ПОЛУПРОВОДНИКО́ВАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВАЯ ЭЛЕКТРО́НИ­КА, на­прав­ле­ние элек­тро­ни­ки, ох­ва­ты­ваю­щее во­про­сы ис­сле­до­ва­ния взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­нов с элек­тро­маг­нит­ны­ми по­ля­ми в по­лу­про­вод­ни­ках и ме­то­ды соз­да­ния элек­трон­ных при­бо­ров и уст­ройств, в ко­то­рых это взаи­мо­дей­ст­вие ис­поль­зу­ет­ся с це­лью пре­об­ра­зо­ва­ния элек­тро­маг­нит­ной энер­гии (напр., для об­ра­бот­ки и пе­ре­да­чи элек­трич. сиг­на­лов). Вы­со­кие тем­пы раз­ви­тия элек­тро­ни­ки во 2-й пол. 20 в. и её про­ник­но­ве­ние в ав­то­ма­ти­ку, связь, вы­чис­лит. тех­ни­ку, ас­тро­но­мию, ме­ди­ци­ну, быт и др. в зна­чит. сте­пе­ни обу­слов­ле­ны ус­пе­ха­ми П. э., по­зво­лив­шей соз­да­вать ма­ло­га­ба­рит­ные, вы­со­ко­на­дёж­ные, с ма­лым по­треб­ле­ни­ем энер­гии по­лу­про­вод­ни­ко­вые при­бо­ры и уст­рой­ст­ва.

Историческая справка

Пер­вым ПП ма­те­риа­лом, на­шед­шим при­ме­не­ние в элек­тро­ни­ке, был Se. От­кры­тый в 1873 амер. фи­зи­ком У. Сми­том эф­фект из­ме­не­ния со­про­тив­ле­ния се­ле­но­во­го стол­би­ка под дей­ст­ви­ем све­та при­вёл к соз­да­нию пер­вых ПП при­бо­ров – фо­то­ре­зи­сто­ров. В 1874 К. Ф. Брау­ном бы­ла от­кры­та од­но­сто­рон­няя про­во­ди­мость кон­так­та ме­талл – по­лу­про­вод­ник (см. Кон­такт элек­три­че­ский), что при­ве­ло к ис­поль­зо­ва­нию ПП в кри­стал­лич. де­тек­то­рах для де­мо­ду­ля­ции ра­дио­те­ле­фон­ных и ра­дио­те­ле­граф­ных сиг­на­лов (1900–05). В 1920–26 се­ле­но­вые и мед­но­за­кис­ные (Cu₂O) эле­мен­ты ста­ли при­ме­нять­ся для пре­об­ра­зо­ва­ния пе­ре­мен­но­го то­ка в по­сто­ян­ный. В 1922 О. В. Ло­сев ис­поль­зо­вал кри­стал­лич. де­тек­тор из цин­ки­та (ZnO) для ге­не­ри­ро­ва­ния и уси­ле­ния ра­дио­час­тот­ных ко­ле­ба­ний и соз­дал на его ба­зе ра­дио­при­ём­ник – кри­ста­дин, имев­ший зна­чи­тель­но бо­лее вы­со­кую чув­ст­ви­тель­ность по срав­не­нию с обыч­ным де­тек­тор­ным при­ём­ни­ком.

Дол­гое вре­мя по­пыт­ки соз­дать ус­тойчи­во ра­бо­таю­щий уси­лит. при­бор, ис­поль­зую­щий элек­трон­ные про­цес­сы в твёр­дом те­ле, не име­ли ус­пе­ха. Бур­ное раз­ви­тие П. э. на­ча­лось с изо­бре­те­ния в США сна­ча­ла то­чеч­но­го (У. Брат­тейн, Дж. Бар­дин, 1947), а за­тем и пло­ско­ст­но­го (У. Шок­ли, 1948) тран­зи­сто­ра. Даль­ней­шие ус­пе­хи в об­лас­ти П. э. свя­за­ны с соз­да­ни­ем пла­нар­ной тех­но­ло­гии (1959), по­яв­ле­ни­ем и раз­ви­ти­ем ин­те­граль­ной элек­тро­ни­ки и пе­ре­хо­дом на её ос­но­ве к мик­ро­ми­ниа­тю­ри­за­ции элек­трон­ной ап­па­ра­ту­ры (см. так­же Мик­ро­элек­тро­ни­ка).

На ба­зе пла­нар­ной тех­но­ло­гии в 1960-е – нач. 1970-х гг. бы­ли соз­да­ны би­по­ляр­ные СВЧ-тран­зи­сто­ры, по­ле­вые МДП-тран­зи­сто­ры (на ос­но­ве струк­ту­ры ме­талл – ди­элек­трик – по­лу­про­вод­ник), при­бо­ры с за­ря­до­вой свя­зью, разл. ти­пы ин­те­граль­ных схем (ИС). В это же вре­мя поя­ви­лись ла­вин­но-про­лёт­ные дио­ды, Ган­на дио­ды, дио­ды и тран­зи­сто­ры с Шотт­ки барь­е­ром, оп­то­элек­трон­ные уст­рой­ст­ва. Этот пе­ри­од ха­рак­те­ри­зу­ет­ся бур­ным рос­том по­лу­про­вод­ни­ко­вой пром-сти и, со­от­вет­ст­вен­но, зна­чит. уве­ли­че­ни­ем объ­ё­ма про­из-ва из­де­лий П. э. В кон. 1980-х гг. объ­ём вы­пус­ка дис­крет­ных ПП при­бо­ров и ИС во всём ми­ре ис­чис­лял­ся де­сят­ка­ми млрд. при­бо­ров в год; при этом толь­ко дис­крет­ных тран­зи­сто­ров вы­пус­ка­лось ок. 30 млрд. Ко­ли­че­ст­во же тран­зи­сто­ров в со­ста­ве ИС бо­лее чем на три по­ряд­ка пре­вы­ша­ло эту циф­ру.

Физические основы

Раз­ви­тие П. э. ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря фун­дам. дос­ти­же­ни­ям в об­лас­ти кван­то­вой тео­рии твёр­до­го те­ла и фи­зи­ки ПП. В ос­но­ве ра­бо­ты ПП элек­трон­ных при­бо­ров и уст­ройств ле­жат сле­дую­щие важ­ней­шие свой­ст­ва по­лу­про­вод­ни­ков и элек­трон­ные про­цес­сы в них: од­но­вре­мен­ное су­ще­ст­во­ва­ние двух ти­пов под­виж­ных но­си­те­лей за­ря­да (от­ри­ца­тель­ных – элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти и по­ло­жи­тель­ных – ды­рок), обу­слов­ли­ваю­щих два ти­па элек­тро­про­вод­но­сти – элек­трон­ную и ды­роч­ную; силь­ная за­ви­си­мость ве­ли­чи­ны и ти­па элек­тро­про­вод­но­сти от кон­цен­тра­ции и ти­па ато­мов при­ме­си; вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность свойств ПП к воз­дей­ст­вию све­та, те­п­ла, элек­трич. и маг­нит­ных по­лей, ме­ха­нич. на­пря­же­ний (см., напр., Тер­мо­элек­три­че­ские яв­ле­ния, Хол­ла эф­фект); воз­ник­но­ве­ние на гра­ни­це об­лас­тей ПП с разл. ти­па­ми элек­тро­про­вод­но­сти или в кон­так­те ме­талл – по­лу­про­вод­ник со­от­вет­ст­вен­но элек­трон­но-ды­роч­но­го пе­ре­хо­да (см. p–n-Пе­ре­ход) или барь­е­ра Шотт­ки, об­ла­даю­щих прак­ти­че­ски од­но­сто­рон­ней про­во­ди­мо­стью; спо­соб­ность p–n-пе­ре­хо­дов к ин­жек­ции но­си­те­лей за­ря­да из об­лас­ти, где они яв­ля­ют­ся ос­нов­ны­ми, в об­ласть, в ко­то­рой они не­ос­нов­ные, при вклю­че­нии на­пря­же­ния в на­прав­ле­нии про­пус­ка­ния то­ка че­рез пе­ре­ход; тун­нель­ный пе­ре­ход но­си­те­лей сквозь по­тен­ци­аль­ный барь­ер, ла­вин­ное ум­но­же­ние но­си­те­лей за­ря­да в силь­ных элек­трич. по­лях, пе­ре­ход но­си­те­лей из од­ной до­ли­ны энер­ге­тич. зо­ны в дру­гую с из­ме­не­ни­ем их эф­фек­тив­ных масс и под­виж­но­сти, ле­жа­щий в ос­но­ве Ган­на эф­фек­та, и др.

Ре­шаю­щее зна­че­ние для П. э. име­ет тран­зи­стор­ный эф­фект (эф­фект управ­ле­ния то­ком за­пер­то­го пе­ре­хо­да с по­мо­щью то­ка от­пер­то­го пе­ре­хо­да), а так­же эф­фект мо­ду­ля­ции по­лем про­во­ди­мо­сти тон­ко­го слоя по­лу­про­вод­ни­ка (ка­на­ла). Имен­но на ос­но­ве этих эф­фек­тов ра­бо­та­ют би­по­ляр­ные и по­ле­вые тран­зи­сто­ры, ко­то­рые оп­ре­де­ли­ли ко­рен­ные из­ме­не­ния в ра­дио­элек­трон­ной и др. ап­па­ра­ту­ре и обес­пе­чи­ли ши­ро­кое при­ме­не­ние сис­тем ав­то­ма­тич. управ­ле­ния в тех­ни­ке.

Полупроводниковая технология и особенности производства

Гл. тех­но­ло­гич. за­да­чи П. э. – по­лу­че­ние ПП ма­те­риа­лов (в осн. мо­но­кри­стал­ли­че­ских) с тре­буе­мы­ми свой­ст­ва­ми и раз­ра­бот­ка ме­то­дов из­го­тов­ле­ния ПП при­бо­ров, в ко­то­рых ПП слои со­че­та­ют­ся с ди­элек­три­че­ски­ми и ме­тал­ли­че­ски­ми. В ос­но­ве тех­но­ло­гии ПП при­бо­ров ле­жат та­кие спо­со­бы по­лу­че­ния слож­ных ПП струк­тур (пре­ж­де все­го p–n-пе­ре­хо­дов), как вплав­ле­ние, диф­фу­зия при­ме­сей, ион­ное ле­ги­ро­ва­ние, эпи­так­сия, на­не­се­ние ме­тал­лич. и ди­элек­трич. плё­нок, фо­то­ли­то­гра­фия и трав­ле­ние.

Важ­ную роль в раз­ви­тии П. э. сыг­ра­ло по­яв­ле­ние и бы­строе рас­про­стра­не­ние пла­нар­ной тех­но­ло­гии, по­зво­лив­шей раз­вить груп­по­вые ме­то­ды об­ра­бот­ки в про­из-ве ПП. На сме­ну сбор­ке элек­трон­ной ап­па­ра­ту­ры из отд. эле­мен­тов при­шли ме­то­ды из­го­тов­ле­ния на од­ном кри­стал­ле ПП и в од­ном тех­но­ло­гич. цик­ле за­кон­чен­но­го элек­трон­но­го уст­рой­ст­ва – ПП ин­те­граль­ной схе­мы. Кро­ме то­го, су­ще­ст­вен­но по­вы­си­лась точ­ность и вос­про­из­во­ди­мость элек­трич. па­ра­мет­ров.

Рез­ко рас­ши­рил­ся на­бор ис­поль­зуе­мых по­лу­про­вод­ни­ко­вых ма­те­риа­лов. В 1960-х гг. гер­ма­ний был прак­ти­че­ски пол­но­стью вы­тес­нен из сфе­ры про­из-ва крем­ни­ем. Бы­ли соз­да­ны но­вые двух-, трёх- и че­ты­рёх­ком­по­нент­ные твёр­дые рас­тво­ры разл. эле­мен­тов, об­ла­даю­щие ПП свой­ст­ва­ми. Это со­еди­не­ния ти­па А^IIIВ^V, A^IIB^VI, A^IVB^lV и др. Осо­бое зна­че­ние эти ма­те­риа­лы по­лу­чи­ли в свя­зи с раз­ви­ти­ем твер­до­тель­ной СВЧ-элек­тро­ни­ки, твер­до­тель­ной оп­то­элек­тро­ни­ки и вы­чис­лит. тех­ни­ки. Наи­бо­лее ши­ро­кое при­ме­не­ние из этих со­еди­не­ний на­хо­дит GaAs. На­ря­ду с p–n-пе­ре­хо­да­ми, об­ра­зо­ван­ны­ми в объ­ё­ме од­но­го ПП ма­те­риа­ла (т. н. го­мо­пе­ре­хо­ды), боль­шое зна­че­ние при­об­ре­ли ге­те­ро­пе­ре­хо­ды.

В ре­зуль­та­те раз­ви­тия ме­то­да мо­ле­ку­ляр­но-пуч­ко­вой эпи­так­сии (МПЭ) при­бор­ных ге­те­ро­пе­ре­ход­ных ПП струк­тур раз­ра­бо­та­ны тех­но­ло­гии МПЭ с га­зо­вы­ми ис­точ­ни­ка­ми, МПЭ из ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний, атом­но-слое­вая эпи­так­сия, МПЭ с уси­лен­ной ми­гра­ци­ей и др. На их ба­зе соз­да­ны сверх­ско­ро­ст­ные по­ле­вые тран­зи­сто­ры с вы­со­кой под­виж­но­стью элек­тро­нов и ге­те­ро­пе­ре­ход­ные би­по­ляр­ные тран­зи­сто­ры. Но­вые тех­но­ло­гич. приё­мы обу­сло­ви­ли ка­че­ст­вен­ный ска­чок, от­крыв­ший воз­мож­ность даль­ней­ше­го умень­ше­ния га­ба­рит­ных раз­ме­ров и по­вы­ше­ния на­дёж­но­сти элек­трон­но­го обо­ру­до­ва­ния.

Вы­со­кие уров­ни ин­те­гра­ции вы­дви­га­ют ис­клю­чи­тель­но жё­ст­кие тре­бо­ва­ния к точ­но­сти ра­бо­ты обо­ру­до­ва­ния, ис­поль­зуе­мо­го в про­из-ве ПП. Пе­ре­ход в пром. про­из-ве от раз­ме­ров эле­мен­тов ИС 2–3 мкм к раз­ме­рам 1 мкм и ме­нее не обес­пе­чи­ва­ет­ся уже раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью и точ­но­стью ра­бо­ты оп­ти­ко-ме­ха­нич. обо­ру­до­ва­ния для про­цес­сов фо­то­ли­то­гра­фии и тре­бу­ет пе­ре­хо­да к рент­ге­но- и элек­тро­но­ли­то­гра­фии. Су­ще­ст­вен­но воз­рас­та­ют при этом тре­бо­ва­ния к точ­но­сти об­ра­бот­ки ПП пла­стин (пло­ско­ст­ность, ми­ним. ко­раб­ле­ние при тер­мич. про­цес­сах, плос­ко­па­рал­лель­ность сто­рон и т. п.). Так, ме­ха­нич. об­ра­бот­ка ПП пла­стин диа­мет­ром до 120 мм долж­на осу­ще­ст­в­лять­ся с от­кло­не­ния­ми от пло­ско­ст­но­сти, не пре­вы­шаю­щи­ми 1 мкм.

Ис­клю­чи­тель­но важ­ное зна­че­ние при­об­ре­та­ют и ус­ло­вия про­из-ва: от­сут­ст­вие пы­ли в по­ме­ще­нии (це­хе) и на ра­бо­чих мес­тах, под­дер­жа­ние т. н. ком­форт­ной влаж­но­сти, глу­бо­кая очи­ст­ка тех­но­ло­гич. га­зов (азо­та, во­до­ро­да, ки­сло­ро­да) и хи­мич. ре­ак­ти­вов.