Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 45
Текст из файла (страница 45)
2.1, б). Кристаллическая структура типа цинковой ооманки имеет специфические особенности. При разделении кристалла по плоскости (1! 1) в направлении стрелок в верхнем слое располагаются атомы Са, а в нижнем — атомы Ав. Это свойство широко используе~ся в процессах при эпитаксиальном выращивании и трав. ленин. Структура кристаллической решетки имеет дефекты и дислокации. Различают лгочвчвыв дефекты в виде пустого узла (вакансия) или междоузельного атома а также лрилгвспыв дефекты в виде примеси внедрения или примеси замещения. )(ислокации бывают лвлейггые (краевые) и воншовыв (спиральные]. Помимо дислокации н дефектов, в полупроводниковых крис~аллах могу~ иметь место микротрещины, порьг пузырьки и т.
д. Все эти неоднородности кристаллов приводят к браку при произволстве интегральных схем. Поэтому получению бездефектных полупроводниковых структур уделяется большое внимание. При наличии дефектов на поверхности кристалла у приповерхностных атомов кристал~ . ла нарушаются ковалентиые связи из-за отсутствия следующих слоев а~омов. Нарушали ие ковалентных связей приводит к нарушеншо энергетического Равновесия на поверлнос™ Это может привести к захвату чужеродных атомов из окружающей среды — адсорбцгт ии г11 а Физика полупроводниковых структур или к частичному восстановлению оборванных связей и образованию. например, окислов. Такая поверхность не может быть использована в микроэлектронном производстве.
атруктура тонкого приповерхностного слоя резко отличается от структуры основного объема кРисталла. Г'Раничнзве слои игРают важнейшУю Роль пРи создании интегРальных схем. атруктура полупроводникового материала может изменяться искусственно по нужному аягоритму. Изменение структуры путем внедрения примесных атомов приводит к целе„аправленному изменению проводимости полупроводников.
Технологически такое изменение может осуществляться путем высокотемпературной диффузии или ионной имплантации, Целенаправленное локальное изменение проводимости полупроводниковой структуры легло в основу производства интегральных схем. 2.2. Носители заряда в полупроводниках Элекя~ралроводность полупроводников обусловлена двумя типами носителей электрического заряда, которые могут перемешаться под действием градиента концентрации или внешнего электрического поля. Нагннмлкмн заряда в полупроводниках являются электроны проводимости и дырки.
Электрон проеодниостк является наименьшим носителем отрицательного электрического заряда 9 = -1,60217733х)0 ' Кл. Масса покоя электрона составляет тл = 0,91093897х х10 зл кг. Масса электрона проводимости может меняться при движении в полупроводниковой кристаллической структуре и поэтому направление ускорения электрона в общем случае не параллельно внешней силе.
Вводится понятие эффективной массы электрона н~ — ре7 кл, гзе)зл н «е ' абсолютные значения импульса и скорости, соответствующие энергии Ферми. Дырка представляет собой квазичастицу или незаполненное электронное состояние (вакансию) в валеитной зоне полупроводника. Понятие дырки было введено ш~я удобства описания физических свойств полупроводников.
дырке приписывают положительный заряд, по величине равный заряду электрона. Эффективная масса дырки обычно больше, чем у электрона. Подвижность дырок при движении в полупроводниковой структуре меньше, чем у электронов проводимости. беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой "азывастся собственным полупроводником. Его проводимость называется собстегатод проводимостью. Идеальный собственный полупроводник при температуре, равной абсо'з'отному нулю, обладает свойствами изолятора. По мере повышсния температуры в кристалле возникает колебательное движение атомов решетки.
Клеант колебаний а~омов кристаллической решетки называют фоновом. армии был введен советским физиком И. Е. Таммом по аналогии с квантом электромагнитного поля — фотоном. Фонон является квазичастицей, представляющей собой квант э"ергии УпРУгих колебаний кРисталлической Решетки. ЭнеР~иа фонона Ем опРеделЯетсЯ величиной Ел = /кс, ~е ы — частота колебаний, и — постоянная Планка, равная Ь 12к. Часть П.)Иикроэлект)зонина г)г С повышением температуры кристалла количество и энергия фононов возрастает. Фононы способны разорвать ковалентные связи между атомами решетки. Это приводит к од повременному возникновению свободных электронов н незаполненных связей —. дырок Процесс образования электронно-дырочных пар под действием фононов называется лтер жогекеракигй " " другой механизм созлання электронов или энергии. Речь идет о у-квантах и рентгеновских лучах.
Рождение электронно-дырочных пар возникает по всей глубине проникновения таких квантов энергии. Вроводимостью собственного полупроводника можно управлять. С этой целью вводят примеси, которые могут локально изменять тип проволимости полупроводника. Рассмотрим лва случая внедрения примеси. Если в четырехвалентный атом кремния ввести атом пятивалентного элемента из 1т Пзуппы таблицы Менделеева, то четыре валентных электрона из пяти свяжутся с четырьмя электронами атома кремния.
Образуется устойчивая оболочка из восьми электронов, а примесный атом Р превратится в неподвижный положительный ион. Оставшийся свободным электрон добавится к собственным свободным электронам. Такие полупроводники называются эчекттчтонлььт~и полупроводниками, или полупроводниками л-шила (рис. 2.2, а). Во втором случае внедрим в структуру четырехвалентного кремния элемент из 111 группы таблицы Менделеева. например атом бора. В этом случае все три валентиых электрона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния. Дополнительный электрон для образования устойчивой восьмизлектронной оболочки будет заимствован у ближайшего атома кремния.
Таким образом, образуется незаполненная связь, нли дырка Атом примеси превратится в неподвижный ион с отрицательным зарядом 1рис. 2.2, б). Дырки примесного происхождения добавятся к собственным дыркам, а полупроводник станет полупроводником Р-типа, илн полупроводником с дырсчло1) проеодцнсспшю. б) а) Рис. 2.2. Процесс замещения прнмеонымн атомами н формирования области о электронной)в) н дырочнон проводимостью)б) 2 гризика полупроводниковых структур 2!3 ))ггя получения полупроводников электронного типа из кремния используются обычно элем ементы пятой группы: фосфор, сурьма, мышьяк. Полупроводники дырочного типа получ учают внедрением примеси третьей группы: бор, галлий, алюминий. Примеси в полупроводниках электронного типа называют Иопоркымн, а в полупроводниках дыро ч ного типа — — аккепт орлы.чл.
В гЗаАя донорами являются элементы пзестой группы — сера и теллур. а акцепторами— лементы второй группы- — бериллий и цинк. Сушествуют так называемые аи4оягерные примеси. Они могут быть как донорной, так и акцепторной в зависимое~и от условий вне недрения. Кремний, вводимый в СгаАз методом ионной имплантации, является донором, а германий, введенный методом жидкостной эпитаксии. -- акцептором. В примесных полупроводниках концентрация электронов и дырок измеряется в их количестве в объеме кубического сантиметра.
Носители преобладающего типа проводимости называются осковнытлл, а другого типа — неосношшыт. В полупроводнике п-типа проводимости основными носителями являются электроны, в полупроводнике р-типа проводимости — — дырки. Поведение электронов в монокристаллическом полупроводнике определяется не только корпускулярными свойствами электрона, но и его волновыми свойствами — волновой функцией электрона Ч'. Изменение во времени состояния квантовых объектов, характеризуемых волновой функцией, описывается уравнением Шредингера. Это уравнение является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц — корпускулярно-волнового дуализма. Лля изолированного атома справедливо уравнение Шредингера Н Ч'= ЕЧ', (2.2) тле н = — л' г' 2лг,.ь ь гаях, у, з) — гамильтоннан, угх, у, с) — потенциальная энергия электрона в кристалле.
Š— энергия уровня электрона, Величина Ч'Ч' называется фугги~иек аютлосяш верояткосят, где Ч' — комплексно-сопряженная величина. Физический смысл выражения Ч'У*~0' определяет вероятность появления или нахождения электрона в объеме Н)т. В этом случае квазинмпульс электрона р определяется как йгг), где и — постоянная Планка, 1г — волновой вектор электрона. В свою очередь энергия электрона Е связана с его массой соотношением: Е= й'lг ! 2ш. (2.3) ~деальном монокристалле атомы расположены регулярно, причем расстояпие между ми Равно шагу решетки а (порядка нескольких ангстрем). Атомы состоя~ из положител ельно заряженных ядер и электронов, обладаюших эквивазентным по величине отрицате ельным зарядом Так ак одиночный атом кремния имею: два электрона на атомной орбнтали 1з — 2зг; два электрона на атомной орбиталн 2я — 2»; г шесть электронов на атомной орбитали 2р — 2р; 6 два электрона на атомной орбитали Зя — Зэг, два электрона на атомной орбнтали Зр -- Зр .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
