Основы физики полупроводников

Для студентов 4 курса гр. РЭН2-21, РНТ1-21 РЭФ, НГТУ

Вековые загадки полупроводниковой электроники

19 век (Эти три вопроса заимствованы из книги Щука А.А. Электроника, М., 2005)

– Почему сопротивление полупроводника падает с ростом температуры?

– Почему сопротивление уменьшается при его освещении?

– Почему сопротивление контакта металла с проводником зависит от полярности прикладываемого напряжения? Кто автор этого открытия?

20 век

– Что такое полупроводник по определению? В чем состоит основная суть его свойств? Поясните, как исторически развивалось понятие о полупроводниках; Почему определение, предложенное А.Ф. Иоффе, физически было не вполне корректно?

– Можно ли, опираясь на идею корпускулярно-волнового дуализма для электрона оценить длину его волны? Будет ли эта длина относиться к области видимого электромагнитного спектра? (Для расчетов рекомендуется использовать методику из книги: Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники – НГТУ, 2004, стр.368. Проверьте при этом, верно ли записана формула 8.1.3) )

21 век

– Есть ли будущее у российской микроэлектроники?

Общие вопросы развития элементной базы полупроводниковой электроники

– Кто, когда и каким образом изготовил первый в мире p-n-переход? В каком приборе он использовался?

– В первой половине 20 века физики считали, что кремний следует относить к металлам. Проблема состояла в том, что долгое время не удавалось получать химические чистые образцы. Поясните, какой степенью очистки от примесей характеризуется современная кремниевая пластина? Чему равна ее рыночная цена?

– Какова роль Шокли в создании транзистора? Как был изготовлен первый транзистор? Кто получил патент на первый транзистор? Сравните конструкцию и технологию первого транзистора и плоскостного транзистора Шокли.

Рис.1. Топологические рисунки первых промышленных транзисторов и схем

– Почему планарный транзистор на левом рисунке 1 имел форму капли? Какой физический и конструктивный смысл имеют различные кольцевые области на рисунке? Из какого материала изготовлены кольца белого цвета? Сделайте разрез рисунка в глубину. Можно ли этот транзистор отнести к классу меза-транзисторов?

– Кто и когда сделал самую первую интегральную схему? Кто получил первый патент на ИМС? Кто предложил первую промышленную технологию? Поясните особенности технологии изготовления интегральных схем, предложенной Килби и чем она отличалась от технологии Нойса? Какие транзисторы и способы их изоляции использовались в этих случаях? Как делалось электрическое соединение элементов в схему?

– Когда и где в СССР была выпущена первая промышленная ИМС? Для чего она была предназначена? Какая элементная база в ней использовалась?

– Современные микропроцессоры компании Intel содержат в себе несколько миллиардов транзисторов, все из которых находятся в рабочем состоянии (как будто все население Земли – абсолютно здоровое). Предположим, что вероятность изготовления одного отдельно взятого годного транзистора равна р=0,9999999. Тогда вероятность того, что в устройстве из N элементов все элементы будут в рабочем состоянии равна q=p^N. Легко вычислить, что при N=10⁹ q примерно равен 0,00005. Т.е. согласно вероятностным расчетам Интегральные Схемы не могут работать!!! Однако практика говорит об обратном. В чем же здесь дело?

– Дайте пояснения о сути ИМС, изображенной на среднем рисунке 1. Сколько и какие транзисторы в ней использовались? Можете ли Вы восстановить функциональную схему, установив всю использованную элементную базу.

– Группа Шокли в компании Bell lab. вела работы по разработке твердотельного усилителя на основе идеи полевого транзистора, предложенной Лилиенфельдом. Как Вы думаете, почему у них ничего не получилось?

– Кто и когда получил первый патент на МОП-транзистор? Когда такой транзистор был реально изготовлен? В чем причина такого большого временного разрыва? Какого типа он был (n-канальный или р-канальный) и почему?

– Дайте пояснения по правому рисунку 1: где у n-МОПТ области истока, стока и затвора? Где его канал и какая у него длина?

– Поясните, чем современная технология изготовления транзисторов отличается от планарной? Опишите конструкцию FinFET транзистора. Почему компании Intel и AMD используют для этой конструкции различные подложки?

– Что такое – закон Мура и почему коэффициент масштабирования (уменьшения геометрических размеров) современных МОПТ, используемый компанией Intel, равен 0,7?

– Можете ли Вы предсказать в соответствии с законом Мура, когда процесс масштабирования КМОП-структур достигнет допустимых физических пределов и какая элементная база, возможно, будет использована взамен этих структур?

Общие вопросы и особенности развития полупроводниковой технологии

– Какие физические причины обусловили на первоначальном этапе создания полупроводниковой промышленности использование германия, который затем был заменен на кремний? Почему это случилось?

– Какой диаметр кремниевых пластин, которые применяются на АО «НПП «Восток»»? Поясните, что означает маркировка пластин: КДБ-20 и КЭФ-7,5?

– Какие главные технологические изобретения и открытия легли в основу планарной технологии? Кто их автор? Почему эта технология называется – планарной? В чем состоит вклад Ж.Эрни (Hoerni Jean) в развитии идей планарной технологии?

– Назовите три основные технологические проблемы, которые необходимо было решить изобретателям интегральной схемы. Каким образом эти проблемы были решены? (См. статью в Википедии – Изобретение интегральной схемы)

– На примере создания алюминиевой шины между двумя готовыми вскрытыми контактами поясните суть планарной технологии, последовательно перечислив все технологические операции, необходимые для этого.

– Почему для современных ИМС, изготовленных по биполярной технологии, используются пластины с ориентацией (111), а для МОП-технологии - используют пластины с ориентацией (100)?

– Почему первые МОП-приборы и схемы на их основе были электрически нестабильны (т.е. напряжение их включения – пороговое напряжение – варьировалось в широком диапазоне до 100В)? Каким технологическим способом удалось решить эту проблем и кому?

– Поясните в рисунках суть самосовмещенной технологии изготовления МОП транзисторов;

– Если доза ионного легирования (число внедренных в подложку ионов) задана в шт./см², то как эту величину перевести микроКулоны/см², которые традиционно используются инженерами в технологических картах ионного легирования. Например, пусть доза=6*10¹⁴ см^-2. Как записать эту величину в технологической карте?

– Предположим, что из кремниевого слитка изготовили идеальный шар. Затем этот шар термически окислили. В результате шар стал светиться всеми цветами радуги. Можете ли Вы, без каких-либо расчетов, пояснить физическую причину данного эффекта?

­ Поясните технологию использования графиков Аррениуса при моделировании процесса термического окисления кремния; как при этом пользоваться полулогарифмическим графиком?

– Поясните, с какой целью используется Bosch-процесс при изготовлении приборов и ИМС? Какие материалы можно с его помощью протравливать, применяя установку Oxford?

– Почему в чистых комнатах для микроэлектронного производства для освещения используется желтый свет?

– Поясните, как с помощью метода шарового шлифа можно определить глубину p-n-перехода? Чем этот метод отличается от метода косого шлифа?

Основы физики полупроводников