Крутогин - Материалы и компоненты микроэлектроники (1074334), страница 3
Текст из файла (страница 3)
деформацию. А19деформация в упругой решетке кристалла порождает напряжения по законуГука,что может привестив неблагоприятных случаяхк генерациидислокаций* в кремнии.Нагревостойкость. При повышенных температурах в материалахвозможныразличныепроцессы:встеклах-размягчение,вполупроводниках и металлах - легче возникают и движутся дислокации, впластмассахразрушаются (рвутся) молекулярные связи (т.е. происходятнеобратимые изменения в материале).Следовательно, нагревостойкость - свойствоматериала сохранятьсостав и структуру при повышенных температурах.Стойкость к термоудару без разрушенияRтувE(4)- сложное термомеханическое свойство.
Для металлов этот параметр весьмазначителен, для хрупких керамик - не очень, кварц и ВеО ( брокерит) рекордсмены.Пример. Сделать радиолампу без стекла или керамики нельзя, аэлектроды лампы за доли минуты после включения нагреваются до сотенградусов. На границе вывод лампы - диэлектрик кратковременно возникаютзначительные напряжения,которые не должны разрушить диэлектрик,потому что даже ничтожные микротрещины со временем нарушат вакуумвнутри лампы и приведут к ее отказу.Электрические свойства материалов20Электрон в вакууме - электрон в атоме - свободный электрон в твердомтеле - в принципе три разных физических объекта.Электрон в вакуумеускоряясь под действием электрического поля может получить любоезначение энергии.
Для свободных электронов в твердом телерасщепленииатомных уровнейпривозникает понятие зоны разрешенныхзначений энергий (валентной зоны) У металлов валентная зона заполнена неполностью, валентные электроны металла могут повышать свою энергию засчет внешнего электрического поля и двигаться, наращивая кинетическуюэнергию Е=mV2/2.
Поэтому проводник и при 0К – остается проводником.В полупроводниках и диэлектриках валентная зона заполнена донекоторого предела Ev –а далее лежит зона запрещенных значений энергиидля электронов - Е (Еg)* Природа запрета - квантовомеханическая и здесьне обсуждается. Ближайшая зона, где есть свободные уровни энергии - зонапроводимости, но попасть в нее может только электрон с энергией, большейзначения Е с. Для полупроводников зазор энергий Ec - Ev =0,1у диэлектриков ЕgЕg3,0 эВ ,3 эВ, но деление материалов на полупроводники идиэлектрики только по ширине запрещенной зоны условно, и позже будетуточнено.Металлы имеют высокую концентрацию свободных электронов n e102122см3 , т.е.
почти каждый атом металла легко отдает один электрон прилюбой температуре. Полуметаллы (например – висмут) расстаются сэлектронами труднее – в среднем лишь один атом из тысячи отрывает отсвязей валентный электрон. Полупроводники ведут себя по-разному: принормальных условиях концентрация* ne ~ от 1010 до 1020 см-3 , это зависит отмногих обстоятельств ( внутренних: Еg, структураили внешних:температура, облучение и т.п.).В некоторых пределах концентрация свободных электронов*EgnCe 2 kT(5)218.10-5 эВ/К ( при Ткомн =300К , kTгде: k0,024 эВ ),С - константа порядка атомной плотности( 1022 –1023 см-3 ) .Оценка по формуле (5) дает ne для узкозонных полупроводников порядка101920эл/см3 , для широкозонных – (Еg =2,5-3 эВ)ne10-4 эл/см3 ( всего100 электронов в кубометре полупроводника! ), т.е.
в широкозонномполупроводнике почти нет свободных носителейи его можно считатьизолятором или полуизолятором.Подвижность* - скорость направленного ( дрейфового) движениясвободных носителей заряда в единичном электрическом полесм / секV[В / смEгдеe- в металлахполупроводникахсм 2]В сек(6)10 (обратите внимание - весьма невелика!) ; в103 - 105 ; подвижность ионов (а электронов там почтинет) в твердом диэлектрике 10-2 10-7 (мизерна!).О подвижности–подробнее в разделе ПОЛУПРОВОДНИКИПроводимостьУдельная проводимость=ne,и будем пока считать, что понятия n и(7)относятся к электрону,е - зарядэлектрона - 1,6.10-19 К .Тогда(удельное сопротивление ) = 1/ [ Ом.см ]Наименьшее известное значениеОм.см ( у серебра)при обычных температурах - 10-6наибольшее -1020 Ом.см (фторопласт) Следовательно, вэлектронике мы имеем разбег этого электрического параметра известныхнам веществ на 26 порядков!22Для проводящих и резистивных тонких пленок используют понятие«поверхностное сопротивление «s=/ [Ом], где - толщина пленки.Электроны и дыркиВажная особенность электрических свойств полупроводников –существование двух типов носителей.
Переход собственного валентногоэлектрона с орбиты связей в свободное состояние одновременно порождаети второй носитель заряда – дырку*.Дырка – квазичастица,она отражает факт отсутствия электрона внекоторых ковалентных химических связях. В отличие от электрона извлечьдырку из полупроводника и обследовать как реальный физический объект нельзя! В металлах ковалентные компоненты связей не отдают электроны взону проводимости, поэтому дырок в металлах нет. Хоть дырка и являетсяквазичастицей – в полупроводниках она ведет себя как реальный свободныйноситель заряда, характеризуется собственной подвижностьюp,обычноменьшей, чем у электрона, собственной эффективной массой и эффективнымположительным зарядом “+е”.
Концентрацию дырок принято обозначать p,подвижностьр.Оптические свойства материаловЭти свойства важны для материалов оптоэлектроники, т.е. таких, гдеэлектрический сигнал преобразуется в оптический или наоборот.Но не менее важны эти свойства для анализа электрических свойствполупроводников и диэлектриков.
Оптическое излучение поглощается вполупроводниках и может создавать пару носителей заряда, т.е. изменятьэлектрическое состояние материала.Свет, падающий на твердое тело, частично отражается, частично проходит, частично поглощается ( рисунок 9 ).23Рисунок 9 – Взаимодействие света с веществомСоответственноэтимявлениямимеютсятриоптическихкоэффициента - поглощения, отражения, пропускания. На шероховатыхобразцах возможно рассеяние за счет отражения.Коэффициент поглощенияIIoe kl ,[см-1].Определяется из формулы(8)т.е. k - обратная величина расстояния l, проходимого светом в веществе, накотором начальная интенсивность света I0 ослабевает в е раз.
Для вакуумаk = 0, для металлов105. Несмотря на столь большое поглощение, в оченьтонких (доли микрометра!)слоях даже металлы немного пропускают свет.Пропускание оценивают как Т= I/Io , под интенсивностью света понимают число квантов, проходящих через единицу площади материала вединицу времени. Поскольку квант - это энергия, размерность интенсивности - I [Вт/м2] , а пропускание Т- выражается обычно в %.Коэффициенты k и T зависят от длины волны падающего излучения.Окна прозрачности есть в каждом материале. Рисунок 10 показываетзависимость коэффициента пропускания в кремнии от длины волны. Как24видно слаболегированный кремний достаточно прозрачен в инфракрасном(2-15мкм) оптическом диапазоне.Рисунок 10 – Спектральное пропускание кремния толщиной 0,5 мм судельным электрическим сопротивлением 150 Ом.смКоэффициент отражения определяетсяRI отрIoкак(9)и тоже зависит от длины волны, Для металлов R = 0,80,97, природавысокой отражающей способности металлов определяетсявысокойконцентрацией свободных электронов.Обобщение электрических свойств полупроводников1) все полупроводники с неискаженными валентными связями диэлектрики!.Для созданияпроводимости нужны свободные носителизаряда ( а они должны быть оторваны от связей!) и их направленное ( общее,кооперативное) движение.
Причины этого движения - либо приложенноевнешнее электрическое поле, либо градиент концентрации носителей (тогдаэто диффузия носителей );252) принципиальной разницы между полупроводником и диэлектрикомпока не введено. При0 Клюбой беспримесный полупроводник==диэлектрик;3) понятия донорныйили акцепторный полупроводник* относятсятолько к примесным полупроводникам. ( Идеально чистые полупроводники всегда собственные*). Вводимая или остаточная (фоновая) примесь можетвлиять или не влиять на проводимость, но на какие-то иные свойства всетаки влияет. Если концентрация примеси меньше 10 10 - 1011 ат/см3 - сегодня,на нынешнем уровне наших инструментальных возможностей, почти невозможно определитьмеру еѐ влияния на свойства полупроводника.Свойства металлов и диэлектриков гораздо менее критичны к примесям,концентрация примеси 1016-1018 ат/см3уже практически не влияет на ихсвойства.
Чувствительность к примесям – особенность полупроводников.4) подвижность - характеристика движения свободного носителя зарядаво внешнем поле. Это понятиеприменимо к токам в металлах,полупроводниках и диэлектриках, но наиболее важно в полупроводниках2. П О Л У П Р О В О Д Н И К ИПолупроводники – материальная основа современной радиоэлектроники, а также еѐ ближайшего будущего.Основные признаки полупроводников :1) диапазон удельных сопротивлений= 10-4 10+9 Ом.см ,но не этоглавное.
В этих же пределах могут быть значенияу некоторыхдиэлектриков, у металлов;2) Удельное сопротивление полупроводников можно изменять вшироких пределах (до 1034раз), этого нет у металлов и диэлектриков. Вдиэлектриках нет электрически активных примесей;263)у полупроводников резко (на порядки!) меняется при подводевнешней энергии: такой как излучение, тепло, радиация, механическиенапряжения.
Эта особенность проявляется только у полупроводников;4) температурная зависимостьполупроводников отлична от таковойдля металлов;5) при высокой химической чистоте и структурном совершенствесвойства многих полупроводников однозначны и предсказуемы. Этооблегчает расчеты и проектирование приборов на полупроводниках,позволяет в одном процессе изготовлять тысячи и миллионы идентичныхкомпонентов.Собственная проводимостьЭлектроны внешних атомных орбиталей, занятые в образованиихимической связи с соседними атомами называются валентными.Квантэнергии , взаимодействуя с молекулярными орбиталями, может в некоторыхслучаях разорвать связующую орбиталь и выбить один из ее электронов.Этот электрон станет свободным носителем заряда.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
