Введение в микроэлектронику

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение в микроэлектронику

1. Исторический обзор развития микроэлектроники

1.1 Основные направления развития электроники

микроэлектроника транзистор полупроводник

Электроника - это наука, изучающая явления взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими, магнитными и электромагнитными полями, что является физической основой работы электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных полупроводниковых и других), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой - снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Основными направлениями развития электроники являются: вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.

Вакуумная электроника - это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследования в области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионов и управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.

Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т.д.); электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).

Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с различными типами проводимости; созданием гетеропереходов и монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.

Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных схем.

Квантовая электроника охватывает широкий круг вопросов, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборов квантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения - которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.

1.2 История развития микроэлектроники

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году - плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы).

Создание транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейся полупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.

Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники - групповой метод и планарная технология - были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958 - 1960г.г. В 1961 - 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС появились в 1962 - 1963г.г. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам.

В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.

Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм.

Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.

Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10000 элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 - 0,2 мкм. Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.

Контрольные вопросы:

1.Дайте определение электроники как науки.

2. Назовите основные направления развития электроники.

3. Назовите основные направления твердотельной электроники.

4. Охарактеризуйте пять этапов развития микроэлектроники.

2. Общие сведения о полупроводниках

Развитие твердотельной электроники тесно связано с успехами физики и химии полупроводниковых материалов. По удельному сопротивлению с полупроводники занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Для полупроводников с составляет 10^-5-10⁸ Ом·м, для диэлектриков 10¹⁶-10²² Ом·м, для металлов 10^-8-10^-6 Ом·м. Температурный коэффициент сопротивления у полупроводников отрицателен, т.е. с увеличением температуры их сопротивление уменьшается.

В отличие от металлов полупроводники сильно изменяют свои свойства от присутствия даже очень небольших концентраций примеси. У полупроводников заметное изменение с наблюдается также под действием света, ионизирующих излучений и других энергетических воздействий.

Так, например, при концентрации примесных атомов в полупроводнике около 10^-4 атомных процентов его удельная проводимость изменяется на несколько порядков.

2.1 Полупроводники и их электрофизические свойства

Полупроводники -- наиболее распространенная в природе группа веществ. К ним относятся химические элементы: бор (В), углерод (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn), сурьма (Sb), теллур (Те), йод (I); химические соединения типа: A^IB^VII, A^IIIB^V, A^IVB^IV, A^IB^VI, A^IVB^VI, (GaAs, GeSi, CuO, PbS и др.); большинство природных химических соединений -- минералов, число которых составляет около 2 тыс., многие органические вещества.

В электронике находит применение лишь ограниченное число полупроводниковых веществ. Исходные материалы, из которых изготавливают полупроводниковые приборы, должны обладать определенными физико-химическими и механическими свойствами.

Они должны иметь вполне определенное с в диапазоне рабочих температур ?T. Такое удельное сопротивление можно получить при достаточно большом количестве свободных носителей заряда и их беспрепятственном движении в объеме полупроводника. Следовательно, необходимо твердое тело, в котором концентрация свободных носителей заряда n, их диффузионная длина L и время жизни ф были бы достаточно большими. Этим требованиям удовлетворяют в первую очередь монокристаллы, в которых в отличие от аморфных тел и поликристаллов обеспечивается высокая периодичность решетки. Однако не все монокристаллы обладают полупроводниковыми свойствами. А среди полупроводниковых кристаллов лишь немногие по своим параметрам и свойствам пригодны для изготовления полупроводниковых приборов.

На приведенном фрагменте таблицы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (рис. 2.1) жирной линией обведена область, в которой расположены элементы, обладающие полупроводниковыми свойствами. Слева и снизу от этой области расположены металлы, справа и сверху -- диэлектрики.

Электропроводность твердого тела зависит от структуры внешних электронных оболочек его атомов, определяющих месторасположение элементов в таблице. Число справа внизу от химического символа обозначает ширину запрещенной зоны элемента в электрон-вольтах, число в правом верхнем углу -- порядковый номер элемента в таблице.

Из рис. 2.1 видно, что полупроводниковыми свойствами обладают лишь 12 химических элементов. Среди них наиболее подходящими для производства полупроводниковых приборов оказались германий (Ge) и кремний (Si).

Германий встречается, главным образом, в сернистых минералах, некоторых силикатах и карбонатах, а также в каменных углях и богатых углем породах. Содержание Ge в земной коре всего 7·10^-4%, он широко рассеян в горных породах. Для полупроводниковых приборов необходим Ge, почти не содержащий примесей других элементов. На 10⁸ его атомов лишь один может быть чужеродным, но и то не любым, а принадлежащим к группе определенных «легирующих» элементов (чаще всего Sb, As, Ga, In, как показано на рис. 2.1 стрелками). Поэтому производство Ge представляет известную сложность.

Рис. 2.1.

Кремний -- наиболее распространенный (после кислорода) элемент, но в чистом виде он не встречается. Давно известным соединением Si является его двуокись SiO₂. Твердая земная кора содержит 'по массе 27,6% кремния и состоит более чем на 97% из природных силикатов, т. е. солей кремниевых кислот, а также двуокиси кремния SiO₂ преимущественно в виде кварца. Для производства полупроводниковых приборов необходим также очень чистый Si. Получение чистых кристаллов кремния еще более сложно, чем кристаллов германия. Кремний имеет высокую температуру плавления (около 1500°С) и в расплавленном состоянии очень высокую химическую активность. Это резко повышает технологические трудности получения чистых кристаллов и легирования их нужными примесями (в качестве последних чаще всего используются В, Аl и Р, как показано на рис. 2.1). Поэтому чистый кремний, как и германий, довольно дорогой элемент.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют и Ge и Si, они не являются конкурирующими элементами, так как сообщают приборам разные свойства. Например, транзисторы из германия работают до +(100-120)°С, а из кремния до +(150-200) °С. Однако германиевые транзисторы работают при более низких температурах и обладают лучшими частотными характеристиками, чем кремниевые, так как подвижность свободных носителей заряда в Ge выше.

На 2.1 указаны еще несколько элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Однако большинство из них непригодно для изготовления полупроводниковых приборов: либо они проявляют полупроводниковые свойства при температуре меньше 20°С (S и I) или 13°С (Sn), либо только в виде пленок (Sb и As), они сублимируют (I и As), хрупки (Те), легко плавятся (Sn), недостаточно изучены (В) и пр.

В электронике поэтому находит применение лишь ограниченное количество химических элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами. На первом месте стоят Ge и Si, используемые в качестве основы при изготовлении полупроводниковых приборов. Бор, фосфор, мышьяк, сурьма, индий, галлий, алюминий используют в качестве примесей. В последние годы начинают применять некоторые соединения, например, арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) и др. Интересны также сплавы и соединения элементов IV группы периодической системы -- карбид кремния, сплав кремний -- германий и др. Однако они еще недостаточно изучены.

Основными параметрами Ge и Si, определяющими свойства изготовленных из них приборов, являются: с -- удельное сопротивление; ?е-- ширина запрещенной зоны; n- или p-концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок); д -- плотность дислокаций; L -- диффузионная длина; ф -- время жизни носителей заряда. Чтобы оценить эти параметры, необходимо рассмотреть основы физики полупроводниковых материалов.

2.2 Структура полупроводниковых кристаллов

Кристаллическое вещество представляет собой сплошную упорядоченную структуру (монокристалл) либо состоит из большого числа мелких монокристаллов, различно ориентированных в пространстве (поликристалл).

Кристаллические вещества анизотропны, т.е. их свойства зависят от кристаллографического направления.

Для описания закономерности строения кристаллов необходимо задание направления (прямой). Для задания направления в кристалле достаточно задать координаты любого атома тройкой целых чисел, заключенных в скобки (x,y,z). Если плоскость параллельна какой-либо из координатных осей, то индекс, соответствующей этой оси равен нулю. Основные кристаллографические плоскости кубической решетки показаны на рисунке 2.2.

Рис.2.2. - Основные кристаллографические плоскости кубической решетки

Кремний и германий представляют собой кристаллы с регулярной структурой. Кристаллическая решетка кремния и германия называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза Основу решетки составляет тетраэдр -- пространственная фигура, имеющая четыре треугольные грани. В вершинах тетраэдра и в его центре расположены атомы. Центральный атом находится на одинаковом расстоянии от четырех других, находящихся в вершинах. А каждый атом, расположенный в вершине, в свою очередь, является центральным для других четырех ближайших атомов.

При рассмотрении физических процессов в полупроводниковых материалах удобнее пользоваться плоским эквивалентом тетраэдрической решетки (рис. 2.3). Все атомы (большие шарики) находятся в парноэлектронной, ковалентной или просто валентной связи. Парноэлектронные связи (линии на рисунке) образуются валентными электронами (на рисунке -- маленькие шарики) при сближении атомов. Так располагаются атомы чистых четырехвалентных элементов, в том числе Ge и Si, при очень низкой температуре.

Рис.2.3.

При выращивании монокристаллов из расплава очень трудно получить материалы со строго регулярной структурой. Обычно в процессе производства получаются неоднородности разных типов, нарушается периодичность кристаллической решетки, появляются дефекты.

Существуют разнообразные дефекты кристаллических решеток.

Нульмерные или точечные дефекты, к которым относятся например, межузельный атом или вакансия (рис. 2.4)



Рис. 2.4.

Одномерные или линейные дефекты, например, цепочки межузельных атомов, цепочки вакансий, дислокации.

Двухмерные или поверхностные дефекты, например, границы кристалла, зерен (кристаллитов), т. е. места, где нарушается периодичность решетки.

Трехмерные или объемные дефекты, например, инородные включения, размеры которых существенно больше характерного размера решетки, ее параметра а₀. Для Ge постоянная решетки а₀ равна 565 Е, для Si --543 Е.

К важнейшим дефектам кристаллических решеток относятся дислокации --специфические линейные дефекты, связанные с нарушением правильного чередования плоскостей, в которых располагаются группы атомов. Различают несколько видов дислокаций.

Дислокации могут служить центрами генерации и рекомбинации свободных электронов, они влияют на время жизни носителей заряда.

Плотность дислокаций д определяется как отношение общей длины линий дислокаций к объему образца. Для изготовления полупроводниковых приборов применяют Ge и Si с плотностью дислокаций д, не превышающей 10⁴ на 1см², причем для разных типов приборов существует свое предельное значение д. Например, для сплавных транзисторов требуются Ge и Si с плотностью дислокаций до 10³-5·10⁴ см^-2, для эпитаксиальных -- до 10² см^-2 и т. д.

Плотность дислокаций исходного полупроводникового материала во многом определяет электрические параметры приборов, а также разброс этих параметров от экземпляра к экземпляру. От плотности дислокаций в материале зависит и процент годных приборов в серийном производстве.

2.3 Свободные носители зарядов в полупроводниках

Изображенная на рис. 2.3 структура соответствует «гипотетическому» случаю для очень чистого полупроводникового монокристалла при очень низкой температуре. С повышением температуры происходит разрыв электронных связей (рис. 2.5), и часть электронов становится свободной, т. е. электронами проводимости. Такой же процесс происходит в полупроводниковых и под действием света. Разрыв электронных связей сопровождается не только появлением свободных электронов, но и образованием «дырок» -- вакансий, т. е. пустых мест в атомах, которые покинул электрон.

«Дырка» -- понятие, введенное в квантовой теории твердого тела. Дырка ведет себя подобно частице с элементарным положительным зарядом, равным заряду электрона, и массой, близкой к массе электрона.

Рис. 2.5.

Дырка, появившись одновременно со свободным электроном, перемещается в течение некоторого времени, называемого временем жизни, в кристалле замещением вакансий соседними электронами связи, а затем рекомбинирует с одним из свободных электронов (электроном проводимости).

В абсолютно чистом, так называемом «собственном» полупроводнике, электроны и дырки под действием тепла и света всегда образуются парами, т.е. в равном количестве. Число их в стационарном режиме определяется равновесием между процессами генерации и рекомбинации свободных носителей заряда (электронов и дырок). Генерация носителей -- образование пар, рекомбинация-- их исчезновение. Процессы генерации и рекомбинации идут непрерывно, их скорости равны. Электропроводность полупроводника, обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

Полупроводник, у которого n=p, называется собственным полупроводником или полупроводником с собственной проводимостью Концентрации электронов n_i и дырок p_i в собственном полупроводнике одинаковы (n_i=p_i) и зависят только от температуры, заметно возрастая с ее повышением (Индекс i здесь и далее относится к «собственным» полупроводникам, i -- от английского слова intrinsic -- настоящий).

Собственных полупроводников (идеальных кристаллов бесконечной протяженности) в природе не существует. Реальные кристаллы имеют конечные размеры, дефекты и примеси. И если в справочниках иногда приводят параметры «собственного» полупроводникового материала, то это означает лишь, что имеется в виду полупроводник, у которого концентрации примесей и дефектов ниже определенной величины.

Главную роль в полупроводниковой электронике играют примесные полупроводники, в которых концентрации электронов и дырок значительно различаются.

Любые примеси в полупроводниках приводят к существенному изменению их свойств. В частности, изменяется электропроводность полупроводника. В этом случае она называется примесной электропроводностью. Можно контролировать количество и тип вводимой примеси и, следовательно, электропроводность полупроводникового материала.

Различают примеси донорные («отдающие» электроны) и акцепторные («принимающие» электроны, образующие дырки в атомах полупроводника).

В качестве донорных примесей используются элементы V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма и др. В качестве акцепторных -- элементы III группы: бор, алюминий, галлий, индий и др. На рис. 2.1 стрелками показаны примеси для Ge и Si, наиболее широко используемые в промышленности.

Если ввести в кремний атом пятивалентного фосфора, то четыре из его пяти валентных электронов образуют с четырьмя электронами соседних атомов кремния парноэлектронные или ковалентные связи. Пятый электрон оказывается слабо связан с ядром и при самых незначительных тепловых колебаниях решетки становится свободным, т. е. электроном проводимости. Атом примеси при этом превращается в положительный ион с единичным зарядом. Атом, отдающий электрон, называется донором, а примесь --донорной. Образовавшиеся свободные электроны добавляются к «собственным» свободным электронам термогенерации и увеличивают проводимость кристалла. Концентрация «примесных» электронов, поскольку они слабее связаны с ядром, будет значительно превышать концентрацию «собственных» электронов, а следовательно, и дырок. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками типа n (n -- от negative -- отрицательный). В полупроводнике типа n ток электронов значительно превышает ток дырок.

В примесном полупроводнике один тип подвижных носителей заряда преобладает над другим, поэтому принято те носители, которые составляют большинство, называть основными, а те, которых меньшинство, -- неосновными.

Таким образом, основными носителями заряда в электронном полупроводнике являются электроны, а неосновными -- дырки, и, следовательно, в полупроводнике n-типа концентрация электронов значительно больше концентрации дырок n_n > p_n, но n_np_n = n_i²

Если в кремний ввести атом трехвалентного бора, то для валентной связи бора с четырьмя ближайшими атомами кремния необходимо четыре валентных электрона, а на его верхней валентной оболочке их лишь три. Недостающий электрон отбирается из основной решетки и тогда атом бора превращается в отрицательный ион. А на месте покинувшего атом кремния электрона образуется дырка. Атом, принимающий электрон, называется акцептором, а примесь -- акцепторной. Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками типа р (р -- от positive -- положительный). В полупроводнике типа р дырочная электропроводность значительно превосходит электронную.

Основными носителями заряда в дырочном полупроводнике являются дырки, а неосновными -- электроны, и, следовательно, в полупроводнике p-типа концентрация дырок значительно больше концентрации электронов, p_p >n_p, но всегда n_pp_p = n_i².

Если в полупроводник n-типа ввести акцепторную примесь концентрации равной концентрации носителей n-типа, то такой полупроводник называется компенсированным.

Полупроводник, у которого число носителей не менее 10²⁰ на 1см³, называется вырожденным полупроводником.

2.4 Элементы зонной теории твердого тела

Анализ процессов, происходящих в полупроводниковых материалах и полупроводниковых приборах, основывается на зонной теории твердого, тела, учитывающей различные квантовомеханические эффекты.

Твердое тело, в том числе рассматриваемые полупроводниковые монокристаллы, представляет собой систему, состоящую из большого числа атомов, плотность которых составляет примерно 10²² на 1 см³. Каждый атом характеризуется дискретным спектром энергий е₁, е₂,е₃, … ,е_n разрешенных для электронов.

По представлениям квантовой механики состояние электрона в атоме характеризуется квантовыми числами. Электроны в атоме могут занимать только вполне определенные, разрешенные энергетические уровни. В нормальном (невозбужденном) состоянии атома электроны должны располагаться на самых низких энергетических уровнях.

Однако в соответствии с принципом Паули в одном и том же атоме (или в какой-либо квантовой системе) не может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупностью квантовых чисел. Поэтому электроны в соответствии с их состояниями распределяются по определенным оболочкам вокруг ядра. Атом кремния имеет 14 электронов, расположенных на трех оболочках по 2, 8 и 4 электрона. Атом германия имеет 32 электрона, расположенных на четырех оболочках по 2, 8, 18 и 4 электрона. Валентные электроны на последней (верхней) оболочке, имеющие набольшую энергию, определяют электропроводность кремния и германия.

Практическое следствие из принципа Паули при рассмотрении германия и кремния заключается в том, что при объединении двух атомов происходит расщепление каждого уровня на два, а при объединении N атомов в кристалл происходит расщепление каждого энергетического уровня на N уровней.

В рассматриваемом случае находящиеся на очень близком энергетическом расстоянии отдельные уровни, образовавшиеся при объединении множества атомов Ge или Si в кристалл, становятся практически неразличимы. Совокупность близко расположенных энергетических N уровней называется энергетической зоной.

Разрешенные энергетические зоны отделены друг от друга запрещенными энергетическими участками, которые называются запрещенными зонами. Ширина запрещенных зон зависит от расстояния между атомами, т.е. определяется строением кристаллической решетки, а также строением и состоянием атомов, образующих монокристалл.

Для рассмотрения физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах интерес представляют только три верхние энергетические зоны: валентная, запрещенная и свободная, или зона проводимости, так как именно эти зоны обусловливают электропроводность полупроводника.

Электропроводность возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на другой энергетический уровень. Это означает, что в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, где есть свободные уровни, а при температуре абсолютного нуля они имеются лишь в самой верхней разрешенной зоне, которую называют поэтому зоной проводимости. Нижний энергетический уровень зоны проводимости обозначается е_c. В зоне проводимости находятся электроны, осуществляющие электропроводность кристалла.

Зона проводимости отделена от валентной запрещенной зоной, ширина которой обозначается ?е.

Валентная зона -- зона, в которой все энергетические уровни заняты при температуре абсолютного нуля, поэтому электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Однако с повышением температуры электроны переходят из валентной в зону проводимости, в валентной зоне образуются свободные уровни и появляется возможность перехода на них электронов.

Рис. 2.6.

Верхний энергетический уровень валентной зоны обозначается е_v.

Электропроводность твердых тел зависит от взаимного расположения зоны проводимости и валентной зоны. Именно по характеру энергетических диаграмм твердые тела более четко разделяются на проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы) (рис. 2.6).

В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются, и электроны валентной зоны могут легко переходить в зону проводимости независимо от температуры тела. В зоне проводимости электроны принадлежат всему твердому телу и свободно внутри него перемещаются. Проводящее состояние является обычным. В отличие от металлов при нулевой температуре у изоляторов и полупроводников зона проводимости пуста и электропроводность отсутствует.

Ширина запрещенной зоны ?е -- один из важнейших параметров полупроводникового материала, определяющий его электрические и химических свойства. На рис. 2.1 числами справа внизу указаны значения ширины запрещенной зоны ?е в электронвольтах. Из рисунка видно, что чем больше число оболочек в атоме, тем меньше ширина запрещенной зоны и тем слабее связаны валентные электроны с ядром.

В отличие от металлов электропроводность полупроводника обусловлена электронами и дырками, т.е., кроме электронной, в полупроводнике существует и другой вид проводимости -- дырочная. Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к образованию дырок -- вакантных уровней в валентной зоне. При температуре, отличной от нуля, в зоне проводимости полупроводника всегда имеется n электронов, а в валентной зоне -- р дырок.

Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости и образование дырки на освободившемся энергетическом уровне -- процесс генерации носителей. Но наряду с генерацией происходит и рекомбинация носителей -- переход электронов из зоны проводимости обратно в валентную зону на свободный уровень. При динамическом равновесии оба процесса идут непрерывно, их скорости равны.

Если в кристалле имеются дефекты, то создаваемое ими электрическое поле может захватить электрон, подобно тому как электрон захватывается свободными ионами. Локализованный вблизи дефекта электрон имеет энергию, соответствующую энергии запрещенной зоны.

При исследовании механизма электропроводности в полупроводниках обычно считается, что такие уровни возникают в результате присутствия примесных атомов. Поэтому сами уровни называются примесными. Если такой уровень расположен вблизи зоны проводимости, то даже при небольшом повышении температуры электроны будут переходить в эту зону, в результате чего они получат возможность свободно перемещаться по кристаллу. Полупроводник, у которого подвижные электроны возникают вследствие их перехода с примесных уровней в зону проводимости, называют полупроводником с электропроводностью n-типа или электронным полупроводником. Уровни, поставляющие электрон в зону проводимости, называют донорными.

Если примесные уровни расположены вблизи потолка валентной зоны, то при повышении температуры электроны валентной зоны могут захватываться ими, это приводит к образованию подвижных дырок в валентной зоне. Полупроводник с таким механизмом возникновения подвижных носителей заряда называют полупроводником с электропроводностью p-типа и дырочным полупроводником. Уровни, захватывающие электроны или генерирующие дырки в валентной зоне, называют акцепторными. Зонные диаграммы собственного (а), примесного n-типа (б) и примесного p-типа (в) полупроводников показаны на рис.2.7.



Рис. 2.7. - Зонные диаграммы полупроводников

Контрольные вопросы:

1. Как разделяются по удельному сопротивлению материалы?

2. Сколько элементов периодической системы относится к полупроводникам?

3. Охарактеризуйте элемент кремний.

4. Дайте определение собственного полупроводника.

5. Что называется примесным полупроводником?

6. Дайте определение компенсированного и вырожденного полупроводника.

7. Назовите три верхние энергетические зоны.

8. Нарисуйте зонную диаграмму полупроводника.

3. Методы получения монокристаллов кремния

Методов получения монокристаллов кремния в настоящее время очень много. Остановимся на двух наиболее распространенных и длительно применяемых способах: метод Чохральского и метод зонной плавки.

3.1 Метод Чохральского

В расплавленное нагревателем 1 вещество 3 (в нашем случае поликристаллический кремний), которое находится в тигле 2 и имеет температуру, близкую к температуре плавления (для кремния температура плавления 1685^о±2^о), опускают монокристаллическую затравку 4 того же состава, что и расплав.

Рис.3.1

Далее приводят в действие подъемный механизм затравки, при этом затравка смачивается расплавом и увлекает его вверх, вследствие чего расплав на затравке нарастает в виде кристаллической фазы. Метод обеспечивает получение полупроводниковых материалов в форме совершенных кристаллов с определенной кристаллической ориентацией и с минимальным числом дефектов. Нижняя часть полученного слитка отрезается, т.к. в нем остается наибольшее число различных примесей, загрязнений. Наименьшее число дислокаций в кремнии получается при выращивании монокристаллов в направлении (111).

3.2 Метод зонной плавки

В некоторых случаях в технологии полупроводниковых материалов выращивают монокристаллы методом зонной плавки. Достоинством метода является совмещение процесса глубокой очистки полупроводника с последующим выращиванием его монокристалла. В связи с различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах зонная плавка является одним из наиболее эффективных и производительных методов глубокой очистки монокристаллов. При его реализации перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла 1, а только узкая расплавленная зона 2, которую перемещают вдоль кристалла. Различают горизонтальную и вертикальную зонные плавки.

Рис.3.2: 3 - исходная загрузка, 4 - контейнер (тигель, ампула, лодочка), 5 - нагреватель.

Большинство примесей обладает хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой фазой, поэтому по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка. Обычно процесс зонной плавки повторяют несколько раз, по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о методе Чохральского.

2. В чем достоинства метода зонной плавки?

4. Электронно-дырочный переход

Работа большинства полупроводниковых изделий основана на использовании электрического перехода. Электрический переход в полупроводнике - это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются.

Переходы между двумя областями полупроводника с разным типом электропроводности называют электронно-дырочным или p-n-переходом. Различают симметричные и несимметричные p-n-переходы. В симметричных переходах концентрация электронов в полупроводнике n-типа n_n и концентрация дырок в полупроводнике p-типа p_p равны, т.е. n_n=p_n. Другими словами, концентрация основных носителей зарядов по обе стороны симметричного p-n-перехода равны. На практике используются, как правило, несимметричные переходы, в которых концентрация, например, электронов в полупроводнике n-типа больше концентрации дырок в полупроводнике p-типа, т.е. n_n>p_p, при этом различие в концентрациях может составлять 100-1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например n-область в случае n_n>p_p), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (p-область в случае перехода n_n>p_p), - базой. Для случая когда концентрации электронов в полупроводнике р-типа больше концентрации электронов в полупроводнике n-типа, т.е. p_p>n_n, эмиттером будет p-область, а базой n-область.

В зависимости от характера примесей, обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях, различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный (линейный). В резком переходе концентрация примесей на границе раздела областей изменится на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной, в плавном - на расстоянии, значительно большем диффузионной длины. Лучшим выпрямительными (вентильными) свойствами обладают резкие p-n-переходы. Резкий p-n-переход образуется при сплавлении, плавный - получается методом диффузии или методом выращивания из расплава.

В зависимости от площади p-n-переходы разделяются на точечные и плоскостные. Плоскостные переходы в зависимости от метода их изготовления бывают сплавными, диффузионными, эпитаксиальными и т.п.

Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (n- или p-типом), отличающиеся концентрацией примесей и соответственно значением удельной проводимости, называют изотипными переходами: электронно-электронными (n⁺-n-переход) или дырочно-дырочными (p⁺-p-переход). Термином n⁺ - обозначают область с концентрацией электронов, большей n концентрации, а p⁺ - область с концентрацией дырок, большей p; следовательно, слои n⁺ и p⁺ имеют меньшее удельное сопротивление, поэтому большую удельную проводимость.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину зоны, называют гетеропереходами, например карбид кремния. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такие переходы называют переходом металл-полупроводник, которые могут обладать вентильными свойствами или омическими.

4.1 Образование p-n-перехода

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) находится на границе между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную (n), а другая - дырочную (p) электрические проводимости, т.е. соответственно n- или p-области. Однако его нельзя создать простым соприкосновением полупроводниковых пластин n- или p-типов, так как при этом неизбежен промежуточный слой воздуха, оксидов или поверхностных загрязнений. Переход создается в кристалле полупроводника с помощью технологических процессов (например, сплавления, диффузии), в результате которых граница раздела между областями p- и n-типов находится внутри полупроводникового монокристалла.

На рис.4.1 условно показан кристалл, одна часть объема которого имеет дырочную электропроводность, а другая - электронную.

До установления термодинамического равновесия между p- и n-областями и в отсутствии внешнего электрического поля в таком переходе протекают следующие физические процессы. Поскольку концентрация дырок в p-области гораздо выше их концентрации в n-области, то дырки из p-области диффундируют в n-область.

Однако, как только дырки попадают в n-область, они начинают рекомбинировать с электронами, основными носителями зарядов в n-области и их концентрация по мере углубления быстро убывает. Аналогично электроны из n-области диффундируют в p-область. Если бы дырки и электроны являлись нейтральными частицами, то их взаимная диффузия привела бы к полному выравниванию концентрации дырок и электронов по всему объему кристалла, p-n-переход, как таковой, отсутствовал бы.

Встречная диффузия подвижных носителей заряда приводит к появлению в n-области нескомпенсированных положительных зарядов ионов донорной примеси, а в p-области - отрицательных зарядов ионов акцепторной примеси, связанной с кристаллической решеткой полупроводника (рис.4.1,б).

Распределение объемной плотности указанных зарядов с_об показано на рис. 4.1, в. Таким образом, на границе областей образуются два слоя равных, но противоположных по знаку зарядов. Образовавшаяся область пространственных зарядов (ОПЗ) и представляет собой p-n-переход. Его ширина обычно равна d_p-n = 10^-3-10^-4 мм. Объемные (пространственные) заряды в переходе образуют электрическое поле, направленное от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам, т.е. от n-области к p-области. Между p- и n-областями устанавливается разность потенциалов U_K, зависящая от материала и уровня легирования. Например, U_K для германиевых p-n-переходов составляет 0,3 ч 0,4 В, а для кремниевых 0,7 ч 0,8 В.

Рис. 4.1. Идеальный плоскостной p-n-переход:

а - отдельные p- и n-полупроводники;

б - схематическое изображение идеального плоскостного p-n-перехода;

в - распределение плотности объемных зарядов;

г - распределение потенциала;

д- распределение электронов проводимости и дырок;

+, - - ионы; «+», «-» - дырки и электроны

Так как электрическое поле неподвижных зарядов p-n-перехода при термодинамическом равновесном состоянии препятствует диффузии основных носителей заряда в соседнюю область, то считают, что между p- и n-областями устанавливается потенциальный барьер ц_о, распределение потенциала которого вдоль структуры p-n-перехода показано на рис. 4.1, г.

Основные носители заряда при встречной диффузии рекомбинируют в приконтактных областях p-n-перехода, что приводит к образованию в этом месте обедненного подвижными носителями заряда слоя, который обладает малой удельной проводимостью (как беспримесный или собственный полупроводник) и поэтому называется обедненным или запирающим слоем X₃ (рис.4.1,д).

4.2 Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного напряжения I=f(U) есть теоретическая вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода (рис.4.2).

Рис.4.2. Вольтамперная характеристика p-n-перехода:

^______ зависимость при нормальной температуре Т₁;

- - - - зависимость при повышенной температуре Т₂;

Т₂>Т₁.

При подаче на p-n-переход обратного напряжения ток I быстро достигает значения, равного I_o, и затем при повышении обратного напряжения остается практически постоянным. Так как неосновных носителей в областях p и n мало, то при обратном включении ток I, обусловленный только неосновными носителями, мал.

При подаче на p-n-переход прямого напряжения ток I с увеличением U возрастает по экспоненте. Так как основных носителей в областях p и n много, то при прямом включении обусловленный основными носителями ток будет большим.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода существенно зависит от температуры перехода. При увеличении температуры растет концентрация неосновных носителей и резко возрастает обратный ток перехода I_o. В идеальных германиевых p-n-переходах при увеличении температуры на каждые 10^оС обратный ток удваивается. И хотя в кремниевых переходах зависимость еще больше, но абсолютные значения I_о у кремниевых переходов значительно меньше.

При малом прямом смещении прямой ток p-n-перехода возрастает с увеличением температуры из-за увеличения обратного тока I_о. При больших напряжениях, т.е. при больших прямых токах, основную роль играет проводимость полупроводника, которая уменьшается с увеличением температуры, поэтому прямые ветви ВАХ изменяются относительно мало.

Контрольные вопросы:

1. Что называется электрическим переходом в полупроводниковых изделиях?

2. Какие p-n-переходы Вы знаете?

3. Какие переходы называются изотипными?

4. Расскажите об идеальном плоскостном p-n-переходе.

5. Нарисуйте ВАХ для p-n-перехода.

6. Как изменяется ВАХ при повышении температуры?

7. Дайте характеристику потенциального барьера.

5. Биполярные и полевые транзисторы

Транзистором называют активный полупроводниковый прибор, используемый для усиления или генерирования электрических сигналов.

В переводе с английского составное слово «транзистор» означает «преобразователь сопротивлений». В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на биполярные и полевые.

Биполярные транзисторы - это полупроводниковые приборы с двумя встречно-направленными p-n-переходами, созданными в одном кристалле, и тремя внешними выводами.

Полевые транзисторы - это полупроводниковые приборы, в которых изменение тока происходит под действием перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков; в полевых (часто называемых униполярными) - протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака. В качестве полупроводниковых материалов для изготовления биполярных транзисторов используются преимущественно кремний, германий и арсенид галлия (GaAs).

По физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзистор). В полевых транзисторах в качестве полупроводникового материала используют в основном кремний и арсенид галлия, в качестве диэлектрика - оксид кремния SiO₂ (в МОП-транзисторах) или сложные структуры, например SiO₂-Al₂O₃, SiO₂-Si₃N₄ и др. (в МДП-структурах).

5.1 Структура биполярных транзисторов и принцип действия

Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода - плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.

Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор - два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) - область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) - область, назначение которой - инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа - электронами.

Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W- толщина базы

На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода - обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:

1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей L_б, т.е. W= 1,5 - 25 мкм < L_б.

2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.

3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.

4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Все положения, рассмотренные ранее для одного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В отсутствие внешнего напряжения наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через p-n-переходы, и общие токи равны нулю.

Транзистор p-n-p-типа в активном режиме включения показан на рис. 5.1, а. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. При этом через эмиттерный переход должен протекать большой прямой ток I_Э, а через коллекторный переход - малый обратный ток коллектора.

Основные носители заряда в эмиттере - дырки - диффундируют из-за разности концентрации в базу, становясь там неосновными носителями. Процесс перехода носителей зарядов из эмиттера в базу называют инжекцией. По той же причине электроны из области базы диффундируют в область эмиттера, поэтому ток диффузии эмиттера имеет две составляющие - дырочную I_эp и электронную I_эn: I_э= I_эp+ I_эn. Так как концентрация дырок в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток I_эp преобладает над электронным током из базы I_эn, т.е. I_эp >> I_эn, поэтому можно принять, что ток базы для p-n-p-транзисторов I_б ? I_эp.

5.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом - полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей заряда управляется поперечным электрическим полем обратно смещенного p-n-перехода (или переходов).

Простейший полевой транзистор с управляющим p-n-переходом состоит из полупроводниковой пластины, имеющей электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода - электроды стока (С) и истока (И), с одним (рис.5.2,а) или двумя p-n-переходами p-n-переходами (рис.5.2,б) от которого сделан третий вывод - затвор (З).

...