Электронные приборы

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.

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.

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.

Рис.2.2. Основные кристаллографические плоскости кубической решетки

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.

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 ni и дырок pi в собственном полупроводнике одинаковы (ni=pi) 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 Nn > Pn, но Nn*Pn = ni²

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, Pp >Np, но всегда Np*Pp = Pi².

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.

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, … ,еn 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 еc. 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.

Верхний энергетический уровень валентной зоны обозначается еv.

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.

Рис. 2.6.

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

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 1685⁰±2⁰), 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).

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. (рис.3.2)



Рис.3.2.

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

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.

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.

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 Nn и концентрация дырок в полупроводнике p-типа Pp равны, т.е. Nn=Pp. 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. Nn>Pp, при этом различие в концентрациях может составлять 100-1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например n-область в случае Nn>Pp), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (p-область в случае перехода Nn>Pp), - базой. Для случая когда концентрации электронов в полупроводнике р-типа больше концентрации электронов в полупроводнике n-типа, т.е. Pp>Nn, 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.

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.

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

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.

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 ц₀, 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).

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 Io, 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 Io. В идеальных германиевых p-n-переходах при увеличении температуры на каждые 10⁰ С обратный ток удваивается. И хотя в кремниевых переходах зависимость еще больше, но абсолютные значения Iо у кремниевых переходов значительно меньше.

При малом прямом смещении прямой ток p-n-перехода возрастает с увеличением температуры из-за увеличения обратного тока Iо. 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.

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).

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 Lб, т.е. W= 1,5 - 25 мкм < Lб.

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 IЭ, 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 Iэp и электронную Iэn: Iэ= Iэp+ Iэn. Так как концентрация дырок в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток Iэp преобладает над электронным током из базы Iэn, т.е. Iэp >> Iэn, поэтому можно принять, что ток базы для p-n-p-транзисторов Iб ? Iэp.

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).

Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. На рис.5.2,в дана одна из структур выпускаемых промышленностью полевых транзисторов. Действие этих транзисторов основано на зависимости толщины пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода от приложенного к нему напряжения.

При включении между истоком и стоком транзистора источника напряжения E1 (или ЕСИ) по каналу от истока к стоку потечет ток основных носителей (в данной структуре - электронов), величина которого определяется приложенным напряжением и сопротивлением канала. Если на затвор транзистора подать напряжение Е2 (или ЕЗИ) так, чтобы p-n-переход (или переходы) оказались смещенными в обратном направлении, то переход (переходы) расширяясь, уменьшают ширину канала W.

Рис 5.2. Упрощенная структура полевого транзистора: (а) - с одним управляющим p-n-переходом; (б) - с двумя управляющими p-n-переходами; (в) - типовая структура.

Уменьшение поперечного сечения канала приводят к увеличению его сопротивления и собственно к уменьшению протекающего по каналу тока.

МДП-транзисторы.

У МДП-транзисторов, в отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеет дополнительный вывод от кристалла на котором выполнен прибор, называемый подложкой П (рис. 5.3). В этих транзисторах управляющий электрод, т.е. затвор, отделен от канала тонким слоем диэлектрика (0,05 ч 0,20 мкм) и допускает приложения напряжения любой полярности. Если в качестве диэлектрика применен оксид кремния, то эти транзисторы называются МОП-транзисторами (т.е. со структурой металл-оксид-полупроводник).

МДП-транзисторы по способу образования канала подразделяются на транзисторы со встроенным каналом (канал создается при изготовлении) и с индуцированным каналом (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). Важными параметрами МДП-транзистора являются длина канала L (обычно 0,1 - 5 мкм), ширина канала z (на рис. 5.3, б), толщина диэлектрика (изолятора) d с диэлектрической постоянной еi, и проводимость канала.

Рис. 5.3. Разрез структуры МДП-транзисторов с каналом p-типа: а - планарный транзистор со встроенным каналом; б - параметры МДП-транзистора; в - планарный транзистор с индуцированным каналом: 1 - диэлектрик; 2 - канал

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений более 104 МОм вместо более 10 МОм у транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Устройство транзистора со встроенным p-каналом схематично представлено на рис. 5.3, а. Основой является пластина слаболегированного кремния с электропроводностью n-типа. Области стока и истока обладают электропроводностью p+-типа, соединенные узкой слаболегированной областью кремния с электропроводностью p-типа, что является встроенным каналом. Затвор представляет собой металлический слой, изолированный от канала тонким диэлектриком толщиной d. В транзисторе со встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося канала в результате приложения отрицательного или положительного напряжения соответственно. При положительном напряжении на затворе дырки проводимости оттесняются из области канала в объем полупроводника электропроводностью n-типа. Канал обедняется носителями заряда, сужается к стоку. При подаче на затвор отрицательного напряжения происходит обогащение дырками объема канала, он расширяется, и его проводимость возрастает.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно изменять проводимость канала, т.е. ток, проходящий через этот канал.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (для случая с каналом p-типа), равное напряжению UЗИотс. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется, и ток увеличивается.

Структура МДП-транзистора с индуцированным p-каналом показана на рис. 5.3,в. В качестве исходного материала транзистора использован кремний n-типа. Чаще всего диэлектриком используется оксид кремния SiO2. В оксиде кремния всегда содержатся положительно заряженные ионы, обусловленные такими ионизирующими примесями, как положительные ионы натрия, калия, водорода, осаждаемые на поверхность кремния в процессе выполнения технологических операций. Положительный заряд в пленке оксида кремния наводит (индуцирует) в поверхностном слое n-области слой накопления электронов, в котором концентрация электронов выше, чем в объеме n-области. При подаче на затвор отрицательного напряжения UЗИ электроны поверхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность, т.е. появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком, который играет роль канала. Толщина индуцированного канала составляет всего 1-5 нм. При приложении напряжения между истоком и стоком дырки, перемещаясь по каналу, создают ток истока. Изменяя напряжение на затворе, можно расширять или сужать канал, увеличивая или уменьшая ток стока.

Методы получения транзисторов.

P-n-переходы транзисторов получают методами сплавления, диффузии, эпитаксии, выращивания.

Планарные переходы получили свое название потому, что p-n-переходы диодных или транзисторных структур и контакты по всем областям расположены на одной плоскости полупроводникового кристалла.

Последовательность основных технологических этапов получения диффузионных транзисторов n-p-n-типа планарного типа следующая:

1.

- исходная пластина n-типа, коллектор

2.

- диффузия бора, создающая участок p-типа, база

3.

- диффузия фосфором, создающая участок n-типа, эмиттер

3. - создание омических контактов

4. Резка пластины на кристаллы

5. Напайка (наклейка) кристалла на основание корпуса

6. Разварка внутренних выводов, соединяющих участки кристалла с траверсами корпуса.

7. Герметизация корпуса

8. Контроль электрических параметров.

Проведение диффузионных процессов происходит с использованием процессов фотолитографии.

Интегральные схемы

Общие понятия.

Блоки и узлы радиоэлектронной аппаратуры на втором этапе развития электронной техники (после электронных ламп) строились на полупроводниковых приборах. Но возникла мысль, а можно ли отдельные блоки и узлы создать в одном корпусе на одной подложке или в одном кристалле полупроводника. Эта идея начала реализовываться в мировой промышленности с конца шестидесятых годов.

Интегральная схема (ИС) -- это конструктивно законченное изделие электронной техники, выполняющее определенную функцию, и содержащее совокупность транзисторов, полупроводниковых диодов, резисторов, конденсаторов и других элементов, электрически соединенных между собой.

Теория, методы расчета и технология изготовления ИС составляют основное содержание микроэлектроники.

По технологии изготовления различают полупроводниковые (т. е. монолитные), пленочные и гибридные ИС.

В полупроводниковой ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника, обычно кремния. Как правило, для полупроводниковых ИС характерно создание всех элементов одновременно в ходе единого технологического цикла.

В пленочных ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде проводящих, диэлектрических и резистивных пленок (слоев) на подложке. Такие ИС содержат, как правило, только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, межсоединения). Вариантами пленочных ИС являются тонкопленочные с толщиной пленок 1 .3 мкм и менее и толстопленочные с толщиной пленок свыше 3 .5 мкм. Деление пленочных ИС обусловлено не столько толщиной пленок, сколько методом их нанесения в процессе создания пассивных элементов. Пассивные элементы тонкопленочных схем наносят на подложку преимущественно с использованием термовакуумного распыления и катодного осаждения, а пассивны элементы толстопленочных схем получают нанесением и вжиганием проводящих и резистивных паст.

Наряду с полупроводниковой и пленочной широко используется гибридная технология, в которой сочетаются тонкопленочные или пассивные толстопленочные элементы с полупроводниковыми активными, называемыми компонентами гибридной схемы. Частным случаем гибридной ИС является многокристальная ИС, содержащая в качестве компонентов несколько бескорпусных полупроводниковых схем на одной подложке. Наиболее распространены в настоящее время полупроводниковые и гибридные ИС. полупроводник ток шоттка диод

Число элементов в данной ИС характеризует ее степень интеграции. В соответствии со степенью интеграции все ИС условно делят на малые (МИС -- до 102 элементов на кристалл), средние (СИС -- до 103), большие (БИС -- до 104), сверхбольшие (СБИС -- до 106), ультрабольшие (УБИС -- до 109) и гигабольшие (ГБИС -- более 109 элементов на кристалл). Иногда степень интеграции определяют величиной k=lgN, где N -- число элементов, входящих в ИС, а значение k определяется до ближайшего целого числа в сторону увеличения. Например, ИС первой степени интеграции (k = l) содержит до 10 элементов, второй степени интеграции (k = 2) -- свыше 10 до 100, третьей степени интеграции (k = 3) -- свыше 100 до 1000 и т. д.

При всем своем многообразии ИС по функциональному назначению делятся на два основных класса -- аналоговые (частный случай -- линейные) и цифровые. Аналоговые ИС предназначены для усиления, ограничения, частотной фильтрации, сравнения и переключения сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Цифровые ИС предназначены для преобразования (обработки) сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции (например, выраженных в двоичном или другом цифровом коде). Цифровые ИС представляют собой множество транзисторных ключей, обладающих двумя устойчивыми состояниями (разомкнутым и замкнутым). Основным видом цифровых схем являются логические ИС, выполняющие одну или несколько логических функций, простейшими из которых реализуются такие функции, как «И», «ИЛИ», «НЕ» и др.

Полупроводниковые ИС по конструктивно-технологическому принципу бывают биполярные, т. е. использующие биполярные транзисторы, и МДП, т. е. построенные на МДП-транзисторах. Кристаллом ИС называется структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов). В большинстве полупроводниковых ИС элементы располагаются в тонком (толщина 0,5 . 10 мкм) приповерхностном слое полупроводника. Так как удельное сопротивление полупроводника невелико (1 .10 Ом), а элементы должны быть изолированы друг от друга, необходимы специальные изолирующие области.

Элементы биполярных полупроводниковых ИС.

Типичная структура полупроводниковой ИС, выполненная по биполярной технологии, показана на рис. 6.1. В такой ИС отдельные элементы, сформированные в «карманах» с проводимостью n-типа, оказываются электрически изолированными друг от друга обратносмещенным p-n-переходом, для чего на подложку p-типа кремния подается отрицательный потенциал. Предварительно создаваемые локальные области (называемые «карманами») служат для исключения взаимного влияния активных и пассивных элементов и могут быть изолированы друг от друга кроме p-n-переходом диэлектриком или комбинированным методом с применением p-n-переходов и диэлектрика.

Рис. 6.1. Интегральная схема с изоляцией р-n-переходом:

а -- электрическая схема; б -- топология;

1 -- металлическое межсоединение; 2 -- слой SiO2;

А, Б, В, -- соответствующие друг другу точки на рис.6.1 а и б.

В качестве резисторов в биполярных ИС используют участки однородного полупроводника; в качестве конденсаторов -- обратносмещенные p-n-переходы. Индуктивность не создается в толще полупроводника, а может наноситься в виде спирали из металла на поверхности полупроводника.

Диоды и транзисторы, используемые в ИС, изготовляют по планарной технологии, то есть их выводы находятся на одной поверхности. Планарная технология позволяет в течение единого технологического процесса получать одновременно различные элементы.

При конструировании ИС стремятся применять диоды эквивалентные переходам эмиттер-база или коллектор-база транзисторной структуры. В этом случае диоды изготавливают в едином технологическом цикле с остальными элементами.

Соединение элементов в полупроводниковой ИС может осуществляться несколькими способами, основным из которых является нанесение металлических тонкопленочных проводящих дорожек (чаще всего алюминиевых), изолированных от элементов кристалла слоем диэлектрика, чаще всего оксида кремния SiO2; с помощью проволочных соединений.

Количество кристаллов ИС, получаемых в едином технологическом процессе на одной пластине, чаще всего кремния, зависит от размера кристалла, в свою очередь зависящего от количества элементов в схеме, и диаметра пластин. Площадь кристалла ИС в зависимости от ее сложности составляет 1 .100 мм2, наиболее распространены размеры 10 .50 мм2.

Элементы ИС на МДП-структуре.

В качестве активных элементов в ИС могут использоваться кроме биполярных полевые транзисторы со структурой «металл-диэлектрик (оксид)-полупроводник», т.е. МДП-транзисторы или МОП-транзисторы. В соответствии с этим все монолитные ИС разделяются на три основных вида: МДП ИС (МОП ИС), биполярные и биполярно-полевые ИС. МДП ИС могут быть реализованы на транзисторах с каналом p-типа (p-МДП ИС, p-МОП ИС) и каналом n-типа (n-МДП ИС, n-МОП ИС), а также на комплементарных, т. е. использующих одновременно p- и n-типы, МДП-транзисторах (КМДП ИС, КМОП ИС). Биполярно-полевые ИС представляют собой объединенные в одном кристалле биполярные и КМДП ИС (БиКМДП ИС, БиКМОП ИС).

Рис. 6.2. Схема полевого транзистора с резистором: а - эквивалентная схема; б - топология МОП-резистора

Основными элементами современных МДП ИС являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому в ИС на n-канальных МДП-резисторах достигается самая высокая (в 3-10 раз) степень интеграции, но они уступают биполярным ИС по быстродействию.

В комплементарных МДП ИС применяют МДП-транзисторы с индуцированными каналами n- и р-типа, для этих ИС характерна очень малая потребляемая мощность.

МОП-транзистор может использоваться в качестве конденсатора и резистора, при этом значение емкости и сопротивления можно изменять в определенных пределах путем изменения потенциала на управляющем электроде (т. е. на затворе).

В качестве резистора МДП-транзистор используется при Uзи=0, т. е. при этом сопротивление канала имеет наибольшее значение. Сопротивление между выводами стока и истока в этом случае обратно пропорционально отношению ширины канала b к его длине L, т. е. b/L. Эта зависимость позволяет проводить расчет топологии для получения необходимого сопротивления резистора.

На рис. 6.2 приведена схема МДП-транзистора, используемого в качестве резистора. Структура МДП-конденсатора показана на рис. 6.3. Диэлектриком в этом конденсаторе является термически выращенная пленка диоксида кремния SiO2. Одним из электродов является пленка напыленного металла на SiO2, являющимся диэлектриком, другим -- сильнолегированная n+-область кремния, лежащая под оксидом. Высокоомный n-слой и p-кремний подложки образуют изолирующий p-n-переход. Емкость МДП-конденсатора зависит прямо пропорционально площади и обратно пропорциональна толщине оксидной пленки. Уменьшение толщины оксидной пленки для получения емкости большей величины имеет ограничения, так как неоднородность структуры очень тонкой пленки может привести к замыканию обкладок конденсатора.



Рис.6.3. МДП-конденсатор

Изготавливают МДП ИС методами планарной технологии. Трудоемкость изготовления МДП ИС на 30% ниже, чем биполярных ИС, так как технологический цикл изготовления МДП ИС состоит из 22 основных операций, а биполярных ИС -- из 32.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение интегральной схемы.

2. Как различают ИС по технологии изготовления?

3. Расскажите о делении ИС по степени интеграции.

4. Как различают ИС по функциональному назначению?

5. Расскажите об элементах биполярных ИС.

6. Расскажите об элементах ИС на МДП-структурах.

Большие интегральные схемы

Общие положения.

Ранее говорилось, что большими интегральными схемами называют полупроводниковые ИС, содержащие более 103 элементов на кристалл.

Развитие современных технологических процессов изготовления ИС позволяет значительно уменьшать минимальные технологические размеры с одновременным увеличением размеров кристалла, т.е. создавать ИС с большой степенью интеграции, называемые большими интегральными (БИС).

...