Вековые загадки полупроводниковой электроники

Для студентов 4 курса гр. РЭН2-31, РНТ1-31 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 определению¹⁾? 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?(см. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников— М., Высшая школа, 1984, стр.5-7)

¹⁾ “Никто не знает, что такое полупроводник. Это весьма неопределенное понятие. Более того, может быть, их вовсе не существует.”

В. Паули, 1931

“Полупроводники – новый материал электротехники “

А.Ф Иоффе,1931//

Социалистическая реконструкция и наука. – 1931. , Вып. 2-3, С. 108–112.

– 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) )

– Назовите имена российских Нобелевских лауреатов, получивших премию за работы в области полупроводниковых приборов

21 век

– Есть ли будущее у российской микроэлектроники?

Литература в электронной форме, рекомендуемая к использованию при подготовке

1. Полупроводники, основные сведения и исторический обзор\1_История полупроводниковой электроники;

2. 2014 Saraswat_История\1_История полупроводниковой электроники

3. 2010 Стафеев Начальные этапы становления полупроводниковой электроники в СССР\1_История полупроводниковой электроники

4. 2014 Грундман Введение\1_История полупроводниковой электроники

1. Общие вопросы развития элементной базы полупроводниковой электроники

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

– Какая конструкция полупроводникового устройства стала прототипом для условно-графического изображения диода?

– В первой половине 20 века физики считали, что кремний следует относить к металлам¹⁾. Проблема состояла в том, что долгое время не удавалось получать химические чистые образцы. Поясните, какой степенью очистки от примесей характеризуется современная кремниевая пластина? Чему примерно равна ее рыночная цена?

¹⁾ "Кремний – это металл.” Вильсон А.Г., 1931

// Wilson A.H. The theory of electronic semiconductor. Proc. Roy. Soc., London,
A 133, (1931), pp. 458

– Какие полупроводниковые материалы использовались в работах Лосева О.В. и Лилиенфельда Дж.? Какой вклад в развитие полупроводниковой электроники внесли эти исследователи?

– 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.

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

– Когда, где и кем в СССР была выпущена первая промышленная ИМС? Для чего она была предназначена? Какая элементная база в ней использовалась? На каком полупроводнике она была выполнена? ТС Р12-2

– 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?

– 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?

– Поясните, чем современная технология изготовления транзисторов отличается от планарной? Опишите конструкцию FinFET транзистора. Почему компании Intel и AMD используют для этой конструкции различные подложки (на объемном кремнии и на КНИ-структурах) ?

– 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 при изготовлении ИМС, возможно, будет использована взамен этих структур?

– Оцените, когда размер транзистора в соответствии с законом Мура может стать соизмерим с размером атома?

Литература в электронной форме, рекомендуемая к использованию при подготовке

1. Полупроводники, основные сведения и исторический обзор\1_История полупроводниковой электроники;

2. 2014 Saraswat_История\1_История полупроводниковой электроники

3. 2010 Стафеев Начальные этапы становления полупроводниковой электроники в СССР\1_История полупроводниковой электроники

4. 2014 Грундман Введение\1_История полупроводниковой электроники

5. Архив “Первые понятия о полупроводниках, приборах и технологиях”

6. Первые технологии Ch01\1_История полупроводниковой электроники

7. Конференция IEDM\2_ Современные пути развития микро и нанэлектроники

8. Наука за рубежом_14\2_ Современные пути развития микро и нанэлектроники

9. 2014 Международный план по развитию полупроводниковых технологий на следующие 15 лет\2_ Современные пути развития микро и нанэлектроники

10. 2014 Synopsys считает, что закон Мура будет работать и после 2020 года\2_ Современные пути развития микро и нанэлектроники

11. Архив “Первые схемы. Как это было”

12. 2012 Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники\3_Полезные учебники и пособия

13. Са Цзитан Развитие МОП-транзистора от концепции до СБИС – ТИИЭР (журнал) 1988, том 76, №10, стр. 69-122

2. 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?

– Чем понятие – «технологический маршрут» отличается от понятия «технологическая карта»? Для чего предназначены «тестовые пластины»?

– Что такое – «норма проектирования ИМС» и какие нормы сейчас используются в России и в мире;

– В чем суть процесса масштабирования элементной базы ИМС? Почему этот процесс так важен для микроэлектроники?

– 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.

– Поясните суть современной технологии сращивания пластин Smart Cut.

– 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;

– 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?

– Проясните графически основные этапы Bosch-процесса при травлении кремния?

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