Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Соответствующие лазеры называются инжекционными полупроводниковыми лазерами.Лазерное излучение может возникать в среде с так на$зываемой «инверсной населенностью» энергетическихуровней (см. курс физики средней школы). В полупровод$Часть 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ111никовом квантовом генераторе инверсная населенностьсоздается инжекцией носителей заряда в область, где ониявляются неравновесными.
Их индуцированный переходв равновесное состояние (рекомбинация) и создает лазер0ное излучение. Лазерное излучение в полупроводниковомквантовом генераторе наступает лишь при определенной величине прямого тока. Этот ток называется пороговым iпор (см. п. 4.12).P–nпереход способен преобразовывать не толькоэлектрическую энергию в световую (светодиод), но исветовую в электрическую. Этот эффект лежит в основе действия фотодиодов и различных фотопреобразователей, например элементов полупроводниковых солнечных батарей.Описанные фотоэлектрические свойства p–nперехо0дов используются в оптоэлектронике.
Более эффектив0ными для оптоэлектроники являются гетеропереходы(см. п. 5.1). Гетеропереходы образуются на границах раз0дела Si–Ge, GaAs–Ge, AlGaAs–GaAs и т. д. Особенно ши0роко используются в оптоэлектронике гетеропереходы наоснове соединений элементов III и V групп таблицы Мен0делеева.На рис. 5.10а представлена диаграмма энергетическихзон для двух неконтактирующих полупроводников с раз0личной шириной запрещенной зоны, например из0заабРис. 5.10Энергетические диаграммы:а — для двух неконтактирующих полупроводников; б — для p–nгете0роперехода на их основе в состоянии термодинамического равновесия;qjn и qjp — потенциальные барьеры для электронов и дырок в областигетероперехода.112НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьразличия состава. Именно на основе таких полупровод#ников могут создаваться гетеропереходы.
По положени#ям уровня Ферми EF видно, что слева расположен полу#проводник nтипа. Видно также, что этот полупроводникимеет меньшую ширину запрещенной зоны. Правая частьрис. 5.10а относится к полупроводнику pтипа с боль#шей шириной запрещенной зоны DEg1 < DEg2. Валентныезоны и зоны проводимости этих полупроводников пред#ставлены лишь верхней и нижней границами этих зон,которые обозначены соответственно EC1, EC2, EV1, EV2.Ширина запрещенной зоны левого полупроводника рав#на DEg1 = EC1 – EV1, а правого DEg2 = EC2 – EV2.На рис. 5.10б изображено положение тех же энерге#тических зон в состоянии термодинамического равнове#сия после образования гетероперехода. Видно, что уров#ни Ферми EF1 и EF2 одинаковы, а границы валентныхзон и зон проводимости слева и справа в области p–nперехода существенно деформировались.
Видно, чтои в зоне проводимости, и в валентной зоне возникаютскачки энергии, равные DEC и DEV соответственно. Этискачки связаны с неодинаковостью ширины запрещен#ной зоны первого и второго полупроводников. Если DEg1и DEg2 становятся одинаковыми, то энергетическая диа#грамма, представленная на рис. 5.10б, совпадет с диа#граммой для обычного p–n#перехода, т. е. скачки DECи DEV обратятся в ноль.В гетеропереходе претерпевают скачки и другие па#раметры полупроводников: ширина запрещенной зоны,подвижность носителей заряда, их эффективные массыи т. д. Скачкообразное изменение свойств полупроводни#ка на гетеропереходе дает возможность целенаправленноуправлять этими свойствами путем подбора сопрягаемыхполупроводниковых материалов.
Поэтому гетероперехо#ды используются для совершенствования существующихполупроводниковых приборов и создания принципиаль#но новых приборов различного электронного и оптоэлек#тронного назначения.Гетероструктуры находят широкое применение и внаноэлектронике (см. гл.
7–9).Часть 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ1135.5.Р–NПЕРЕХОДКАК СХЕМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИМСИзложенное в п. 5.2 показывает, что p–nпереходу присущи многие схемные свойства и он может использоваться для формирования на одном кристалле функционально различных схемных элементов. Однако эта особенностьp–nперехода приводит к существенному технологическому выигрышу лишь при условии одновременного формирования на кристалле сразу всех необходимых для ИМСp–nпереходов, т. е. при групповой технологии. Групповая технология легко реализуется в так называемом планарном варианте изготовления элементов ИМС.
В планарной технологии элементы изготавливаются либо на общейплоской поверхности, например в виде токопроводящихтонкопленочных дорожек, либо в весьма тонком приповерхностном слое кристалла (диоды, транзисторы). Длятакой технологии необходимо придать планарность конструкции диодов и транзисторов.При описании конструкции элементов ИМС и самойинтегральной микросхемы используются ее изображенияв виде структурной и топологической схем. Структурнаясхема ИМС — это ее изображение в разрезе, а топологическая — в плане.На рис.
5.11а,б представлен участок ИМС, на которомрасположен планарный полупроводниковый резистор.На рис. 5.11 виден p–nпереход, ограничивающий планарный резистор. Сопротивление резистора определяетсяабРис. 5.11Структурная (а) и топологическая (б) схемы участка ИМС, содержащего планарный резистор в виде прямоугольной робласти, сформированной в nкристалле (штриховкой обозначен диэлектрический слой):d — ширина токопроводящей дорожки.114авНАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьбРис.
5.12Структурные схемы емкости (а), диода (б) и транзистора (в) в планарном исполнении:К — контакт к коллектору, Б —к базе, Э — к эмиттеру.удельным сопротивлением робласти и ее размерами h,l, Dl. Токопроводящие дорожки соединяют резистор с другими элементами ИМС. Аналогичным образом могут бытьпредставлены любые участки ИМС, выполненной в планарном варианте.На рис. 5.12 приведены структурные схемы планарного конденсатора (а), диода (б) и транзистора (в).Структура планарного транзистора (рис. 5.12в) включает эмиттер ртипа, окружающий его эмиттерный p–nпереход и эмиттерный контакт (на рис.
5.12в обозначенбуквой «Э»). Ниже расположена база nтипа, окруженнаяколлекторным p–nпереходом, и коллектор ртипа. Транзистор и другие элементы расположены в ИМС столь близко друг от друга, что могут взаимным влиянием неконтролируемо искажать характеристики друг друга.
Поэтомув ИМС каждый элемент изолируется от другого. Технологически наиболее простой является изоляция с помощьюдополнительного p–nперехода (ИП на рис. 5.12), образующего область, называемую изолирующим «карманом».Использование изолирующих карманов — самый распространенный метод ослабления взаимного влияния соседних элементов при работе ИМС.На рис. 5.13 приведена структурная схема функционального узла ИМС в планарном исполнении, включающая несколько схемных элементов, размещенных в изолирующих карманах (I–IV).Из рис. 5.13 видно, что все элементы данного узла выполнены на основе p–nпереходов.
Видно также, каким образом соединены между собой отдельные элементы ИМСтокопроводящими дорожками 1, 2, 3, 4, 5, 6. Две токопроЧасть 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ115водящие дорожки (2 и 3) взаимно перпендикулярны и пе$ресекаются. Их замыкание устраняется наличием междуними изоляционного слоя. Система подобных токопрово$дящих дорожек называется двухуровневой.
В сложных со$временных ИМС соединение между элементами являетсямногоуровневым. Использование p–n$переходов для фор$мирования всех схемных элементов ИМС существенно уп$рощает их технологию. Дальнейший технологическийпрогресс достигается использованием в ИМС схемныхэлементов одного типа, например транзистора. Подоб$ные структуры называются однородными транзисторнымиструктурами. Используя соответствующую систему меж$соединений, можно превратить однородную структуру в туили иную конкретную ИМС.
На рис. 5.14 показано, как этореализуется для схемного узла, изображенного на рис. 5.13.На рис. 5.14 во всех четырех изолирующих карманах(I, II, III, IV) сформированы транзисторы. Первый транзистор использован в качестве емкостного элемента,второй — в качестве диода, третий работает по прямому назначению, а четвертый использован в качествеРис. 5.13Структурная схема функционального узла ИМС, содержащегоемкость С, диод Д, транзистор Т и резистор RРис. 5.14Схемный узел, изображенный на рис. 5.13, выполненный на основеоднородной транзисторной структуры:d — ширина токопроводящих дорожек, направленных перпендикуляр$но рисунку.116НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьрезистора.
Отметим, что в реальных ИМС на однородныхтранзисторных структурах все значительно сложнее, чемэто представлено на рис. 5.14. Упрощенная схема рисун+ка поясняет лишь общий принцип использования указан+ных структур и технологические преимущества форми+рования ИМС на их основе.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ1. Что такое полупроводниковая структура? Какие виды полу+проводниковых структур вы знаете?2. Какие полупроводниковые структуры положены в основу ИМСи оптоэлектронных приборов?3. Что такое p–n+переход? Как распределены доноры и акцепто+ры вблизи p–n+перехода?4.
Как распределены концентрации электронов и дырок, а такжеобъемного электрического заряда вблизи p–nперехода? Чемобусловлены емкостные свойства p–n+перехода?5. Чем обусловлены резистивные свойства p–n+перехода?6. Благодаря каким процессам возникает потенциальный барьерв области p–n+перехода?7. Объясните, как связан эффект выпрямления p–n+переходом пе+ременного электрического тока с несимметричностью потен+циального барьера в слое объемного заряда.8. Запишите диодное уравнение и постройте на его основе вольт+амперную характеристику p–n+перехода.9.
Опишите эффект инжекции неравновесных носителей зарядачерез p–n+переход. Что такое диффузионная длина неравно+весных носителей заряда?10. Объясните механизм усиления электрического сигнала бипо+лярным транзистором.11. Объясните механизм излучения света p–n+переходом, вклю+ченным в прямом направлении.12. Что такое топологическая и структурная схемы интегральноймикросхемы?13. Нарисуйте и поясните структурную и топологическую схемупланарного резистора, конденсатора, диода и биполярноготранзистора.14. Какие особенности p–n+перехода позволили создать высокоэф+фективную групповую технологию ИМС?15. Какие технологические преимущества при формировании эле+ментов ИМС даст использование однородных полупроводни+ковых структур?ЧАСТЬ ТРЕТЬЯНАУЧНЫЕИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕОСНОВЫНАНОЭЛЕКТРОНИКИ•6•ПРЕДПОСЫЛКИ ПЕРЕХОДАОТ МИКРОК НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ6.1.ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯНаноэлектроника — новый этап развития электроники(см.
п. 4.1). Движущая сила развития электроники остается прежней — требование повышать быстродействиеи надежность, снижать энергопотребление, габариты истоимость информационных систем и устройств. Дляпродвижения на этом пути необходимо уменьшать размеры элементов ИМС.В настоящее время микроэлектроника позволяет создавать элементы наноразмеров, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
