Тема №2 (Конспект лекций)

Глава 2. Общие сведения о полупроводниках

Развитие твердотельной электроники тесно связано с успехами физики и химии полупроводниковых материалов. По удельному сопротивлению ρ полупроводники занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Для полупроводников ρ 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 ρ 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 ρ 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 τ 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: ρ — удельное сопро­тивление; ∆ε— ширина запрещенной зоны; n- или p-концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок); δ — плот­ность дислокаций; L — диффузионная длина; τ — 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 Å, для Si —543 Å.

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 δ определяется как отношение общей длины линий дислокаций к объему образца. Для изготовления полупроводниковых приборов применяют Ge и Si с плотностью дислокаций δ, не превышающей 10⁴ на 1см², причем для разных типов приборов существует свое предельное значение δ. 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.