Историческая справка. Пути развития электроники

Кратко остановимся на истории развития науки и техники электронных приборов.

Началом развития электронной техники следует считать изобретение в 1872 году русским ученым А.Н.Лодыгиным электровакуумного источника света в виде электрической лампы накаливания (угольной), находящей и сегодня широкое практическое применение. В 1876 году П.П.Яблочковым был создан газоразрядный источник света, в основу которого легло явление дугового разряда, открытое в 1802 году нашим соотечественником В.В.Петровым. Толчком к развитию электронной техники явилось открытие А.С.Поповым возможности радиосвязи (1895 г), потребности которой обусловили изобретение в 1904 году английским ученым Д.Флемингом простейшей электровакуумной структуры – электровакуумного диода, нашедшего применение в радиотехнике в качестве детектора радиосигналов. В 1907 году американский ученый Л.Форест сконструировал электровакуумную структуру с тремя электродами – электронно-управляемую лампу - триод, с помощью которого были решены проблемы усиления электрических сигналов и генерации (1913 г.) электрических колебаний.

Здесь необходимо отметить, что еще в 1874 году до того как стало известно явление электронной эмиссии, открытое американским изобретателем Т. Эдисоном, немецкий ученый Ф.Браун обнаружил выпрямительный эффект в контакте металла с полупроводником. Наш соотечественник А.С.Попов использовал этот эффект для детектирования (обнаружения) радиосигналов. Английский ученый Г.Пиккард создал усовершенствованный детектор на основе контакта металлического острия с полупроводниковым кристаллом – полупроводниковый диод. Однако полупроводниковые диоды по своим характеристикам и параметрам в то время существенно уступали электровакуумным и широкого применения не нашли.

В России первые электронно-управляемые лампы малой мощности были изготовлены в 1914 году Н.Д.Папалекси и независимо от него М.А.Бонч-Бруевичем, что послужило началом отечественной электронной промышленности.

Практическое освоение для передачи информации средних и коротких радиоволн вызвало необходимость разработки электронно-управляемых ламп с большим числом электродов – многоэлектродных ламп – тетродов, пентодов, октодов, оксодов и др.

Большой вклад в область разработки и изготовления усилительных и мощных генераторных электронно-управляемых ламп внесла созданная в 1918 году и возглавленная М.А.Бонч-Бруевичем Нижегородская радиолаборатория – центр отечественной радиоэлектроники. В свою очередь и в Петрограде в 1923 году начинает работать радиолаборатория, возглавляемая А.Н.Чернышевым, которая в 1928 году слилась с заводом “Светлана”, выпускавшим до этого только осветительные лампы.

Об успехах отечественной радиоэлектроники свидетельствует тот факт, что мощность изготовляемых в России генераторных ламп в 1924 году достигала 100 кВт, а в 1934 году на заводе “Светлана” в Ленинграде была создана генераторная лампа мощностью 250 кВт.

Развитие техники в диапазоне СВЧ (0,3 – 300 ГГц) привело к созданию в конце 30-х и начале 40-х годов специальных свервысокочастотных приборов – магнетронов (в 1933 году А.Н.Слуцкиным был создан разрезной магнетрон, а в 1936 году Н.Ф.Алексеевым и Д.Е.Маляровым – многрезонаторный магнетрон) и клистронов, а в 50-х годах – ЛБВ (прямой и обратной волны).

Большой вклад в развитие электроники СВЧ в последующие годы внесли Н.Д.Девятков, Е.Н.Данильцев, В.Ф.Коваленко, П.И.Капица, С.И.Бычков (бывший начальник нашей кафедры), Ю.А.Кацман, В.Е.Лукошков и др.

Освоение диапазона СВЧ, характеризующегося прежде всего широкополосностью и, следовательно, большой информационной емкостью, а также возможностью создания антенн с размерами во много раз превышающими длину волны и обладающими вследствие этого остронаправленным излучением позволили осуществить, в частности, пространственную селекцию сигналов, повысить энергетический потенциал радиолиний, разрешающую способность радиолокационного обнаружения, точность определения координат объектов и др.

Развитие электроники определяется требованиями, которые предъявляются к электронной аппаратуре. Усложнение и увеличение числа решаемых электронной аппаратурой задач ведет к усложнению самой аппаратуры, росту числа электронных приборов, а, следовательно, к снижению ее надежности. Сохранить или повысить надежность можно путем создания аппаратуры на базе более надежных элементов и в том числе – электронных приборов. При этом желательно по возможности сохранить или уменьшить массу, габариты, потребляемую энергию и стоимость РЭА.

В 30-40-е годы в радиотехнических устройствах стали применять большое количество электронно-управляемых ламп. Однако из-за относительно небольшого срока службы (500 – 1000 ч.), значительных массе и габаритов, большой потребляемой энергии функциональные возможности ламп оказались ограниченными. Так, электронное устройство, состоявшее из 2000 ламп при сроке службы каждой лампы 500 часов, могло безотказно проработать не более 15 мин. Недостатки электронно-управляемых ламп наряду с усложнением электронных устройств привели к необходимости поиска и разработки электронных приборов с другим принципом действия, которые могли бы по своим функциональным возможностям заменить лампы и обеспечить создание сложной РЭА, отвечающей требованиям длительной безотказной работы при существенно меньших габаритах, массе, потребляемой энергии и стоимости. Такими электронными приборами оказались полупроводниковые приборы. Следует отметить, что в историческом плане одновременно с усовершенствованием электронно-управляемых ламп велись исследования по изысканию новых принципов работы и новых электронных приборов. Так, в 1922 году сотрудник Нижегородской лаборатории О.В.Лосев доказал возможность усиления и генерирования электрических колебаний с помощью кристаллических диодов, создав на их основе усилитель, известный под названием кристадин. Однако в тот период вакуумная электроника бурно развивалась, позволяя удовлетворять все запросы и в том числе военного вооружения, и условия для развития полупроводниковых приборов еще не созрели, но исследования в области полупроводников велись.

Основополагающая роль в разработке теории полупроводников принадлежит отечественной школе физиков под руководством академика А.Ф.Иоффе. Эти исследования начали проводиться в конце 20-х – начале 30-х годов. Так, было введено понятие дырочной электропроводности, исследовано влияние примесей на механизм электропроводности, разработана теория выпрямления и др. Работы отечественных ученых в области полупроводников явились научной базой для создания в 1948 году в США Д.Бардиным и У.Шокли усилительного полупроводникового прибора, получившего название транзистора. В 1949 году транзисторы были разработаны и в нашей стране. 50-е и 60-е годы характеризуются созданием и внедрением в РЭА полевых транзисторов.

Полупроводниковые приборы существенно изменили облик РЭА, что определялось такими достоинствами полупроводниковых приборов, как экономичность, малые масса и габариты, высокая надежность, ударопрочность, вибростойкость и др. Начиная с 50-х годов, полупроводниковые приборы повели бурное наступление на электронно-управляемые лампы, вытесняя последние из РЭА низких и высоких частот. При этом и в самой полупроводниковой электронике происходили глубокие качественные изменения, вызванные потребностями практики и прежде всего развитием вычислительной техники и РЭА подвижных объектов – наземных, воздушных и космических. Существовавшие до этого методы изготовления РЭА из дискретных компонентов стали неприемлемыми, так как не могли обеспечить требуемую сложность при высокой надежности, экономичности, малых массе и габаритах.

Для иллюстрации проблемы надежности можно привести такой пример. Радиоэлектронное оборудование типичной межконтинентальной ракеты содержит примерно 300000 деталей. Для того, чтобы из десяти пусков девять были удачными (что соответствует надежности, равной 0,9), необходимо обеспечить надежность каждой детали не менее 0,9999996. Поэтому одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники явилась интегральная электроника. Этому способствовало открытие и внедрение в 1959-60 г. планарной технологии производства полупроводниковых приборов, когда в едином технологическом процессе путем диффузии примесей через окна в защитном слое на поверхности полупроводника создается большое количество полупроводниковых приборов (структур). Это позволило внедрить в практику создания полупроводниковых приборов автоматизацию сборочных процессов и тем самым получить дешевые полупроводниковые приборы со стабильными характеристиками и параметрами.

Планарная технология производства полупроводниковых приборов открыла новое направление в производстве электронной аппаратуры – уже упоминавшуюся выше полупроводниковую интегральную электронику – создание полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС). Полупроводниковая ИМС – микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором все элементы (в том числе и полупроводниковые приборы) и соединительные проводники изготовляются внутри или на поверхности полупроводника в едином технологическом процессе и имеют общую герметичную оболочку (корпус).

Интегральная электроника положила начало интегральной микроэлектронике- направлению электроники по созданию на основе комплекса конструктивных, технологических и схемных методов экономичных электронных приборов и ИМС, имеющих по возможности малые массу, габариты, стоимость и высокую надежность.

Важной особенностью полупроводниковой микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров полупроводниковых элементов ИМС. Это приводит к увеличению функциональных возможностей ИМС, повышению их надежности, прочности, быстродействия, снижению потребляемой энергии. Плотность упаковки элементов (чаще всего транзисторов) в ИМС – количество элементов на единицу площади кристалла, характеризующая главным образом уровень технологии, составляет тысячи элементов (до 20000) на квадратный миллиметр кристалла. При этом в большинстве ИМС элементы располагаются в тонком (толщиной 0,5…10 мкм) приповерхностном слое полупроводника.

Итак, микроминиатюризация является важной тенденцией развития электронных приборов. Наиболее полное выражение микроминиатюризация нашла в полупроводниковой электронике, но не обошла и электронно-управляемые лампы. Достаточно сказать о лампах миниатюрных и сверхминиатюрных серий, вакуумных ИМС.

Полупроводниковая электроника существенно продвинулась и в область СВЧ. Однако в настоящее время в диапазоне частот выше 10 ГГц мощные электровакуумные приборы пока остаются вне конкуренции. На более низких частотах в зависимости от требований и конкретных условий предпочтение может быть отдано либо полупроводниковым, либо электровакуумным приборам. Важно отметить, что на этих частотах роль и значение электровакуумных приборов в ряде случаев остаются чрезвычайно высокими и особенно, если речь идет о больших мощностях и специфических условиях применения и эксплуатации (например, работа в условиях повышенной радиации и пр.).

Достижения современной технической электроники огромны. Широкая электронизация и автоматизация, определяя во многом научно-технический прогресс, играет большую роль в повышении оборонного могущества нашей страны и, в свою очередь, требует высокого уровня подготовки специалистов, работающих в соответствующих областях и, в частности, в области радиотехники. Эффективное и творческое применение своих знаний, повышение уровня своей компетентности в области электронных приборов позволят Вам не только более глубоко и полно освоить материал последующих общепрофессиональных и специальных дисциплин, но и в будущем успешно эксплуатировать как штатные РЭС в реальных условиях функционирования, так и РЭС будущего поколения Вооруженных Сил.

4. Элементы основ электроники – электропроводность твердых тел с позиций зонной теории

В электронике для производства полупроводниковых приборов широко используется полупроводники, имеющие кристаллическую структуру и обладающие примесной проводимостью. Примесная проводимость достигается путем замещения в чистом (собственном) полупроводнике части атомов вещества атомами другого вещества; в результате образуется так называемый примесный полупроводник. В зависимости от соотношения валентности чистого полупроводника и примеси в образовавшемся полупроводнике могут преобладать по отношению к подвижным носителям заряда противоположного знака либо электроны (электронный полупроводник, полупроводник n–типа, полупроводник с донорной примесью), либо дырки (дырочный полупроводник, полупроводник p- типа, полупроводник с акцепторной примесью). В примесном полупроводнике подвижные носители заряда, концентрация которых больше, называются основными, а которых меньше – неосновными.

Среди полупроводниковых материалов, служащих для производства примесных полупроводников и в наилучшей степени отвечающих предъявляемым к ним специфическим требованиям (возможность очистки от примесей при его получении, возможность введения необходимого количества примесей в материал, достаточно высокая теплопроводность и способность сохранять заданные свойства в широком диапазоне температуры, доступность технологии производства в промышленном масштабе и др.), на первом месте стоят германий Ge и кремний Si, находящиеся в IV группе периодической системы Д.И.Менделеева. Находят также применение и перспективные полупроводниковые материалы в виде соединений элементов III и IV групп периодической системы — арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, карбид кремния SiC и др.

Германий и кремний – четырехвалентные элементы, а перечисленные соединения элементов образуют структуру, в которой на один атом в среднем приходится четыре электрона, что определяет сходство их электрических свойств с Ge и Si. В связи с этим для образования полупроводника n – типа в качестве примеси применяют пятивалентные вещества — доноры (фосфор Р, мышьяк As, сурьма Sb), а для полупроводника p- типа — трехвалентные – акцепторы (индий In, алюминий Al, бор В, галлий Ga).

Носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки –подвижные носители заряда и ионизированные атомы примесей (доноров и акцепторов) — неподвижные носители заряда

Чистый (собственный) полупроводник (полупроводник, в котором отсутствуют примеси и нарушения регулярности структуры кристаллической решетки) может содержать только подвижные носители заряда, которые образуются в результате ионизации атомов вещества (при нагреве, облучении). На рис.1.1 показаны условные изображения кристаллической решетки чистого полупроводника с ковалентной связью между атомами при термодинамической температуре Т = 0 К (а) и Т > 0 К (б). Поскольку ковалентная связь является двойной, так как в ней участвуют два электрона с противоположными спинами, то на рисунке она отображена схематически двумя линиями; большими кружками обозначены четырехвалентные атомы, малыми кружками с горизонтальной чертой – электроны, малыми кружками со штриховой окружностью – дырки.

При температуре Т = 0 К все валентные электроны находятся на своих орбитах, подвижных электронов нет и полупроводник ведет себя, как диэлектрик. При температуре Т > 0 К происходит разрыв ковалентных связей части валентных электронов и они становятся свободными в пределах кристаллической решетки (электроны проводимости). При этом одновременно образуются незаполненные связи (вакансии; места, которые покинули электроны) — дырки. Дырка – понятие, введенное в квантовой теории твердого тела. Она ведет себя подобно частице с положительным зарядом, равным заряду электрона, и массой, близкой к массе электрона. На незаполненную связь (вакансию) в результате теплового движения переходят валентные электроны соседних связей; в результате то место, где отсутствует валентный электрон, хаотически перемещается в кристалле.

Энергетическая диаграмма чистого полупроводника, позволяющая наглядно представить описанный выше процесс образования в нем носителей заряда с позиции зонной теории твердого тела, показана на рис.1.2. На рисунке обозначены энергии W : W_П – нижней границы (дна) зоны проводимости; W_В – верхней границы (потолка) валентной зоны; W_З – ширины запрещенной зоны; W_F – уровня Ферми (уровня энергии, вероятность заполнения которого равна 0,5); W_i – середины запрещенной зоны (индекс i относится к чистому полупроводнику). На энергетической диаграмме разрыв ковалентных связей характеризуется появлением свободных электронов в зоне проводимости и соответственно свободных энергетических уровней в валентной зоне, на которые могут перейти электроны из соседних ковалентных связей. Поэтому можно считать, что с уровня на уровень в валентной зоне переходят не электроны, а дырки. При получении энергии извне дырки переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень. Это означает, что на рисунке ось энергии для дырок должна быть направлена вниз.

В чистом полупроводнике на разрыв ковалентной связи электронов с атомами требуется затратить энергию, превышающую ширину запрещенной зоны W_З, которая у германия составляет 0,72 эВ, у кремния – 1,12 эВ, у арсенида галлия – 1,34 эВ. Заметим, что средняя энергия теплового движения электронов в кристалле при комнатной температуре (Т = 300 К) равна 0,025 эВ и это существенно меньше указанных величин. Поэтому в рассматриваемом случае появление свободных электронов в зоне проводимости может быть связано только с наличием в кристалле “быстрых” электронов, вероятность появления которых в зоне проводимости определяется статистикой Ферми-Дирака, а эта вероятность относительно мала. Однако с ростом температуры она возрастает.

Процесс образования пар подвижных носителей заряда электрон – дырка носит название генерации, а процесс, когда электрон восстанавливает ковалентную связь, – рекомбинации носителей заряда (см. рис.2). Среднее количество актов генерации и рекомбинации в единицу времени (скорость генерации v_ген и скорость рекомбинации v_рек) при постоянной температуре одинаково (v_ген =v_рек ), поэтому в чистом полупроводнике при данной температуре среднее количество дырок и электронов в единице объема (их концентрация) является вполне определенным. Отметим, что скорость рекомбинации определяется свойствами полупроводника, пропорциональна концентрации электронов и дырок , поскольку с увеличением их концентрации возрастает вероятность встречи, завершающейся рекомбинацией, и составляет v_рек = = ² = v_ген ( - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств полупроводника).

Таким образом, концентрация электронов в чистом полупроводнике равна концентрации дырок в нем ( = ) и определяется температурой вещества (равновесная концентрация). При этом кристалл остается электрически нейтральным. Условие электрической нейтральности чистого полупроводника: - = 0.

Примесные полупроводники содержат как подвижные, так и неподвижные носители заряда.

В полупроводнике n – типа (рис.1.3) четыре валентных электрона атома донорной (пятивалентной) примеси совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый электрон оказывается неиспользованным (“лишним”) и слабо связанным с атомом донора (лишь силами кулоновского притяжения). Энергия, необходимая для отрыва этого электрона от своего атома, называемая энергией активации W_а, (например, для мышьяка в германии – 0,031 эВ) значительно меньше энергии, необходимой для освобождения валентного электрона основного вещества (для германия, например,— 0,72 эВ). Поэтому уже при комнатной температуре и даже более низкой температуре пятый электрон может быть оторван от примесного атома и последний тогда превратится в положительно ион. Следует отметить, что в данном случае появление свободного электрона связано с появлением неподвижного носителя заряда – положительного иона, а не с появлением подвижного носителя заряда – дырки. Концентрация доноров будет определять соответственно концентрацию этих свободных электронов. Помимо отмеченных электронов в полупроводнике из-за ионизации атомов собственного вещества будет некоторое количество электронов с концентрацией и дырок с концентрацией .

С позиции зонной теории твердого тела введение донорной примеси в полупроводник (рис.1.4) означает, что вблизи зоны проводимости появляются заполненные при температуре Т = 0 К локально (в определенных местах) расположенные в кристалле энергетические уровни донора W_Д. Для перевода находящихся на локальных уровнях электронов в зону проводимости при Т > 0 К требуется затратить энергию W_а, значительно меньшую энергии W_З. Действительно, пятый электрон донора слабо связан со своим атомом и для его отрыва требуется значительно меньшая энергия, чем для отрыва электрона от четырехвалентного атома основного вещества. Появление электронов в зоне проводимости при таком процессе не связано с появлением дырок в валентной зоне. Вследствие ионизации атомов собственного вещества при Т > 0 К в дырочном полупроводнике в зоне проводимости и валентной зоне образуются также заполненные энергетические уровни, на которых располагаются упомянутые выше носители заряда с концентрацией и .

Обычно примесь вводится в небольшом количестве, так что на один атом примеси приходится не менее 10⁹ атомов основного вещества, поэтому атомы примеси слабо взаимодействуют друг с другом и расщепления примесных энергетических уровней практически не происходит. По этой же причине уровни примеси являются локальными, т.е. местными, что отображено на энергетической диаграмме штриховой линией. В свою очередь сами доноры приобретают положительный заряд, что отмечено на диаграмме значком “ + “ в квадрате.

Таким образом в полупроводнике n – типа при нормальной температуре образуются основные подвижные носители заряда – электроны, концентрация которых = + , неосновные подвижные носители заряда – дырки, концентрация которых = , и неподвижные носители заряда – положительные ионы. Обычно концентрация донорной примеси » и поэтому . При этом рассматриваемый примесный полупроводник остается электрически нейтральным, условие его электрической нейтральности: – – = 0 .

Величина концентрации неосновных носителей заряда (дырок) в полупроводнике n – типа представляет собой, как и в чистом полупроводнике, результат динамического равновесия двух процессов – генерации и рекомбинации подвижных носителей заряда, характеризующегося равенством скоростей генерации и рекомбинации

Скорость генерации носителей заряда при применяемых на практике малых концентрациях примеси остается той же, что и в чистом полупроводнике, и равна v_ген= ². В свою очередь скорость рекомбинации носителей заряда составляет v_рек = .

При динамическом равновесии, когда v_ген = v_рек, ² = и величина равновесной концентрации неосновных носителей заряда (дырок) составит

= = , (1.1)

что значительно меньше равновесной концентрации дырок в чистом полупроводнике ( « ).

В полупроводнике p- типа (рис.1.5) примесный атом (трехвалентный) отдает три своих валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя расположенными рядом атомами основного вещества, а связь с четвертым соседним атомом оказывается незаполненной. Однако эта связь может быть заполнена уже при комнатной температуре путем перехода на нее валентных электронов с соседних связей атомов основного вещества (энергия активации W_а, например, алюминия в германии составляет 0,0102 эВ). При переходе валентного электрона на незаполненную связь примесный атом превращается в отрицательный ион. Следует также отметить, что появление дырки в данном случае связано с появлением неподвижного носителя заряда – отрицательного иона, а не с появлением подвижного носителя заряда – электрона. Концентрация акцепторов будет определять соответственно концентрацию этих дырок. Помимо отмеченных дырок в полупроводнике из-за ионизации атомов собственного вещества будет некоторое количество дырок с концентрацией и электронов с концентрацией .

С позиции зонной теории твердого тела введение акцепторной примеси в полупроводник (рис.1.6) означает, что вблизи валентной зоны появляются заполненные при температуре Т = 0 К локально расположенные в кристалле энергетические уровни акцептора W_А. На эти уровни при Т > 0 К могут перейти электроны из валентной зоны, тогда в валентной зоне появятся дырки. Для их появления в дырочном полупроводнике требуется затратить значительно меньшую энергию, чем в собственном полупроводнике, так как атомы акцепторной примеси, имеющие вакантную связь, стремятся заполнить ее электроном, образовавшимся за счет ионизации соседних атомов собственного вещества. Это и соответствует отмеченной выше малой энергии W_А. Появление дырок в валентной зоне при таком переходе не связано с появлением электронов в зоне проводимости, так как электроны заполняют разрешенные локальные уровни акцепторов, которые при температуре Т = 0 К остаются незаполненными. Вследствие ионизации атомов собственного вещества при Т > 0 К в дырочном полупроводнике в зоне проводимости и валентной зоне образуются также заполненные энергетические уровни, на которых располагаются упомянутые выше носители заряда с концентрацией и .

При тех же величинах примеси, что и для электронного полупроводника, энергетические уровни акцепторов оказываются также локальными, что отображено на энергетической диаграмме штриховой линией. В свою очередь сами акцепторы приобретают положительный заряд, что отмечено на диаграмме значком “ – “ в квадрате.

Таким образом, в полупроводнике p - типа при нормальной температуре образуются основные подвижные носители заряда – дырки, концентрация которых = + , неосновные подвижные носители заряда – электроны, концентрация которых = , и неподвижные носители заряда – отрицательные ионы. Обычно концентрация акцепторной примеси » и поэтому . При этом рассматриваемый примесный полупроводник p - типа остается электрически нейтральным, условие его электрической нейтральности:

– – = 0 .

Величина концентрации неосновных носителей заряда (электронов) в полупроводнике p – типа определяется теми же условиями, что соотношение (1.1), и составляет

= = (1.2)

что значительно меньше равновесной концентрации электронов в чистом полупроводнике ( « ).

Таким образом, в примесных полупроводниках при комнатной температуре концентрация основных подвижных носителей заряда практически равна концентрации примесей (доноров, акцепторов), и именно эти подвижные носители заряда в целом определяют примесный характер проводимости полупроводника (электронный, дырочный). Введение примесей в исходный чистый (собственный) полупроводник в концентрации 10¹³ – 10¹⁹ см^-3 при концентрации атомов в исходном собственном полупроводнике (германии, кремнии) около 10²² см^-3 позволяет получить величину примесной электропроводности полупроводников, необходимую при производстве электронных приборов и их элементов с заданными характеристиками.