Физика, технология и элементная база современной электроники

Физика, технология и элементная база
современной электроники
Плюснин Николай Иннокентьевич,
д.ф.-м.н.,
проф. кафедр:
ИСКТ ВГУЭС, и КПРЭА ДВГТУ,
зав. лаб. ИАПУ ДВО РАН
1
О курсе
Стратегическая цель - дать знания, которые актуальны для
современного этапа электроники.
Идея лекционного курса – дать физикотехнологические основы и дополнить
традиционный курс электроники
современными знаниями о новейших
научных достижениях в области
разработки и создания элементной базы
электронных устройств.
2
Цель курса
Цель курса - знакомство с передовыми
направлениями развития элементной
базы на современном этапе для
обеспечения базовой инженерной
подготовки к моменту внедрения и
использования существующих на
настоящий день научных разработок.
3
Введение
В начале XXI в. произошло резкое сокращение срока реализации
научных открытий: средний период освоения нововведений с 1885 по
1919 г. составил 37 лет, с 1920 по 1944 г. — 24 года, с 1945 по 1964 г. —
14 лет, а в 90-е гг. ХХ в. для наиболее перспективных открытий
(электроника, атомная энергетика, лазеры) — 3—4 года. Возникла
конкуренция научного знания и технического совершенствования
производства. Стало экономически более выгодно развивать
производство на базе новых научных идей, нежели на базе самой
современной техники. Изменилось взаимодействие науки с
производством: раньше техника и производство развивались путем
накопления опыта, теперь они стали развиваться на основе науки и
стали наукоемкими. Теперь процесс производства конечного продукта
включает в себя многочисленные вспомогательные производства,
использующие новейшие технологии. Фундаментом для развития
наукоемких технологий является образование. Поэтому для
поддержания конкурентоспособности производства будущему
специалисту необходимо иметь опережающие знания в связи с быстро
изменяющимися потребностями рынка труда. Отсюда и возникла
концепция данного курса – наряду с физико-технологическими основами
микроэлектроники дать преимущественно знания о современной
элементной базе, которая в настоящее время находится на стадии
научных разработок.
4
Развитие элементной базы начиная с 50ых: исторический экскурс
Рис. 1
Типичные
конструкции
электронных
приборов и
их эволюция
по мере
развития
электроники
5
Развитие элементной базы начиная с
50-ых: исторический экскурс
Простейшим из приборов является механический
ключ. Первым электронным ключом был вакуумный
диод, запатентованный в 1904 году англичанином
Д.А. Флемингом. Затем был вакуумный триод (1906
год, Л. Де Форест и Р. Либен) и полупроводниковый
транзистор (1947 год, У. Браттейн, Дж. Бардин, У.
Шокли), а затем интегральные микросхемы на
кремнии (1958-1959 годы), положившие начало
микроэлектронике. Главной тенденцией этого
развития является уменьшение размеров
приборных структур. В современных интегральных
микросхемах они составляют единицы и десятые
доли микрона (1 мкм = 10-6 м).
6
Прогнозы развития элементной базы
Развитие компьютерной техники происходит в
геометрической прогрессии. Каждые полтора года
производительность компьютеров увеличивается в 2
раза. Предсказывают, что известный эмпирический
закон Мура - удвоение элементов на кристалле
каждые 18 месяцев, будет действовать и до конца
десятилетия. Поэтому только наноэлектроника может
обеспечить развитие элементной базы на ближайшие
5-10 лет. А затем необходим переход к атомным
размерам - к атомно-молекулярной электронике.
7
Нынешняя ситуация
Инженеры корпорации Intel сумели изготовить
в лабораторных условиях транзисторы,
обладающие рекордно малыми размерами
(70х80х3 атома) и рекордно высокой скоростью
переключения - 1,5 трлн. в секунду.
Коммерческий выпуск процессоров на базе
новых транзисторов в Intel планируют начать к
2007 году. В каждый такой процессор можно
будет поместить до 1 млрд. транзисторов, а его
предельная тактовая частота составит 20 ГГц.
Процессоры будут изготавливаться по 0,045микронной технологии; напряжение их питания
составит менее 1 В.
8
Проблемы и поиск путей их решения.
Однако прежде чем начать массовое
производство, необходимо разработать
литографию в глубокой ультрафиолетовой
области. Кроме того, необходимо решить
проблемы утечки электронов на
межсоединениях и чрезмерного
теплоотделения. Поэтому проводится поиск
новых принципов построения элементной
базы на основе достижений нанотехнологии,
которая сейчас бурно развивается.
9
Направления построения новой
элементной базы
 Усовершенствование
традиционной элементной
базы.
 Микросенсорика: микромеханические
электронные устройства.
 Опто- и спин-электроника на наногетеростуктурах.
 Электроника на квантовых точках и проволоках.
 Электроника на нанотрубках.
 Электроника, использующая атомное
манипулирование.
 Элементная база квантовых компьютеров.
10
Содержание курса
В основу настоящего курса
положены современные
достижения на перечисленных
выше направлениях
построения элементной базы.
11
12
13
14
15
16
17