Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 6

Примесные атомы (рис. 2.3, в) могут располагаться либо в междуузлиях решетки (примесь внедрения — 1), либо в самих узлах — вместо основных атомов (прилсесь замещения — 2). Последний вариант более распространен. Дислокации, т.е. смещения плоскостей решетки, бывают линейные (краевые) и виптовьсе (спиральные). Первые — результат неполного (не по всей глубине) сдвига решетки: появляется незаконченная полуплоскость атомов (рис.

2.4, а). Вторые— результат полного (по всей глубине) сдвига некоторого участка решетки (рис. 2.4, б). Рнс. 2лк Дислокации в кристаллической решетке: а — линейные; З вЂ” винтовые Наличие дислокаций приводит к дефектам ИС. Поэтому количество дислокаций на пластине полупроводника ограничивают. Предельным случаем беспорядочных дислокаций можно считать поликристпалл, состоящий из множества монокристаллических зерен (микрокристаллов) с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу. В поликристаллах отсутствует регулярность структуры и свойственная ей анизотропия свойств. Поэтому поликристаллы не стали основой для наиболее ответственных — активных элементов ИС и играют в микроэлектронике вспомогательную роль. Кроме поликристаллическнх (зернистых) твердых тел, существуют аморфные, т.е. совершенно однородные, бесструктурные.

Из-за плохой воспроизводимости и стабильности свойств 2.2. Структура полукровопкнков аморфные полупроводники на практике находят лишь узкоспециальное применение. Помимо дислокаций, в пластинах полупроводника имеют место макроскопические дефекты: микротрещины, поры (пузырьки) и т.п. Все это — потенциальные причины брака в ИС. Поверхность кристалла. У атомов, расположенных на поверхности кристалла, часть ковалентных связей неизбежно нарушается из-за отсутствия «соседей» по другую сторону границы раздела. Количество нарушенных связей зависит от кристаллографической ориентации поверхности.

Например, для кремния в плоскости (111) оказывается оборванной одна из четырех связей, а в плоскости (100) — две (рис. 2.5). ()!!) пас) а) б) Рнс. 2.5. Нарушение ковалентных связей на поверхности кристалла: а — в плоскости (100), 6 — в плоскости (111) Нарушение ковалентных связей влечет за собой нарушение энергетического равновесия на поверхности. Равновесие восстанавливается разными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое, т.е.

структура элементарных ячеек кристалла; может произойти захват — адсорбция — чужеродных атомов из окружающей среды, которые полностью или частично восстановят оборванные связи; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т.п. В любом случае структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров и менее) отличается от структуры основного объема кристалла. Как следствие, электрофизические параметры приповерхностного слоя заметно отличаются от параметров объема, причем этот вывод не зависит от того, граничит ли кристалл с вакуумом, воздушной средой или другим твердым телом.

Поэтому приповерхностный или граничный слой (часто говорят просто — поверхность или границу) следует рассматривать как особую область кристалла. Эта область играет важную роль в Глава 2.Полупроводппкп микроэлектронике, поскольку элементы планарных ИС расположены непосредственно под поверхностью, а размеры рабочих областей часто соизмеримы с толщиной граничных слоев.

Поверхность кристалла, разумеется, может быть загрязнена самыми различными веществами: остатками кислот или щелочей, использованных при ее обработке, жировыми пятнами и т.п. 2.3. Носители заряда Электропроводность имеет место в том случае, когда имеются свободные носители заряда, которые могут перемещаться под действием электрического поля или градиента концентрации.

Рассмотрим происхождение свободных носителей заряда в полупроводниках. Беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой называют собственным полупроводником. При температуре абсолютного нуля в нем нет свободных носителей заряда и он является идеальным изолятором. По мере нагрева в кристалле возникает колебательное движение узловых атомов решетки. В корпускулярной интерпретации носителями энергии механических колебаний решетки являются квантовые частицы фоконы — аналоги световых фотонов.

С повышением температуры кристалла количество н энергия фононов возрастают и они разрывают ковалентные связи между атомами решетки. При этом одновременно образуются свободные электроны и незаполненные связи — дырки вблизи того атома, от которого оторван электрон (рис. 2.6). Процесс образования электронно-дырочных пар под действием фоканов носит название термогенерации. Незаполненная связь заполняется одним из валентных электронов смежного атома. На месте этого электрона образуется новая дырка„и этот процесс повторяется. Следовательно, дырка ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом.

Это очень удобное представление позволяет рассматривать электрический ток в полупроводнике состоящим из двух компонент — электронного и дырочного, при этом используются одинаковые, давно известные из электротехники выражения. Правда, некоторые параметры носителей заряда оказываются разными. 21 2.2. Носители заряда Свободный электрон Свободная дырка Свободный электрон фон Дырка Связанный электрон б) э) Ркс. 2.7.

Замещение примесныыи атомами основнмл атомов решетки: о — донорная примесь (образуются свободный электрон и неподвижный положительный ион); 6 — зкцепторная примесь (образуются свободная дырка и неподвижный отрицательнЫй ион) Рнс. 2.6. Процесс образования дырки Нарушение ковалентных связей и генерация пар электрон-дырка могут происходить как под действием фононов, так и других квантов энергии, например, под действием света, рентгеновских и у-лучей.

Специфика этих факторов по сравнению с нагревом состоит лишь в том, что их действие локальное: оно ограничено по глубине проникающей способностью, а по поверхности — площадью пучка. Иначе говоря, облучение полупроводника эквивалентно его локальному нагреву. Если площадь пучка превышает размеры кристалла н кристалл достаточно тонкий (прозрачный для излучения), то результат облучения по существу такой же, как при нагреве. Проводимость собственного полупроводника, обусловленную парными носителями теплового происхождения, называют собственной проводимостью. Проводимость, обусловленную наличием примесных атомов, называют примесной проводимостью. Примеси, характерные для кремния, являются примесями замещения.

Если ввести в кремний атом пятивалентного элемента (например, фосфора„сурьмы или мышьяка), то четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят в связь с четырьмя влектронами соседних атомов кремния (рис. 2.7, а) и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон 32 Глава 2. Полукроводиикн в этой комбинации оказывается слабо связанным е ядром пятивалентного элемента; он легко отрывается фононами и делается свободным. При этом примееный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом.

Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам. Поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или и типа. Примеси, обусловливающие электронную проводимость, называют донорными. Если ввести в кремний атом трехвалентного элемента (например, бора, галлия или алюминия), то все три его валентных электрона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния (рис. 2.

7, б).Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки нужен дополнительный электрон. Таковым оказывается один из валентных электронов, который отбирается от ближайшего атома кремния. В результате образуется незаполненная связь — дырка, а атом примеси превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом. Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, так что проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называют дырочными или р-типа'.

Примеси, обусловливающие дырочную проводимость, называют акцеп торными. Отрыв «лишнего» электрона от донора и «недостающего» электрона для акцептора требует некоторой энергии — энергии ионизации или активации примеси. Поэтому при нулевой температуре Т = 0 К ионизация не имеет места, но в рабочем диапазоне температур (от — 60 'С и выше) и, в частности, при комнатной температуре (Т = 15 — 2б 'С) примееные атомы ионизированы практически полностью. Поскольку в примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок резко различны, принято называть носителей преобладающего типа основными, а носителей другого 1 Буквы л (от леве(«ее) и р (от ром«ге«) общеприняты в полупроводниковой физике и технике для обозначения величин, связанных соответственно с электро.

нами н дырками. Для величин, характеризующих собственный полупроводник, используется буква г (от ииояюс). 33 3.4. Энергетические уровви и зовы типа — неосновныяи. В полупроводнике л-типа основные носи- тели — электроны, а в полупроводнике р-типа — дырки. 2.4. Энергетические уровни и зоны Количественный анализ полупроводников и полупроводниковых приборов базируется на ванной теории твердого тела.

Зонная структура. Твердое тело представляет собой множество атомов, сильно вэаиэзодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому, твердое тело характеризуется совокупностью энергетических эон. Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости, нижняя — валентной зоной. В полупроводниках и диэлектриках они разделены запрещенной зоной. Отличие диэлектриков от полупроводников состоит главным образом в значительно большей ширине запрещенной зоны.