Естественно-научные концепции развития микроэлектронных и лазерных технологий
Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и хранения информации. Возникла она в начале ХХ века. На ее основе были созданы электровакуумные приборы.
С начала 50-х годов интенсивно развивается твердотельная электроника, прежде всего полупроводниковая. В начале 60-х годов возникла микроэлектроника - наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой технологии их изготовления. Возникновение микроэлектроники вызвано непрерывным усложнением функций и расширением областей применения электронной аппаратуры, что требовало уменьшения ее габаритов и массы, повышения быстродействия и надежности.
Основу электронной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной аппаратуры, в которых объединено большое число микроминиатюрных элементов и электрических соединений, изготовляемых в едином технологическом процессе. Микроэлектроника развивается в направлении уменьшения размеров содержащихся в интегральной схеме элементов (до 0,1-1,0 мкм), повышения степени интеграции, плотности упаковки, а также использования различных по принципу действия приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, магниторезисторных и др.) В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию интегральных схем, размеры элементов которых определяются нанометрами, то есть постоянно набирает силу наноэлектроника - наиболее важное направление микроэлектроники, характеризующее современный этап развития естествознания.
Развитие твердотельной электроники.
Еще в ХIХ веке выдающийся физик Фарадей столкнулся с первой загадкой - с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону. К тому времени было известно, что электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время А.С.Беккерель обнаружил, что при освещении "плохого" проводника светом возникает электродвижущая сила - фотоЭДС - вторая загадка.
Кроме того было обнаружено изменение сопротивления селеновых стержней под действием света, что в определенной степени подтвердило сущность второй загадки, связанной с фотоэлектрическими свойствами "плохих" проводников.
В 1906 году физик К.Ф.Браун сделал важное открытие: переменный ток, проходя через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была 3-я физическая загадка.
В 1879 г. физик Холл открыл явление возникновения электрического поля в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, направленное перпендикулярно току. Электрическое поле возникало и в полупроводниках. Предполагалось, что направление данного поля определяют электроны и какие-то положительно заряженные частицы. Открытие Э.Холла - четвертая загадка "плохих" проводников.
Созданная Максвеллом теория электромагнитного поля не объясняла ни одну из четырех загадок.
В 1922 г. был создан генерирующий детектор, способный усиливать и генерировать электромагнитные колебания. Основой его служила контактная пара: металлическое острие-полупроводник.
В полупроводниковой электронике 4 загадки оставались неразгаданными почти 100 лет.
Исследовательские работы существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников. В верхней зоне - проходимости - находятся свободные заряды. Нижняя зона, в которой заряды связаны, валентная. Между ними - запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если не велика, то электроны могут возбуждаться и переходить из валентной зоны в более высокоэнергетическую. На освободившихся от электронов местах образуются дырки, которые эквивалентны носителям положительного заряда.
Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (п -тип), для кот. Эффект Холла отрицателен, и с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые наз. донорными, вторые - акцепторными.
В результате многих экспериментов удалось изготовить образец, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. И удалось разгадать все 4 загадки "плохих" проводников.