Крутогин - Материалы и компоненты микроэлектроники (1074334), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Но онирассеиваются на дефектах и колебаниях решетки, на электрических поляхпримесных атомов ( в том числе на глубоких примесных центрах). И потомуносители в целомдвижутся с некоторой постоянной для данного поляскоростью (подобно телу, падающему в вязкой среде). Постоянная скоростьдвижения носителейназывается дрейфовой , но не забываем, что уносителей есть еще и тепловая компонента скорости, в среднем гораздо36большая по модулю, чем дрейфовая, и хаотически направленная по вектору.Тепловая скорость тоже способствует их рассеянию.μ – отношениеносителей является подвижностьОценкой дрейфадрейфовой скоростиносителей к вызывающей их движение напряженности поля Е:vE( 12 )const.Быстродействие основного прибора электроники-транзистора определяется временем, за которое носитель заряда преодолеет его среднюю(базовую или подзатворную) область.
Поскольку обычноn>pтранзисторытипа n-p-n в принципе более быстродействующие, чем p-n-p . В некоторыхполупроводникахn >>чем в кремнии, например, в GaAs в шесть раз , в InSb– вообще в десятки раз, нолишь при слабом уровне легирования.Материалы с высокой подвижностью в принципе перспективны для созданиябыстродействующих(высокочастотных) приборов.При глубоком охлаждении тепловые колебания решетки затухают ирастет, достигая максимума около температуры кипения азота ( 77 К ).
Придальнейшем понижении температуры большее значение имеет рассеяниеносителей на заряженных примесных центрах, которое возрастает по мереуменьшения тепловой компоненты скорости движения носителей.Время жизни неосновных носителейРанеерассматривалисьпроцессыгенерацииирекомбинациисвободных носителей. В полупроводнике любого типа в равновесномсостоянии np = ni2.Если одномоментно ввести извне энергию, или заряд,возникнут избыточные носители, которые через некоторое время либорекомбинируют, либо осядут (будут захвачены) на глубокие примесныеуровни, где тоже сравнительнобыстро рекомбинируют.
Пока эти37избыточные носители существуют, ониназываютсяСкорость их рекомбинации характеризуют временем жизниdndt( n no )неравновесными., за котороеt;n(t )nc e( 13 )в е раз убывает избыточная концентрация nc (тоже касается и рс). При этомв примесном полупроводнике относительно резко изменяется концентрациянеосновных неравновесных носителей, концентрация же основных поабсолютному значению меняется точно также, но по относительномусравнительно мало. Поэтому - называется временем жизни неосновныхносителей заряда (оно бывает порядка единиц – сотен мксек). Если велико,значит рекомбинация затруднена, нет заряженных дефектов, нет примесныхцентров, откуда косвенно следует, что данный материал чист и структурно,и химически.
На рис.17 показано изменение концентрации носителей вполупроводнике под действием света и после его выключения.Рисунок 17 – К определению времени жизни – нарастание и спадконцентрации неравновесных носителей в полупроводникепри его освещении. Все события на этом рисунке протекают за тысячную долю секунды38Рекомбинация бывает объѐмная и поверхностная. На поверхностикристалла всегда больше возможностей для рекомбинации (поверхностныепримеси - загрязнения, адсорбированные атомы, приповерхностные дефектыструктуры ). Поэтому истинное значение время жизнилучше измерять набольших образцах (чем больше образец, тем меньшев нем рольповерхности).За среднее время жизни неравновесные неосновные носители могутпробежать по кристаллу некоторое расстояние l – называемое диффузионнойдлиной. Зная коэффициент диффузии носителей D можно связать эти трипараметраl( 14 )D .Например, в эффективном фотоприемнике нужно, чтобы возникшие уповерхности прибора под действием света неосновные носители успели ( дорекомбинации, которая для них весьма вероятна) пробежать до n-p перехода–значит в материале приповерхностного слояжелательнабольшаядиффузионная длина .
Значения коэффициента диффузии электроновDSi = 36 см2/с,DGe = 100 см2/с . Для германия с =1мксек диффузионнаядлина около 1мм.Кремний – основной материал полупроводниковой электроникиБлагодарярыхлойкристаллическойструктуреичетыремнаправленным химическим связям кремний имеет ряд важных преимуществ,объясняющих его широкое применение.Функциональные свойства:а) оптимальное значениеg, и рабочей температуры tрабб) большой диапазон возможных значений= 10-3120оС;105 Ом.см39(последнееблизкокрасчетномузначениюсобственнойпроводимости);в) оптимальная Тпл =14170С, не слишком высокая, допускает плавлениекремния в кварцевом тигле,не слишком низкая- обеспечивает высокуюскорость диффузии примесей при 1100-12500Сг) малая плотность ( 2,3 г/см3) , низкий ТКЛР 3.10-6 К-1;д) сравнительно высокая теплопроводность ( до 140 вт/К., как у Fe);е)тензочувствительностьвеличиныупругойж)сравнительно высокая растворимость примесей прималых-зависитотдеформации;искажениях решетки, прямое следствие рыхлой решеткиТехнологические свойства:а) пассивирующая способность оксида SiO2.
Оксидная пленка наповерхности кремния плотная, она труднопроницаема для диффузиипримесей и естественных загрязнений. Оксид SiO2 на поверхности кремниябыстро образует тонкий слой даже при комнатной температуре; приповышенных температурах(800-1000 оС ) достаточно быстро растут толстыеслои SiO2б) наличие удобных для переработки соединений – хлоридов игидридов; глубокая очистка их не требует высоких температур.в) SiO2 – кварц – прочный высокочистый контейнерный материал длявсех этапов кремниевойминимальноетехнологии. Такой контейнер обеспечиваетзагрязнение посторонними примесями, наиболее часто–кислородом( из материала тигля при выращивании), который тоже иногдаполезен как геттер (геттер - примесь, связывающая другие примеси идефекты в пассивные комплексы)г) Si3N4 и SiC- полезные соединения кремниядля электрическойзащиты кремния и упрочнения графитовой технологической оснастки;40д) возможность гомоэпитаксии* (наращивания слоев кремния накремний) и гетероэпитаксии* Si на Al2O3(сапфир);е) кремний - распространенный элемент в природе , его доступноесырьѐ -SiO2 и другие силикаты составляют 26% массы земной коры;ж)кремний реализован и интересен во всех структурных формах:кремниймонокристаллический,поликристаллическийиаморфный.Поликристаллический – может выполнять функции проводника и контакта.Аморфный – перспективен в солнечной энергетике.Основные технологические операции получения полупроводниковогомонокристаллического кремния приведены на рисунке 18.Бестигельный Кремний Электронный -БКЭ - ( достоинство кремния,полученного бестигельной кристаллизацией в том, что он же и бескислородный!).
Отлаженные технологии обработки кремния и свойствотензочувствительности в последние годы определили его применение вмикромеханике, как эффективного материала для датчиков давления иливибрации . Примеры кремниевых микромеханических деталей см .нарисунке 19.Один реальный недостаток Si – низковата подвижность электронов(1400 см2 /в.сек) и дырок (470 см2 /в.сек). Из-за этого для сверхскоростныхприборов и микросхем приходится подбирать другие материалы.Другие полупроводники для РЭАОграничимсявэтойтемедвумяпримерами:германийиполупроводниковые соединения класса АшВvГерманий--первый систематическиосвоенный элементарныйполупроводник.изученный итехнологическиНадежные и миниатюрныеточечные диоды на кристаллах германия получены еще 70 лет назад, первыетранзисторы – 60 лет назад.
Удобная, сравнительно низкая Тпл ( 9400С ),эффективная зонная очистка от большинства примесей позволила получить41германийвсостояниисобственнойпроводимости.Нодлямикросхемотехники германий не пригодился – в нем низкие скоростидиффузии примесей, поэтому трудно формировать легированные области,нет пассивирующего окисления (образующийся оксидGeO2не создаетзащитного слоя на поверхности ).Рисунок 18 – Упрощенная схема производства полупроводниковогокремния42Рисунок 19 - Мембраны и консоли, полученные травлениеммонокристаллического кремнияЗатоGe активно используется в инфракрасной (ИК)-оптикеиоптоэлектронике – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и большиеИК-линзы.
Без особых сложностей из Ge можно получить кристаллыдиаметром 300-400 мм.Недостатки германия– низкие рабочие температуры приборов 40-50оС( предел 70оС), рассеянный, дорогой, дефицитный материал (в малыхконцентрациях германий встречается в отходах переработки полиметаллов,в золах некоторых углей).АшВv - стехиометрические соединения с большой вариативностьюсвойств.Типхимической связи - ковалентная гетерополярная.Средисоединений этого класса есть узкозонные ( 0,18 - 0,36 ev), есть широкозонные( AlAs , GaP, GaAs – 2,4 – 1,4 ev ), прямозонные ( GaAs , InP ) инепрямозонные ( GaP и др.), с высокой ( InSb , InAs , GaSb ) и невысокойподвижностью носителей. Все они кристаллизуются в решетке ZnS ( сфалерит, вюртцит ) с близкими параметрами решетки ( 0,54 – 0,61 нм ).Поэтому реализованы многие их тройные и четверные твердые растворы сдополнительным набором свойств.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
