые транзисторы ...................................................... 171

МДП-элементы энергонезависимой памяти.................. 173

3.5. Приборы с 4-слойными структурами.................................. 176

3.6. Оптоэлектронные приборы .................................................. 177

Светодиод.......................................................................... 178

Фотодиод........................................................................... 179

Оптрон...............................................................................180

Полупроводниковый лазер..............................................180

Волоконно-оптические линии связи .............................. 182

Оптоэлектроника, полупроводники, люди ....................186

6 Оглавление

Выводы ......................................................................................... 188

ГЛАВА 4. ОТДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ.................................................. 189

4.1. Выпрямитель......................................................................... 189

4.2. Стабилизаторы...................................................................... 190

4.3. Транзистор-усилитель ......................................................... 191

4.4. Транзистор – электронный ключ....................................... 193

4.5. Блокинг-генератор................................................................ 194

4.6. Мультивибратор на транзисторах ....................................... 194

4.7. Основные логические функции и их реализации с

помощью полупроводниковых приборов........................... 196

4.8. Триггеры................................................................................ 199

4.9. Несимметричный триггер (триггер Шмитта)..................... 201

4.10. Аналоговые электронные устройства............................... 203

4.11. Операционные усилители .................................................. 204

4.12. Классификация интегральных микросхем ....................... 204

Выводы ......................................................................................... 205

ГЛАВА 5. ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ

ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ.................................................. 207

5.1. Хранение цифровой информации на жестких магнитных

дисках ................................................................................... 207

5.2. Элементы магнитной памяти............................................... 211

5.3. Продольная и поперечная магнитная запись ..................... 214

5.4. Схема конструкции HDD ..................................................... 216

5.5. Технологии магнитной записи ............................................ 218

5.6. Механические воздействия на HDD ................................... 224

5.7. Хранение цифровой информации на CD............................ 226

5.8. Технология записи на CD .................................................... 227

5.9. Конкуренция технологий записи и хранения

информации........................................................................... 229

Выводы ......................................................................................... 231

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ........................................... 232

6.1. Механическая обработка слитка и пластин........................ 232

6.2. Очистка поверхности............................................................ 234

6.3. Изготовление эпитаксиальных структур............................ 235

6.4. Осаждение диэлектрических пленок .................................. 236

6.5. Диффузия............................................................................... 237

6.6. Ионная имплантация ............................................................ 238

Оглавление 7

6.7. Литография ............................................................................ 238

6.8. Травление............................................................................... 239

6.9. Металлизация ........................................................................ 240

6.10. Монтаж кристаллов............................................................. 242

6.11. Методы контроля ................................................................ 244

Выводы.......................................................................................... 245

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ.................................................................................... 246

Литература.................................................................................... 256

Предметный указатель................................................................. 258

8 Введение

ВВЕДЕНИЕ

Двадцатый век – это время появления ЭВМ и компьютеров. Однако

их появление не могло состояться без множества других, не менее важ-

ных технических новинок. Кроме ЭВМ и компьютеров в ХХ веке были

разработаны и такие технологии, как технологии получения искусст-

венных кристаллов и сверхчистых веществ, технологии создания искус-

ственных материалов (пластмассы, синтетика и т.д.), лазерная, ядерная,

космическая, биотехнологии молекулярно-генетического уровня, ин-

формационные технологии и т.д. Вершиной всего этого «технологиче-

ского айсберга» по праву считают микроэлектронику, обеспечивающую

элементную базу всех средств приёма, передачи и переработки инфор-

мации, в т.ч. и компьютеров.

Роль микроэлектроники становится всё более важной как в техниче-

ском, так и в экономическом аспекте. Годовые обороты американских

микроэлектронных фирм составляют более 200 млрд долларов. Это в

семь раз больше стоимости российского сырьевого экспорта. Важней-

шую роль микроэлектроники в развитии потенциала страны поняли в

Японии, Китае, Корее, странах Юго-Восточной Азии, в Европе, Канаде

и других странах. Россия же остается на обочине мирового техническо-

го прогресса, между тем как фундаментальные исследования, так и

практические результаты в электронной промышленности еще совсем

недавно позволяли нашей стране быть на острие научно-технического

прогресса. В Приложении приведён перечень основных событий в ис-

тории развития физики и технологии полупроводников, многие из кото-

рых произошли в СССР и РФ [31, 32].

100 лет назад технология рассматривалась как набор рецептов соз-

дания тех или иных веществ и устройств и считалась чем-то второсте-

пенным по отношению к науке и культуре. Сейчас же общество всё яс-

нее понимает, что в основе развития цивилизации лежит совершенство-

вание технологии. Элементная база компьютерной техники во многом

определяется уровнем элементной базы микроэлектроники, выросшей

из радиопромышленности. Появление принципиально новых форм че-

ловеческой культуры всегда обусловлено появлением принципиально

новых технологий. Так появление радио позволило осуществить функ-

Введение 9

цию передачи информации в массовом, глобальном масштабе на очень

большие расстояния. Фактически, сеть передающих и принимающих

радиостанций, окутавшая Землю в ХХ веке, была неким прообразом

современных сетей передачи информации с той лишь поправкой, что не

все узлы этой сети могли работать как на приём, так и на передачу ин-

формации. Сегодня, на новом витке развития, мы наблюдаем в техноло-

гии Wi–Fi симбиоз компьютерных сетей с современными возможностя-

ми радиопередачи и радиоприёма.

Человеческое общество приобретает новые качества в связи с ши-

роким внедрением компьютерных сетей. Информационные технологии

создают фундамент развития для всех других технологий. Вычисли-

тельная техника, перестав быть лишь средством для расчетов, во мно-

гом стала определять развитие человеческой цивилизации, становясь

мощным катализатором развития других технологий. Средства инфор-

матизации становятся фактором, влияющим не только на промышлен-

ное производство, но и на всю человеческую культуру в целом, заменяя

старые или порождая новые виды информационного общения. Напри-

мер, ещё 30–50 лет назад в предпраздничные дни почты всех стран бы-

ли заполнены бумажными поздравительными открытками. Развитие

мобильной связи привело к появлению технологии SMS- и MMS-

сообщений, практически полностью заменившей бумажные открытки,

ставшие отныне музейными раритетами. Несколько десятилетий в кон-

це ХХ века широко использовались видеокассеты и видеомагнитофоны.

Однако появление технологии оптических компакт-дисков привело к

тому, что производство видеокассет и видеомагнитофонов стало пре-

кращаться. Развитие сети Интернет и электронных СМИ привело к рез-

кому сокращению тиражей бумажных периодических изданий. От дере-

вянных логарифмических линеек общество перешло к калькуляторам, в

том числе и программируемым, на основе интегральных микросхем.

Однако с появлением персональных компьютеров этот класс вычисли-

тельных устройств фактически прекратил своё существование. Разви-

тие технологии флэш-памяти привело к тому, что в некоторых моде-

лях современных ноутбуков уже отсутствуют традиционные жесткие

диски, а загрузка операционной системы производится непосредст-

венно с микросхем флэш-памяти. В скором времени в прошлом ока-

жутся и такие атрибуты фотографии и кино, как фото- и киноплёнка.

Всё большее распространение получают аудиокниги. И таких приме-

ров можно привести десятки и сотни. В основе всех этих процессов

10 Введение

лежат доминирующие физические принципы и технологии создания

элементной базы ЭВМ.

Этапы развития вычислительной техники обычно связывают с раз-

витием её технологической базы, в частности с особенностями эле-

ментной базы. Исходя из этого, можно выделить 3 основные фазы раз-

вития обработки информации:

- домикроэлектронную, когда каждая ЭВМ (компьютер) была

уникальна;

- промежуточную, когда определились различные пути развития

вычислительной техники;

- современную, когда созданы персональные компьютеры.

Развитие технологии микроэлектроники открывает дорогу к новым

достижениям в быстродействии и мощности компьютеров. Постоянно

уменьшаются размеры элементов компьютера и минимальная ширина

линий рисунка интегральных схем, что в итоге приводит к повыше-

нию производительности компьютеров. Усложняется структура инте-

гральных схем, возрастает количество внутренних связей. Уменьше-

ние размера одного транзистора до уровня 1×1×1 мкм позволяет раз-

местить на пластине диаметром 200 мм до 30 млрд транзисторов толь-

ко на одном уровне, если же создать твердотельную интегральную

структуру в виде куба с ребром в 10 см, то в нем можно разместить

1000 трлн транзисторов.

И всё же уже можно говорить о том, что полупроводниковая элек-

троника приближается к пределу своих возможностей, как по допусти-

мой плотности дизайна, так и по тактовой частоте. И как полупровод-

никовая электроника сменила предшествующую ей вакуумную элек-

тронику, так и её также сменят очередные технологические достижения.

Ожидается, что это может быть либо технология, основанная на исполь-

зовании оптических устройств, либо технология, основанная на исполь-

зовании сверхпроводников. Одним из перспективных направлений яв-

ляется также идея квантового компьютера. Не исключено, что скоро в

программе будущих студентов, обучающихся по специальности инфор-

матика, будут и такие обязательные курсы, как статистическая физика и

квантовая механика. Впрочем, не исключено, что новые технологиче-

ские решения могут быть реализованы и с помощью биологических

структур. И тогда вместо квантовой механики студентам придётся изу-

чать биологию. Вместе с тем история технологии показывает, что при-

ход новой доминирующей технологии вовсе не означает полный отказ

от предшествующих решений. Например, уже более полувека домини-