Микроэлектроника и схемотехника

А. В. Параскевов





            МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА


Учебник

Издание 2-е, исправленное и дополненное


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.382
ББК 32.844.1
     П18



Рецензенты:
доктор экономических наук, кандидат технических наук, профессор Луценко Евгений Вениаминович;
доктор экономических наук, кандидат физико-математических наук, профессор Попова Елена Витальевна




    Параскевов, А. В.

П18 Микроэлектроника и схемотехника : учебник / А. В. Параскевов. -2-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -116 с. : ил., табл.
         ISBN978-5-9729-1276-6

         Рассмотрены ключевые характеристики и технические особенности микроэлектронных схем в целом, а также микроэлектронной техники и компонентов. Даны современные методы применения последних достижений в области низкоуровневого программирования.
         Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии», направленность «Создание, модификация и сопровождение информационных систем, администрирование баз данных», и смежных направлений подготовки, а также специалистов и инженеров в области компьютерных технологий, компьютерных систем, низкоуровневого программирования и подобных областей.

                                                          УДК 621.382
                                                          ББК32.844.1










ISBN 978-5-9729-1276-6

     © Параскевов А. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Спасибо за то, что мы есть друг у друга.



    ВВЕДЕНИЕ


     Несмотря на то, что современным микропроцессорным устройствам, а также микроэлектронике и схемотехнике уделяется недостаточно внимания, автор считает эту область знаний одной из наиболее значимых в условиях наметившегося технологического скачка и перехода к качественно новым технологическим процессам. Современная микроэлектроника развивается по пути микроминиатюризации и увеличения степени интеграции микроэлектронных изделий: интегральных микросхем, микросборок, полупроводниковых и гибридных больших и сверхбольших интегральных схем.
     Особое место среди направлений развития микроэлектроники занимает «функциональная микроэлектроника» (квантовая микроэлектроника, диэлектрическая электроника, оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнетоэлектроника, криотроника, схемотроника, биоэлектроника), изделия которой находят чрезвычайно широкое применение в системах передачи, обработки, хранения информации. Использование достижений микроэлектроники в разрабатываемых системах различного функционального назначения позволяет комплексно решать проблемы мультифункциональности, повышения надежности, уменьшения формфактора (массы, габаритов и др.), энергопотребления и стоимости.
     Цифровой электронике принадлежит первейшая роль при реализации системы обеспечения высочайшего уровня надежности проектируемых и реализуемых информационных систем, которые управляют производственными системами, процессами и объектами.
     Счетчики, таймеры, дешифраторы, сумматоры, регистры, преобразователи составляют основу цифровой электроники.
     Осмысление физических принципов функционирования схем, а также методов конструирования сложных систем - основная цель, которую преследует автор учебника, без учета этого повышение уровня знаний в области информационных технологий представляется невозможным.
     Изучение дисциплины «Микроэлектроника и схемотехника» позволяет освоить современные методы применения последних достижений в области техники, технологий и низкоуровневого программирования. Основные направления развития микроэлектроники, представленные в учебнике, во многом способствуют комплексному освоению материала изучаемого курса «Микроэлектроника и схемотехника».

3

    1. МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА: КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ


     На данный момент, подавляющее большинство устройств микроэлектроники и схемотехники изготавливаются из полупроводниковых материалов. Именно по этой причине особое внимание обращено на структуру и параметры полупроводников. Как уже известно, любое твердое тело представляет собой множество атомов, взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям: они минимальны у металлов (и других проводников) и максимальны у диэлектриков. Однако, в любом случае всю совокупность атомов в твердом теле следует рассматривать как единую целую структуру. Подобно атому она характеризуется единым энергетическим спектром. Он обладает особой структурой: он состоит из дискретных зон. На рисунке 1 приведена зонная энергетическая диаграмма полупроводника.
Зона проводимости


Запрещенная зона


Валентная зона
Рисунок 1 — Зонная энергетическая диаграмма полупроводника

      Следует обратить внимание на запрещенную зону (зону запрещенных энергий), разделяющую разрешенные зоны (см. рисунок 1). У диэлектриков ширина запрещенной зоны значительно больше, чем у полупроводников, а у металлов разрешенные зоны практически полностью сливаются. Это определяет некоторые свойства элементов. Ширина запрещенной зоны, определяющая энергетический промежуток запрещенных энергий, - важнейший параметр полупроводника.
      Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости. Электроны в этой зоне обладают большой энергией и могут ее изменять под действием электрического поля, путем перемещения в объеме полупроводника. Этими электронами непосредственно и определяется электропроводность полупроводника.
      Нижняя разрешенная зона называется валентной зоной. Энергетические уровни этой зоны заполнены электронами внешней оболочки атомов - внешних устойчивых орбит. Они называются валентными электронами. При наличии 4

свободных уровней в валентной зоне электроны могут изменять свою энергию под воздействием электрического поля. Если все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.
     Приблизительно 97 % всех изделий полупроводниковой электроники выполняются на основе кремния. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать структуру кремния.
     Обменные силы определяют установление связи между атомами при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов появляются общие орбиты, на которых находится не более двух электронов. Это происходит в полном соответствии с фундаментальным положением физики - принципом зипрети Пиули. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, он использует эти электроны для связи с четырьмя соседними атомами. Последние, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким образом, любой атом кремния связан с каждым соседним атомом общей орбитой, причем на этой орбите находятся два электрона. Такая связь атомов называется пирноэлектронной или ковилентной связью. На рисунке 2 приведена упрощенная модель решетки (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) для беспримесного кремния, где между каждыми двумя атомами кремния проведены две связывающие их прямые линии.

а                  б
£

Рисунок 2 — Упрощенная модель решетки (а) и зонная энергетическая диаграмма для беспримесного кремния (б)

      Каждая из них символизирует наличие электрона на общей орбите у этих атомов. Ее принято называть вилентной связью. Валентный электрон, находящийся в такой связи, по энергии расположен в валентной зоне.
      Температура абсолютного нуля гарантирует наличие электронов во всех связях. По мере нагревания полупроводника связи нарушаются. Это происходит в связи с тем, что некоторые валентные электроны получают необходимую 5

дополнительную энергию для перехода в зону проводимости (рисунок 2, б). Такой переход соответствует выходу электрона из связи (рисунок 2, а). Появляющиеся свободные электроны при приложении напряжения будут участвовать в образовании тока в полупроводнике.
      Появление свободных уровней в валентной зоне свидетельствует, что для валентных электронов появляется возможность изменять свою энергию. Таким образом, происходит переход из одного разрешенного уровня валентной зоны в другой, а также участие в протекании тока в полупроводнике. С повышением температуры возникает большее число свободных электронов в зоне проводимости и вакантных уровней в валентной зоне. Этот процесс проходит интенсивнее в полупроводниках с узкой запрещенной зоной. Чем более узкой является запрещенная зона, тем активнее происходит процесс. Это естественно, ведь чем меньше запрещенная зона, тем больше свойств проводника проявляется и повышается проводимость у материала.
      Вакантный энергетический уровень в валентной зоне и соответственно свободную валентную связь называют дыркой. Она является подвижным носителем положительного заряда, равного по абсолютной величине заряду электрона. Перемещение дырки соответствует встречному перемещению валентного электрона. Такое перемещение происходит из связи в связь. Поочередная ионизация валентных связей это и является сутью движения дырки.
      Процесс образования свободного электрона и дырки принято называть генерацией. Когда генерация происходит под действием теплоты, этот процесс называется термогенерацией. Появление электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне на энергетической диаграмме (рисунок 2, б) представлено в виде кружков с соответствующими знаками зарядов. Стрелкой обозначен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.
      Таким образом, за счет термогенерации в собственном полупроводнике (принято обозначать буквой i) образуются два типа подвижных носителей заряда: свободные электроны п и дырки p,причем их количество одинаково (ni = pi). Эти носители заряда называют собственными, а электропроводность, ими обусловленную, - собственной электропроводностью. В полупроводниковой электронике используется не только собственная, но и примесная электропроводность, имеющая место в примесных полупроводниках.
      Примесными принято называть полупроводники, электропроводность которых обусловлена носителями заряда, образующимися при ионизации атомов примеси.
      Если в кремний ввести атом пятивалентного элемента (например, фосфора), то четыре из пяти валентных электронов вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния (подобно атомам собственного полупроводника). Пятый

6

электрон - в данном случае избыточный - окажется очень слабо связанным со своим атомом. Поэтому оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда можно даже при воздействии малой тепловой энергии.
     Таким образом, появление в кремнии атома фосфора привело к образованию в зоне проводимости свободного электрона, образование которого не связано с существованием дырки.
     При изготовлении полупроводниковых приборов вводится, конечно, далеко не единственный атом примеси (порядка 10¹⁴-10¹⁸ атомов на 1 см³), поэтому и примесных уровней образуется довольно много. Такие примесные полупроводники называются электронными, или полупроводниками п-типа.
     Свободные электроны определяют электропроводность электронных полупроводников. Именно свободные электроны и являются основными носителями заряда. Дырок здесь очень мало. Они образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям в беспримесном полупроводнике. В результате количество свободных электронов практически равно количеству ионизированных доноров.
     Дырочный полупроводник, или полупроводник р-типа, получается за счет введения в него трехвалентных атомов примеси (например, бора). Атомы трехвалентной примеси принято называть акцепторами.
     Находясь среди атомов кремния, акцептор образует только три заполненные валентные связи. Четвертая связь оказывается незаполненной, и она не несет заряда, т. е. атом примеси электрически нейтральный. При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон одной из соседних заполненных связей кремния может перейти в эту связь. На внешней оболочке акцептора появляется лишний электрон, т. е. он превращается в отрицательный ион. Вакантная связь атома кремния (из которой электрон перешел к примесному атому) несет собой уже положительный заряд, являясь дыркой.
     В дырочном полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, и именно они определяют электропроводность такого полупроводника.
     Электроны в полупроводнике р-типа - неосновные носители заряда и их очень мало. Итак, за счет введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками, причем их количество равно количеству отрицательных ионов.
     При рассмотрении примесных полупроводников обычно используют понятие «концентрация примеси». Концентрацией называется количество зарядов или частиц в единичном объеме.
     Следовательно: чем больше концентрация доноров, тем больше и концентрация электронов, а чем больше концентрация акцепторов, тем больше концентрация дырок в полупроводнике.

7

     Наряду с переходами электронов с низких энергетических уровней на более высокие происходят и обратные переходы. Одновременно с генерацией пар «электрон - дырка» происходит и обратный процесс - взаимное уничтожение свободного электрона и дырки, называемый рекомбинацией. При этой ситуации свободный электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону. При некоторой установившейся температуре полупроводник находится в состоянии термодинамического равновесия. Процесс генерации уравновешивается процессом рекомбинации.
     Важный параметр полупроводника - уровень Ферми, вероятность заполнения которого при температуре, отличной от абсолютного нуля, равна 50 %. Этот уровень представляет собой среднюю термодинамическую энергию тела на один электрон. Фундаментальное положение физики указывает, что уровень Ферми одинаков во всех частях равновесной системы, какой бы разнородной она ни была.
     Для собственных полупроводников уровень Ферми проходит посередине запрещенной зоны. В электронном полупроводнике средняя энергия электронов (и всего полупроводника) выше, следовательно, уровень Ферми должен находиться выше середины запрещенной зоны. Увеличение концентрации доноров приводит к тому, что уровень Ферми будет располагаться все выше. Что касается дырочного полупроводника, то в нем уровень Ферми должен располагаться ниже середины запрещенной зоны, причем тем ниже, чем больше концентрация акцепторов.
     Широкое применение нашли вырожденные полупроводники, они отличаются тем, что у таких полупроводников уровень Ферми обычно располагается в разрешенных зонах: зоне проводимости для электронного и в валентной зоне для дырочного полупроводника. На практике используются вырожденные полупроводники с сильной степенью вырождения, получаемые за счет значительного повышения концентрации примеси (10¹⁹-10²¹ см³).
     Один из основных параметров полупроводника - подвижность носителей заряда (р). Подвижность носителей - их средняя направленная скорость в полупроводнике при напряженности электрического поля Е = 1 В/см. Подвижность электронов (рп) всегда больше подвижности дырок (рр). Это объясняется большей инерционностью дырок (соответствующей инерционности валентного электрона), чем свободных электронов. Наибольшая подвижность наблюдается у электронов в арсениде галлия. Чем больше подвижность носителей заряда, тем выше скорость движения носителей и тем выше быстродействие полупроводникового прибора. Отсюда становится ясным преимущество высокочастотных элементов. С повышением температуры обычно наблюдается уменьшение подвижности носителей заряда.

8

     Подвижность носителей заряда связана с другим параметром полупроводника - коэффициентом диффузии (D) - следующим соотношением:

        D = ф т - р,

где фт = kT / q — тепловой потенциал, который при комнатной температуре приближенно равен 26 мВ;
     k - постоянная Больцмана;
     q - заряд электрона.

     Коэффициенты диффузии, как и коэффициенты подвижности, имеют разные значения для электронов и дырок, причем Dₙ > Dₚ.
     Временем жизни (т) носителя заряда называется время от его генерации до рекомбинации, которое во многом определяет длительность переходных процессов в некоторых полупроводниковых приборах.
     Рекомбинация - основной процесс, влияющий на величину времени жизни. Различают рекомбинацию непосредственную и через ловушки. Непосредственная рекомбинация электрона и дырки наблюдается сравнительно редко (например, в элементах, выполненных из арсенида галлия). В кремнии основную роль всегда играет рекомбинация через ловушки, т. е. через особые уровни, расположенные вблизи середины запрещенной зоны. Уровни ловушек образуются за счет специальных примесей или наличия дефектов кристаллической решетки полупроводника. Чем больше в полупроводнике ловушек, тем интенсивнее происходит рекомбинация и соответственно меньше время жизни.
     В общем случае движение носителей заряда в полупроводниках обусловлено двумя физическими процессами: диффузией и дрейфом. Диффузией называется направленное перемещение носителей зарядов вследствие неравномерности их концентрации - перемещение под действием изменения концентрации носителей. За время жизни в результате диффузионного движения носители заряда будут проходить некоторое среднее расстояние L, называемое диффузионной длиной. Дрейф - это направленное перемещение носителей заряда под действием электрического поля.
     С точки зрения конструирования и эксплуатации полупроводниковых устройств, очень важным параметром является удельная проводимость полупроводников. Поскольку в полупроводниках имеется два типа носителей заряда, удельная проводимость о складывается из двух составляющих: электронной и дырочной. Для электронного полупроводника (электронной составляющей) можно записать:
^ п = q ■ⁿ ⁻р п.

9

     Это общая формула для любого состояния полупроводника n-типа. Аналогично (i-i) для дырочного полупроводника справедливо следующее:
сP =q■n-рₚ.

     Сравнение позволяет сделать важный вывод: при равной концентрации примесей электронный полупроводник будет иметь большую удельную проводимость (меньшее сопротивление), чем дырочный, поскольку цₙ > цₚ. При температуре абсолютного нуля в полупроводнике отсутствуют свободные носители заряда, поэтому п = 0 и оₙ = 0. При повышении температуры оₙ будет увеличиваться за счет активации доноров, что соответствует возрастанию п. Этот рост будет происходить до тех пор, пока не активизируется вся примесь. Температура, при которой это произойдет, называется температурой активации tакт. Температура активации определяется типом примеси и ее концентрацией (обычно tакт = -100 ⁰С). Поскольку вся примесь уже активирована, при дальнейшем повышении температуры концентрация электронов остается практически постоянной, что соответствует qₙ = const. Следовательно, теперь о будет уменьшаться, поскольку подвижность носителей уменьшается с ростом температуры. Дальнейшее повышение температуры может привести к резкому росту проводимости за счет интенсивной термогенерации. Здесь температура становится уже достаточной для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Поскольку сильно увеличивается количество электронов и дырок (собственная электропроводность преобладает над примесной), проводимость полупроводника резко возрастает. Температура tкр, начиная с которой происходит возрастание проводимости, называется критической или температурой вырождения. Хотя tкр и зависит от концентрации примесных носителей, определяющим параметром для нее является ширина запрещенной зоны (чем шире запрещенная зона, тем больше и tкр). Рабочий температурный диапазон полупроводниковых приборов ограничен снизу tакт, а сверху - tкр. Абсолютное большинство полупроводниковых устройств электроники используется в этом диапазоне температур (и даже в более узком диапазоне: -60 - +100 0Q. Таким образом, при реальной эксплуатации проводимость полупроводников уменьшается с ростом температуры.

     Контрольные вопросы

    1.     Разъясните понятие «примесные полупроводники» (полупроводники n-типа и полупроводники р-типа).
    2.     Как связаны подвижность носителей заряда и коэффициент диффузии?
    3.     В чем особенность и физический смысл процесса рекомбинации?
    4.     Раскройте понятия «генерация», «примесные полупроводники», «собственная электропроводность», «валентная связь».


10