Развитие полупроводниковой техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт, техники, технологии и управления

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине «История науки и техники»

Тема «Развитие полупроводниковой техники»

Выполнил Жмуков З.Г

группа ЭЛЕТ 11- з

№ зачетной книжки 114477

Проверил (а) Кискина О.П.

Балаково 2012

Хронология

1.Эмпирические факты

История появления полупроводниковой электроники.

То, что вещества по-разному проводят электричество, людям было известно еще 190 лет назад. В 1821 году английский химик Хэмфри Дэви установил, что электропроводность металлов уменьшается с ростом температуры. Проводя дальнейшие эксперименты, его ученик Майкл Фарадей в 1833 году обнаружил, что у сернистого серебра электропроводность с ростом температуры не падает, а возрастает. Затем он открыл еще несколько веществ с необычной зависимостью проводимости от температуры. В то время, однако, это не заинтересовало научный мир, пока в 1873 году не обнаружили, что сопротивление селена (Se) меняется при освещении.

Селеновые фотосопротивления сразу нашли применение в разных оптических приборах. И первым полупроводниковым прибором стал фоторезистор[3], представляющий собой обычный селеновый столбик, электрическое сопротивление которого в темноте ниже, чем на свету.

Бурное развитие полупроводниковой электроники началось с изобретением сначала точечного, (1948г.), а затем и плоскостного (1951г) транзистора[4] - основы любой современной микросхемы.

Использование полупроводников.

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.

Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

2.Эмпирические модели

Свойства полупроводников

Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности d, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.

Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе. Он выяснил что полупроводники - особый класс кристаллов со многими замечательными свойствами:

1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем, как правило, в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально:

d = dо щ exp. (-ea / kT )

где eа - так называемая энергия активации проводимости,

dо - коэффициент зависящий от температуры

Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшатся при воздействии света или сильных электронных полей.

2) Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.

3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях при освещении или нагревании являются источниками фото - э. д. с. или, соответственно, термо - э. д. с.

Строение полупроводников и принцип их действия.

Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи, схематически представленные на рис.1 . Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения) .

Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении температуры( T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома (рис. 2). Такой электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельноесопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем.

В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место-«дырка» при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка » как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей , несущей положительный заряд.

Примесная проводимость.

Один и тот же полупроводник обладает либо электронной ,либо дырочной проводимостью - это зависит от химического состава введенных примесей. Примеси оказывают сильное воздействие на электропроводимость полупроводников: так, например, тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз уменьшить их сопротивление. Этот факт, с одной стороны , указывает на возможность изменение свойств полупроводников, с другой стороны, он свидетельствует о трудностях технологии при изготовлении полупроводниковых материалов с заданными характеристиками.

Рассматривая механизм влияния примесей на электропроводимость полупроводников, следует рассматривать два случая:

Электронная проводимость .

Добавка в германий примесей, богатых электронами , например мышьяка или сурьмы , позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью или полупроводник n - типа ( от латинского слова «негативус» - «отрицательный»).

На схематично показана картина электронных связец при 0 К. Один из валентных электронов мышьяка не участвует в связях с другими атомами. При повышении температуры электрон может быть оторван от атома и тем самым создает электронную проводимость.

Примеси создающие такую электропроводимость называют донорными.

Дырочная проводимость

Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает в кристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочной проводимостью - полупроводник p - типа.

Дырочная примесная электропроводимость создается атомами имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы. Пример, электронные связи германия с примесью бора, при 0 К все связи укомплектованы, только у бора не хватает одной связи Однако при повышении температуры бор может насытить свои связи за счет электронов соседних атомов.

Подобные примеси называются акцепторными.

Жидкие полупроводники.

Плавление многих кристаллических полупроводников сопровождается резким увеличением их электропроводности Q до значений типичных для металлов .Однако для ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т. д.) характерно сохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характера температурной зависимости Q. Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшем повышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретают металлические (например сплавы Te - Se, ботатые Te). Сплавы же Te - Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чисто полупроводниковый характер.

В жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет область энергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектре электронов.

При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляется зона почти локализованных состояний носителей зарядов с малой подвижностью (псевдощель). Если при повышении температуры происходит «схлопывание» псевдощелей, жидкий полупроводник превращается в металл.

3. Фундаментальные теории

Зонная структура полупроводников.

Полное и строгое описание природы носителей тока в полупроводниках и законов их движения даётся в рамках квантовой теории твёрдого тела, основные результаты которой могут быть сформулированы следующим образом:

а) В кристаллах энергетический спектр электронов состоит из интервалов энергий, сплошь заполненных уровнями энергии (разрешенные зоны) и разделённых друг от друга интервалами, в которых электронных уровней нет (запрещённые зоны) ;

б) Различные состояния электрона в пределах каждой зоны характеризуются, помимо энергии, квазиимпульсом р, принимающим любые значения в пределах некоторых ограниченных областей в импульсном пространстве (р-пространстве), называются зонами Бриллюэна. Форма и размеры зоны Бриллюэна определяются симметрией кристалла и его межатомными расстояниями d. Величина рмакс Јh/d, где h -- Планка постоянная. Уравнение движения электрона проводимости в кристалле похоже на уравнение движения электрона в вакууме с той, однако, существенной разницей, что соотношения E =р2/m0 и up = p/m0 (m0 -- масса свободного электрона, E -- его энергия, р -- импульс, u -- скорость) заменяются более сложной и индивидуальной для каждого кристалла и каждой его энергетической зоны зависимостью E (p): up = .

в) При абсолютном нуле температуры электроны заполняют наинизшие уровни энергии. В силу Паули принципа в каждом состоянии, характеризующемся определённой энергией, квазиимпульсом и одной из двух возможных ориентаций спина, может находиться только один электрон. Поэтому в зависимости от концентрации электронов в кристалле они заполняют несколько наинизших разрешенных зон, оставляя более высоко лежащие зоны пустыми. Кристалл, у которого при Т = 0 К часть нижних зон целиком заполнена, а более высокие зоны пусты, является диэлектриком или полупроводником, металл возникает лишь в том случае, если хотя бы одна из разрешенных зон уже при Т = 0 К заполнена частично .

В полупроводниках и диэлектриках верхние из заполненных разрешенных зон называются валентными, а наиболее низкие из незаполненных -- зонами проводимости. При Т > 0 К тепловое движение "выбрасывает" часть электронов из валентной зоны в зону проводимости (т. е. разрушает часть химических связей; см. выше). В валентной зоне при этом появляются дырки.

Носители тока в полупроводниках сосредоточены, как правило, в довольно узких областях энергий: электроны -- вблизи нижнего края (дна) зоны проводимости Ec, на энергетических расстояниях ~kT от неё (kT -- энергия теплового движения); дырки -- в области такой же ширины вблизи верхнего края (потолка) валентной зоныEu. Даже при самых высоких температурах (~ 1000°) kT ~ 0,1 эв, а ширина разрешенных зон обычно порядка 1--10 эв. В этих узких областях ~kT сложные зависимости E (p), как правило, принимают более простой вид. Например, для электронов вблизи дна зоны проводимости:

Здесь индекс i нумерует оси координат, p0i -- квазиимпульсы, соответствующие Ec в зоне проводимости или Eu в валентной зоне. Коэффициенты mэi называются эффективными массами электронов проводимости. Они входят в уравнение движения электрона проводимости подобно m0 в уравнении движения свободного электрона. Всё сказанное справедливо для дырок валентной зоны, где

.

Эффективные массы электронов mэ и дырок mд не совпадают с m0 и, как правило, анизотропны. Поэтому в разных условиях один и тот же носитель ведёт себя как частица с разными эффективными массами. Например, в электрическом поле Е, направленном вдоль оси oz, он ускоряется, как частица с зарядом е и массой mэz, а в магнитном поле H, направленном вдоль oz, движется по эллипсу в плоскости ^Н сциклотронной частотой:

С квантовой точки зрения такое циклическое движение электронов и дырок в кристалле с частотой wсозначает наличие уровней энергии (так называемых уровней Ландау), отстоящих друг от друга на wс. Значения эффективных масс электронов и дырок в разных полупроводниках варьируются от сотых долей m0 до сотен m0.

Ширина запрещенной зоны DE (минимальная энергия, отделяющая заполненную зону от пустой) также колеблется в широких пределах. Так, при Т ® 0 К DE = 0,165 эв в PbSe, 0,22 эв в InSb, 0,33 эв в Te, 0,745 эвв Ge, 1,17 эв в Si, 1,51 эв в GaAs, 2,32 эв в GaP, 2,58 эв в CdS, 5,6 эв в алмазе, а серое олово является примером полупроводника, у которого DE = 0, т. е. верхний край валентной зоны точно совпадает с нижним краем зоны проводимости (полуметалл). Более сложные соединения и сплавы полупроводников, близких по структуре, позволяют найти полупроводник с любым DE от 0 до 2--3 эв.

Зонная структура наиболее полно изучена для алмазоподобных полупроводников, в первую очередь Ge, Si и соединений AIIIBV; многое известно для Te, соединений AIVBVI и др. Весьма типичной является зонная структура Ge, у которого вблизи своего верхнего края соприкасаются две валентные зоны. Это означает существование двух типов дырок -- тяжёлых и легких с эффективными массами 0,3 m0 и 0,04 m0. На 0,3 эвниже расположена ещё одна валентная зона, в которую, однако, как правило, дырки уже не попадают. Для зоны проводимости Ge характерно наличие трёх типов минимумов функции E (р): L, Г и D. Наинизший из них -- L-минимум, расположенный на границе зоны Бриллюэна в направлении кристаллографической оси [111]. Расстояние его от верхнего края валентной зоны и есть ширина запрещенной зоны DE = 0,74 эв (при температурах, близких к абсолютному нулю; с ростом температуры DE несколько уменьшается). Эффективные массы вблизи L-минимума сильно анизотропны: 1,6m0 для движения вдоль направления [111] и 0,08m0 для перпендикулярных направлений. Четырём эквивалентным направлениям [111] (диагонали куба) в кристалле Ge соответствуют 4 эквивалентных L-минимума. Минимумы Г и Д расположены соответственно при р = 0 и в направлении оси [100], по энергии выше L-минимума на 0,15 эви 0,2 эв. Поэтому количество электронов проводимости в них, как правило, гораздо меньше, чем в L-минимуме.

Зонные структуры др. алмазоподобных полупроводников подобны структуре Ge с некоторыми отличиями. Так, в Si, GaP и алмазе наинизшим является D-минимум, а в InSb, InAs, GaAs -- Г-минимум, причём для последнего характерны изотропные и весьма малые эффективные массы (0,013 то в InSb и 0,07 то в GaAs). Структуры валентных зон у многих алмазоподобных полупроводников подобны, но могут существенно отличаться от полупроводников др. групп.

4. Биографические справки

полупроводник алмазоподобный электропроводимость электроника

Фарадей Майкл (1791-1867), английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию - явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-34) законы электролиза, названные его именем, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность различных видов электричества. Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.

Карл Фердинанд БРАУН (6.06.1850-20.04.1918)

немецкий физик, член-корреспондент Берлинской АН (1914). В 1872 г. окончил Берлинский университет. Профессор политехникума в Карлсруэ (1883), в Тюбингене (1885-1895), профессор Страсбургского университета (1895). Обобщил предложенный в 1884 г. французским химиком Анри Ле Шателье принцип влияния внешних воздействий на состояние химического равновесия (принцип Ле Шателье-Брауна). Основные работы по радиотехнике. В 1898 г. соединил открытый вибратор А. С. Попова с замкнутым конденсаторным контуром, что значительно повысило качество передачи. В 1897 г. предложил применить электронно-вакуумную трубку (трубка Брауна) для исследования электрических колебаний. В 1906 г. обнаружил в кристаллах униполярную проводимость, что привело его к созданию кристаллических детекторов. Предложил несколько типов антенн, в т. ч. рамочную антенну (1913). Нобелевская премия (1909) за работы в области радиотехники.

Лосев Олег Владимирович

Лосев Олег Владимирович [27.4(10.5).1903, Тверь, ныне Калинин, -- 22.1.1942, Ленинград], советский радиофизик. В 1919 поступил в Нижегородскую радиолабораторию, с 1929 сотрудник Ленинградского физико-технического института, с 1938 -- Ленинградского 1-го медицинского института. В 1922 обнаружил у некоторых кристаллических полупроводников (цинкита и других) способность генерировать электрические колебания высокой частоты. На основе этого явления построил полупроводниковый регенеративный, а затем гетеродинный приёмники, получившие широкую известность в радиолюбительской практике под названием кристадинов. В 1925--26 открыл и изучил явление преобразования в нелинейных двухполюсниках сигнала одной частоты в сигнал другой частоты с любым отношением частот. В 1927 обнаружил свечение генерирующего полупроводникового кристалла карборунда ("свечение Лосева"). Л. изучил также фотоэлектрический эффект в полупроводниках, предложил новый способ изготовления фотоэлементов. Последней его работой, которая проводилась в дни блокады Ленинграда, была конструкция прибора для обнаружения металлических предметов в ранах.

Джон Бамрдин

Джон Бамрдин (англ. John Bardeen, 23 мая 1908, Мэдисон, Висконсин, США -- 30 января 1991, Бостон, Массачусетс, США) -- американский физик, единственный человек, получивший две нобелевские премии по физике: в 1956 г. за транзистор совместно сУильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном и в 1972 г. за основополагающую теорию обычных сверхпроводников совместно сЛеоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером. Сейчас эта теория называется теорией Бардина-Купера-Шриффера, или просто БКШ-теория.

Бреттейн Уолтер Хаузер

БРЕТТЕЙН Уолтер Хаузер (1902-87), американский физик. В 1929 г. поступил на работу в лаборатории компании «Белл Телефон» в качестве научного сотрудника и сосредоточил свое внимание на исследованиях в области ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА. Разделил с Джоном Бардиным и Уильямом Шокли Нобелевскую премию по физике за разработку транзистора и исследование свойств полупроводников (1956). В 1967 г. Бреттейн стал профессором Уитменовского колледжа в Уолла-Уолла, Вашингтон, США.

Уильям Брэдфорд Шокли

Уильям Брэдфорд Шокли (13 февраля 1910, Лондон -- 12 августа 1989, Стэнфорд, Калифорния) -- американский физик английского происхождения, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года. Член Национальной академии наук США (1951).

Шокли родился в Лондоне (Англия). В 1932 он окончил Калифорнийский технологический институт, в течение ряда лет (1936--1955) работал в лабораториях фирмы Bell Telephone Laboratories. Затем он руководил лабораторией полупроводников фирмы «Бекман Инструментс Инкорпорейшн» (1955--1958), являлся президентом «Шокли Транзистор Корпорейшн» (1958--1960) и директором «Шокли Транзистор» (1960--1963). Позже Шокли являлся профессором Стэнфордского университета (1963--1975).

Ник Холоньяк

Ник Холоньяк род. 11 марта 1928 в Цайглере, Иллинойс, США) -- американский учёный и изобретатель, профессор Иллинойского университета, член Национальной и Национальной инженерной академий наук США. Его называют «отцом» современных светодиодов за изобретение первого полупроводникового светодиода видимого света.[1] Он внёс также решающий вклад в создание кремниевых p-n-p-n ключей и управляемых кремниевых выпрямителей (тиристоров). За неоценимый вклад в развитие энергосберегающих технологий Ник Холоньяк стал в апреле 2003 года первым лауреатом Международной энергетической премии «Глобальная энергия».

5.Литературные источники

§ Горелик С. С., Дашевcкий М. Я., Материаловедение полупроводников и металловедение, М., 1973

§ Мильвидский М. Г., Полупроводниковые материалы в современной электронике, М., 1986

§ Пасынков В. В., Сорокин В. С, Материалы электронной техники, 2 изд., М., 1986

§ Нашельский А. Я., Технология полупроводниковых материалов, М., 1987

§ Мейлихов Е. 3., Лазарев С. Д., Электрофизические свойства полупроводников. (Справочник физических величин), М., 1987

Размещено на Allbest.ru