Микроэлектроника. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Микроэлектроника - область электроники, охватывающая проблемы создания электронных устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Осн. практич. продукция M. - интегральные схемы (ИС), к-рые служат элементами ЭВМ (и техн. средств искусств, интеллекта), автоматизации, систем управления и связи.

В ИС нелинейные твердотельные приборы, детали структуры к-рых имеют микронные размеры (микроприборы), и линии связи между ними формируются в едином технол. процессе на общей пластине - подложке (интегральная технология). Важнейшие приборы, входящие в состав PIC: транзисторы (биполярные, полевые), их комплементарные пары (п-р-п - - р-п-р; n-канальные и р-канальные); энергозависимые транзисторы (напр., с плавающим затвором); диоды твердотельные (на p - n - переходах, диоды Шоттки); приборы с зарядовой связью (передача заряда в цепях из тысяч МДП-элементов, см. МДП-структура ),на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), на доменных стенках и линиях. Разрабатываются новые типы транзисторов: с баллистич. пролётом электронов (без рассеяния на дефектах и фононах), с двумерным электронным газом, с проницаемой базой (внутри базы расположена металлич. решётка, играющая роль сетки) и др.

Внутр. линии связи ИС (электрич., оптич., в т. ч. волоконные, магн., акустические) обеспечивают обмен сигналами и согласованное протекание множества процессов, локализованных в объёме кристалла. T. о., наряду с интеграцией элементов в M. достигается интеграция нелинейных физ. явлений. Системы микроприборов и связей между ними образуют единое устройство - информац. автомат, к-рый выполняет функции хранения, обработки и обмена данными с внеш. миром (человеком, др. автоматами, техн. объектами, включая роботов и исполнит, механизмы), моделирование физ. и др. процессов, вывод сигналов, управляющих разл. устройствами.

Степень интеграции N - число транзисторов или их функциональных групп (т. н. логич. "вентилей", ячеек памяти и др.) в одной ИС - показатель её сложности. С возникновением M. (50-60-е гг. 20 в.) N непрерывно растёт:

(для крупносерийных логич. ИС) и

(для лучших образцов схем памяти), где

- "возраст" M. (с 1960). Тридцатидвухразрядные микропроцессоры, т. н. транспьютеры, и др. суперкристаллы имеют

и реализуют центр, часть ЭВМ с производительностью ~10⁷ операций в 1 с, устройства самодиагностики и даже "саморемонта". Ультрабольшие ИС памяти имеют ёмкость до 2²⁴ бит (16 мегабит).

Уровень миниатюризации. Мин. размер l₀ "деталей" внутр. геометрии ИС (ширина проводников, длина канала полевого транзистора и т. п.) - осн. показатель уровня миниатюризации. Уменьшение l₀, связанное с возможностями микролитографии, на к-рой основано формирование внутр. геометрии ИС, происходит со CD. скоростью, определяемой соотношением l₀ = (50-

. В пром. ИС l₀ = 1,5-2,5 мкм, в лучших ИС

мкм (1987). С уменьшением l₀ увеличивается быстродействие и снижается энергопотребление элементов, но усложняются физ. процессы, их тео-ретич. анализ, проектирование и оптимизация. В нач. период развития M. (при

мкм) нелинейные электронные процессы локализовались в активных областях отд. транзисторов (напр., в базе биполярных транзисторов). Оптимизация при этом была основана на одномерных моделях (приближение бесконечных плоских r - n-переходов), и проектирование И С "наследовало" осн. принципы проектирования электронных схем на дискретных приборах. При

мкм нелинейные явления внутри транзисторов и активные связи между ними ("паразитные" транзисторы) осложнили применение этой модели, а при

мкм "лавинное" нарастание этих явлений, влияние сильного электрич. поля и горячих электронов потребовали перехода к нелинейным двумерным, а затем трёхмерным моделям, аналитически не разрешимым и требующим расчёта на ЭВМ. Нелинейным становится и поведение внутр. связей. Абс. величина тока снижается

, а сечений линий

плотность тока возрастает, и разогрев проводников в сочетании с сильным электрич. полем и высокой плотностью тока вызывает перенос ионов и атомов прямым дрейфом или электронным ветром. При

мкм достигается оптимум, ниже к-рого быстродействие перестаёт возрастать, а энергопотребление транзисторов перестаёт снижаться. Их др. характеристики также ухудшаются. Кроме того, начинают развиваться нежелательные коллективные электронные процессы. T. о.,

мкм - нижний физ. предел M., основанный на классич. принципах синтеза схем. Теоретич. предел быстродействия ~10^-12 с (системные ограничения обусловлены процессами внутрисхемной передачи сигналов, задержки сигналов, согласованием линии связи и их помехозащищённостью и др.).

Технология микроэлектроники и системы автоматизированного проектирования (САПР). Технол. ограничения в M. определяются возможностями планарной технологии - послойного синтеза структуры твердотельного устройства с помощью многократно повторяющихся (до 10-16 раз; с развитием M. это число возрастает) групп операций, причём каждая группа формирует на поверхности подложки двумерный рисунок и преобразует его в объёмную внутр. геометрию ИС, а погрешность совмещения каждого последующего рисунка с предыдущими

При проектировании конечная структура представляется в виде совокупности плоских картин (напр., в виде шаблонов). Это осуществляется с помощью САПР. Спец. компьютерные программы САПР основаны на функциональном и электрич. моделировании ИС и содержат "библиотеки стандартных элементов", из к-рых формируется ИС, оптимизируются геометрия её внутр. связен, проверка её устойчивости к помехам и т. д. Наиб, совершенные САПР обеспечивают также оптимизацию внутр. структуры новых поколений ИС. САПР новых поколений ИС основаны на наиб, мощных ЭВМ предыдущих поколений. Принцип послойного синтеза определяет границы M., в частности степень связности рисунка ИС при данном N. Системные ограничения пленарных структур (быстродействие и мощность, степень связности и степень интеграции и т. д.) связаны предельными соотношениями. Теоретич. предел N ~ 10¹⁰ для ИС на целой полупроводниковой пластине с диам. 200-250 мм.

Физ. принципы действия ИС и технология их синтеза взаимно согласованы. Когда геом. размер твёрдого тела (хотя бы в одном измерении) становится достаточно малым, скорости протекания технол. процессов (диффузия, структурная перестройка, рост, травление и др.) перестают лимитировать их применение. Поэтому в технологии M. используются разнообразные явления, включая диффузию и фазовые переходы в твёрдом теле, гетерогенные реакции, воздействие частиц высоких энергий, сфокусированных электронных и ионных пучков и др. Используются также процессы, селективные по отношению к разл. структурным и хим. состояниям кристалла. Требования к чистоте веществ в M. нередко превышают разрешающую способность методов их анализа.

Функциональная микроэлектроника. Ограничения, вызванные нарастающей плотностью и сложностью внутр. связей, стимулируют развитие т. н. функциональной M. - создание структур, функциональные свойства к-рых определяются коллективными электронными процессами и не могут быть реализованы путём коммутации отд. его областей; обработка информации осуществляется не схемотехн. путём, а динамич. распределением зарядов и полей - эл--магн., тепловых, упругих. При этом используются оптич. явления (см. Оптоэлектроника ),взаимодействие электронов с акустич. волнами (см. Акустоэлектроника ).В связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости особое значение приобретают криоэлектронные приборы. Разрабатываются полностью оптические ("фотонные") вычислит, машины. Функциональная M. позволяет достичь предельно высокой производительности и мин. энергопотребления. Однако для каждого класса задач требуется создание спец. структур или сложная настройка. Кроме того, "несхемотехн." решения характеризуются меньшей точностью и устойчивостью вычислений и моделирования.

При достаточно высоком уровне развития технологии становится возможным создание гибридных устройств, объединяющих цифровые схемотехнические и функциональные процессоры, автоматически распределяющих между ними информац. потоки на каждом этапе решений задач. Существуют устройства, интегрирующие в едином твёрдом теле электронные и неэлектронные (в т. ч. синтезаторы речи) микромеханич. элементы (датчики, анализаторы, исполнительные микромеханизмы, микродвигатели и т. п.). T. о., принципы M. распространяются на всю сферу устройств, функциональное назначение к-рых допускает миниатюризацию хотя бы в одном из трёх пространственных измерений.

Предполагается, что одна из новых ветвей развития M. пойдёт в направлении копирования процессов в живой клетке, ей присвоены термины "молекулярная электроника" или "бноэлсктроника". Достигнутый уровень развития M. сделал возможным постановку исследований и разработку систем искусств, интеллекта.

Деградация микроэлектронных устройств. С термодинамич. точки зрения ИС - неравновесная система, закрытая для массообмена со средой, но открытая энергетически в процессе своего функционирования (см. Открытая система). Энергетич. обмен со средой ускоряет процесс релаксации системы к равновесному состоянию. Этот процесс наз. деградацией. Многообразие механизмов деградации породило новую область M., исследующую надёжность микроэлектронных устройств. Осн. особенность механизмов деградации в M. состоит в том, что они протекают при высоких плотностях тока (св. 10⁶ А/см²), высоких напряжён-ностях электрич. поля (св. 10⁶ В/см) и поверхностных плотностях мощности (10⁵ Вт/см²). В таких условиях становятся неустойчивыми не только распределения тока и поля, но и атомная структура кристалла. Нек-рые механизмы деградации могут быть использованы, напр, разрушение пли перестройка внутрисхемных связей и переброс "пакетов" носителей зарядов в глубокие ловушки.

Роль микроэлектроники в науке и технике. M. образует фундамент совр. средств автоматизации, связи, кнформац--вычислит, техники. Парк последней в миро к сер. 80-х гг. достиг ок. 10⁸ ЭВМ с производительностью от 10⁵ до 10⁸, а в отд. ЭВМ до 10¹⁰ операций в 1c. Для физики особенно важны 3 класса проблем, решаемых с помощью ЭВМ: 1) автоматизация эксперимента, включая его планирование, управление, анализ и обработку результатов (в осн. с помощью профессиональных персональных ЭВМ); 2) численное решение на супер-ЭВМ сложных задач, не разрешимых аналитически (квантовомеханических, задачи Изинга с учётом границ кристалла и т. д.); 3) моделирование многочастичных систем и сплошных сред на многопроцессорных ЭВМ (до 6,5-10⁴ процессоров; проектируются - до 10^е); при этом организация внутр. информац. обмена топологически подобна организации физ. связей в моделируемых объектах.

M. стала источником новых идей и методов в физике твёрдого тела и материаловедении. В связи с задачами M. созданы, напр., устройства с управляемыми электронными и ионными пучками диаметром в неск. атомов, ионные источники (от протонов до тяжёлых ионов) широкого диапазона энергий (с диаметром пучка, близким к размерам отд. попов), аппаратура для выращивания монокристаллов и многослойных структур, где толщина, состав и строение каждого слоя контролируются с точностью до параметра решётки (см. Гетеро-структура, Эпитаксия), и т. д. Созданы новые пьезоэлектрические материалы ,феррогранаты, материалы с высокой чувствительностью к действию света, рентг. излучения, электронных и ионных пучков и т. д. Одно из достижений микроэлектронного материаловедения - сверхрешётки на основе множества чередующихся сверхтонких слоев полупроводников типа А^III - В^V.

Литература по микроэлектронике

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.