Коэффициентом термо-э. д. с. называется отношение термо-э. д. с. к разности температур на концах проводника

Гиперссылки к полупроводникам

 

Диэлектрическая проницаемость безразмерная величина, которая определяет способность диэлектриков поляризоваться и образовывать электрическую емкость

 

Коэффициентом термо-э. д. с. называется отношение термо-э. д. с. к разности температур на концах проводника)

 

Вырожденным является такой полупроводник (полуметалл), у которого уровень Ферми находится внутри одной из разрешенных энергетических зон.

С вырожденными собст­венными полупроводниками в практике можно встретиться при:

а) достаточно высокой температуре (kT велико);

б) малой ширине запрещенной зоны самого полупроводника (близкой к kТ).

Примесные полупроводники являются вырожденными при достаточно большой концентрации примесей, так как образовавшаяся примесная зона перекрывается с зоной проводимости.

Невырожденным называют полупроводник, у которого уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны.

 

Легированием называют процесс контролируемого введения в полупроводник необходимых примесей. Легирование дает возможность управления величиной и типом электропроводнос­ти полупроводников, что лежит в основе соз­дания практически всех полупроводниковых приборов.

 

Межзоновая рекомбинация происходит при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда – свободного электрона и дырки.

 

Рекомбинация с участием рекомбинационных ловушек протекает в два этапа. На первом этапе рекомбинационная ловушка (или энергетический уровень рекомбинационной ловушки) захватывает, например, электрон из зоны проводимости. Таким образом, электрон выбывает из процесса электропроводности. В этом состоянии ловушка будет находиться до тех пор, пока к ней не подойдет дырка, или, другими словами, пока в данном месте кристалла не окажется свободный энергетический уровень вален- тной зоны. При выполнении этих условий осуществляет второй этап рекомбинации – электрон перейдет на свободный уровень валентной зоны (что эквивалентно захвату дырки из валентной зоны отрицательно заряженной ловушки.)

Роль рекомбинационных ловушек могут выполнять примесные атомы или ионы, различные включения в кристалле, незаполненные узлы кристаллической решетки, трещины и другие несовершенства объема или поверхности.

Излучательной рекомбинацией носителей заряда называют рекомбинацию, при которой энергия, освобождающаяся при переходе электрона на более низкий энергетический уровень, излучается в виде кванта света.

 

Не­равновесные носители заряда. При воздействии на полупроводник нетеплового внешнего энергетического фактора ( света, сильного электрического поля и др.) из-за генерации новых носителей заряда их концентрация п и р (неравновесная концентрация) будет превышать равновесную концентрацию на величину Dп (или Dр), которую называют избыточной концентрацией.

Избыточная концентрация носителей заряда может быть в отдельных областях полупроводниковой структуры прибора не только в результате внешних энергетических воздействий, но и за счет различных процессов (инжекции, экстракции, аккумуляции и т.д.).

Неосновные носители заряда. Носители заряда, кон­центрация которых в данном полупроводнике больше, называют основными, а носители, концентрация которых меньше,— неоснов­ными. Так, в полупроводнике п-типа электроны являются основны­ми носителями, а дырки — неосновными; в полупроводнике р-типа дырки— основными носителями, а электроны—неосновными.

 

Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости вещества под воздействием электромагнитного излучения.

 

Рекомбинация. Образование свободных электронов и дырок – генерация носителей заряда – происходит при воздействии теплового хаотического движения атомов кристаллической решетки( тепловая генерация) , при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (световая генерация) и других энергетических факторов. Так как полупроводник всегда находится под действием всех этих факторов или хотя бы одного (Т ¹ 0), генерация носителей происходит непрерывно. Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно происходит и обратный процесс - рекомбинация носителей заряда, т.е. возвращение электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего исчезает пара носителей заряда. В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомбинации носителей заряда взаимно уравновешены. При этом в полупроводнике существует равновесная концентрация электронов и равновесная концентрация дырок.

 

Ударной ионизацией полупроводника называют процесс ионизации примеси или собственного атома полупроводника свободным электроном (или дыркой), который, разгоняясь под действием большой напряженности электрического поля, приобретает на длине свободного пробега дополнительную энергию.

Ударная ионизация — не единственная причина возрастания концентрации носителей заряда при увеличении напряженности электрического поля. За счет потенциальной энергии, которой обладает электрон в электрическом поле, он может в силу своей волновой природы «просочиться» сквозь запрещенную зону и перейти в зону проводимости. Такой эффект называют туннельным. Он возни­кает при Е@ 10⁹ В/м.

Возможны и другие механизмы возрастания концентрации носителей заряда в сильных электрических полях. Все они на конечной стадии приводят к пробою полупроводника.

 

Энергия ионизации донора – это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости.

Энергия ионизации акцептора – это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень.

 

 

Генерация электрон­но-дырочных пар. Для осуществления этого процесса надо разорвать ковалентную связь, т.е. сообщить электрону дополни­тельную энергию активации, равную энергии разрыва ковалентной связи. Освободившийся электрон за счет тепловой энергии хаотически движется по объему полупроводника. При действии на полупроводник внеш­него электрического поля электрон, об­ладая отрицательным зарядом, будет перемещаться в направлении, противо­положном направлению внешнего по­ля, разгоняясь до некоторой скорости v. На месте оторвавшегося электрона остается положительно за­ряженная незаполненная связь с зарядом, равным заряду электро­на, которая получила название дырки проводимости. Дырку может занять электрон соседнего атома, причем для этого не понадобится разрывать еще одну связь. Это эквивалентно тому, что дырка переместится в обратном направ­лении, т. е. в направлении внешнего поля. Таким образом, разрыв одной ковалентной связи приводит к появлению в полупроводнике сразу двух свободных носителей заряда: отрицательно заряженно­го электрона проводимости и положительно заряженной дырки про­водимости. Этот процесс носит название генерации электрон­но-дырочных пар.

 

Подвижность электронов.Отноше­ние средней скорости дрейфа электро­на к напряженности поля называют подвижностью электрона m_п которая измеряется в м²/В×с.

Донор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости.

 

Акцептор - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии.

Тип проводимости. Дефекты, вызывающие появление в полупроводнике дополни­тельных свободных электронов, называют донорными, а обуслов­ленную ими электропроводность называют электронной. Их энер­гетические уровни обычно лежат вблизи дна зоны проводимости.

Дефекты, вызывающие появление в полупроводнике дополни­тельных дырок проводимости, называют акцепторными, а обуслов­ленную ими электропроводность называют дырочной. Энергетичес­кие уровни акцепторных дефектов, как правило, лежат вблизи потолка валентной зоны. Соответственно полупроводники с пре­обладанием электронной электропроводности называют электронными (или п-типа), а полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности — дырочными (или р-типа).

Обычно в полупроводниках присутствуют как доноры, так и акцепторы. Полупроводник, у которого концентрация доноров равна концентрации акцепторов, называют скомпенсированным.

 

 

Мелкие акцепторы, мелкие доноры. По значению энергии ионизации примесь подразделяют на мелкую и глубокую. Если энергия ионизации близка к уровню разрешенной зоны (реально меньше 0,1-0,05 эВ), то такую примесь называют мелкой. Чем больше энергия ионизации примеси, тем при той же температуре меньше концентрация свободных носителей заряда.

 

 

Глубокая примесь По значению энергии ионизации примесь подразделяют на мелкую и глубокую. Если энергия ионизации примеси близка к половине ширины запрещенной зоны, то такую примесь называют глубокой. Чем больше энергия ионизации примеси, тем при той же температуре меньше концентрация свободных носителей заряда.

 

 

Двуокись кремния SiO₂ является важнейшим соединени­ем кремния. Ее отличают высокая температура плавления (1723° С) и очень низкая химическая активность. Растворяется SiO₂ только в плавиковой кислоте и щелочах.

Двуокись кремния широко применяют в полупроводниковом про­изводстве в виде тонких пленок, получаемых на поверхности крем­ниевых пластин в результате термического окисления. К таким пленкам предъявляют очень жесткие требования. Они должны, во-первых, защитить поверхность кремния от воздействия окружаю­щей и технологических сред (воздуха, различных газов, влаги и т. д.). Во-вторых, они исполняют роль маски, предотвращая проникновение легирующих примесей к поверхности кремния при про­цессах диффузии и эпитаксии. В-третьих, такие защитные пленки используют в качестве диэлектрика для изоляции элементов инте­гральных микросхем. Поэтому они должны обладать достаточной электрической прочностью, высоким удельным сопротивлением, ма­лой диэлектрической проницаемостью (а при создании МДП-структур, наоборот, высокой диэлектрической проницаемостью). Кроме того, к защитным пленкам предъявляют требование технологичности, под которым понимают совместимость процессов получения пленки и изготовле­ния интегральных микросхем. Всем этим требованиям в полной мере отвечают пленки SiO₂, поэтому в производстве интегральных микросхем используют только кремний, а не, например, германий. Двуокись кремния реагирует с расплавленными металлами (напри­мер, с алюминием), а при высокой температуре с твердыми элемен­тами (титаном, бором). Это позволяет напылять непосредственно на двуокись кремния пленки металлов, используя их хорошее сцеп­ление с SiO₂.

Получаемое при сплавлении двуокиси кремния кварцевое стекло широко используют как контейнерный материал для изготовления тиглей, ампул, кассет и т. д.

Моноокись кремния (SiO) в природе не встречается, получают ее восстановлением двуокиси кремния при температурах 1350—1500° С. Моноокись кремния является прекрасным диэлектриком, сохраняющим свои свойства даже при высокой температуре. Моноокись кремния используют в производстве микросхем как защитное покрытие, как диэлектрическую пленку при напылении микропленочных конденсаторов и т. д. Моноокись кремния используют также в оптической и светотехнической промышленности.

 

Нитрид кремния Si₃N₄ - единственное устойчивое соединение крем­ния с азотом, в настоящее время находит все более широкое применение в микроэлектронике в качестве защитных пленок. Нитрид кремния обладает очень высокими электрофизическими свойствами (удельное сопротивление r =10¹¹ - 10¹² Ом×м) и исключительной химической стойкостью. Нитрид кремния разлагается в расплавленных щелочах и в горячей плавиковой кислоте. Пленки нитрида кремния, прочнее и обладают большей маскирующей способностью по отношению к диффундирующим примесям, чем пленки двуокиси кремния.

 

Нейтральные. Нейтральные примеси не меняют тип электропроводности крем­ния и количество носителей заряда в нем. К ним относят водород, азот, инертные газы, а также элементы IV группы периодической системы элементов (германий, олово, свинец).

 

Акцепторные. Основными акцепторными примесями для кремния являются элементы III группы таблицы Д. И. Менделеева, прежде всего бор и алюминий. Реже используют галлий, индий и таллий.

 

Донорные. Основными донорными примесями для кремния являются элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.

 

Примеси, создающие в запрещенной зоне кремния глубокие энер­гетические уровни. Элементы I, II, VI, VII групп создают в кремнии глубокие энергетические уровни и могут играть роль, как доноров, так и акцепторов. Из них наиболее часто используют зо­лото и цинк. Легирование золотом создает в кремнии дополнительные центры рекомбинации носителей заряда, что уменьшает эффек­тивное время жизни неравновесных носителей заряда. Значения энергии ионизации основных примесей в кремнии приве­дены в таблице.

Роль основных примесей в кремнии

Примесь	Донор или акцептор	DЕд, эВ	DЕа, эВ
B	А	¾	0,045
Al	А	¾	0,057
Ga	А	¾	0,065
In	А	¾	0,16
Tl	A	¾	0,26
P	Д	0,044	¾
As	Д	0,049	¾
Sb	Д	0,039	¾
Au	Д и А	0,3	0,39
Zn	А	¾	0,092; 0,3

 

Как правило, легирование кремния происходит одновременно с процессами получения монокристаллов и эпитаксиальных пленок. Для получения кремния п-типа используют треххлористые фосфор и мышьяк или пятихло­ристую сурьму. Для получения кремния с дырочной электропровод­ностью чаще всего применяют трехбромистый бор. Возможно ис­пользование и твердых легирующих примесей (например, леги­рование алюминием).

Для легирования кремния широко используют метод диффузии примесей.

Для создания тонких высоколегированных слоев используют метод ионного легирования. В качестве источников ионов применя­ют фосфор и галогениды бора.

 

Примеры

Приведем несколько примеров. Кремний монокристаллический для полупро­водниковых приборов маркируется следующим образом: 1А56КДБ 7,5/0,1-45, где 1А—группа марок; 5—подгруппа; б—дополнительный параметр качества; К— кремний, полученный по методу Чохральского, Д—тип электропроводности (дырочный); Б—вид легирующей примеси (бор); 7,5—номинал удельного со­противления, Ом-см; 0,1—диффузионная длина неосновных носителей заряда, мм; 45—диаметр слитка, мм. Для обозначения кремния, полученного методом бестигельной зонной плавки, добавляют букву Б (например, 2В2нБКЭ 45/0,2 — 27, Э—электронный тип электропроводности, Ф—легирован фосфором), а для обо­значения кремния, полученного гарниссажным методом, — букву Г. Для получе­ния низкоомных марок (группы ЗА, ЗБ, 4А) с удельным сопротивлением 0,005 — 1 Ом×см применяют легирование мышьяком, сурьмой, алюминием.

Для производства эпитаксиальных структур выпускают 14 марок монокри­сталлического кремния, получаемых методом Чохральского, например ЭКДБ 7,5—la, где Э—назначение кремния; К — кремний; Д — дырочный; Б — легирован бором; 7,5 — номинал удельного сопротивления, Ом×см; 1—номер марки; а — диаметр слитка.

Кремниевые эпитаксиальные структуры выпускают с самым различным соот­ношением типов и величин электропроводности подложки и эпитаксиального слоя. Для изготовления транзисторов широко используют, например, структуру п×п⁺, т. е. на низкоомной подложке п-типа выращивают высокоомный слой того же типа электропроводности, например , где 60 – диаметр структуры,мм; 15—толщина эпитаксиального слоя, мкм; КЭФ 1,5

— кремний электронный, легирован фосфором, удельное сопротивление 1,5 Ом×см, 1 В—группа; 400—толщина подложки, мкм; С—легирована сурь­мой (смысл остальных обозначений рассмотрен ранее). Плотность дислокаций в эпитаксиальном слое не превышает 5×10³ см^-2, чистота поверхности соответству­ет высшему 14 классу. Выпускают также многослойные эпитаксиальные структу­ры, структуры со скрытыми слоями (например, на кремниевой подложке р-типа создают низкоомный слой п-типа, а на него наращивают слой п-типа с удель­ным сопротивлением 0,1—2,5 Ом×см), гетероэпитаксиальные структуры на сапфи­ровой подложке, структуры с диэлектрическими слоями и др.

Обозначения дискретных полупроводниковых приборов, изготов­ленных из кремния, начинаются с буквы К или цифры 2, например диод КД503, транзистор 2Т605, стабилитрон КС 139 и т. д. Инте­гральные микросхемы практически все изготавливают из кремния, поэтому вид полупроводникового материала в обозначение микро­схем не входит.

 

Диффузия - движение носителей заряда из-за градиента концентрации, выравнивание концентрации носителей по полупроводнику.

 

 

Эпитаксиальные слои. В настоящее время в полупроводниковом производстве наиболее широкое применение кремний находит в виде тонких мо­нокристаллических слоев, получаемых осаждением на объемных монокристаллах, называемых подложками. Такие монокристалли­ческие слои, сохраняющие кристаллографическую ориентацию подложки, называют эпитаксиальными. В качестве подложек используют монокристаллы самого кремния, а также сапфира, ко­рунда и др.

Эпитаксиальные слои очень удобны при массовом произ­водстве полупроводниковых приборов по наиболее распространен­ной планарной технологии. При использовании эпитаксии резко снижаются требования к чистоте и совершенству кристаллов, ис­пользуемых в качестве подложек, а параметрами эпитаксиальных слоев легко управлять в процессе их выращивания.

 

Марки германия с электронным и дырочным типом электропровод­ности Германий монокристаллический для полупроводниковых приборов и эпитак­сиальных структур выпускают в виде слитков диаметром 25 — 35 мм. В обозна­чении его марок (например, ГЭС5г1ж) буква Г — означает германий, Э —элект­ронный; С — легированный сурьмой; 5 — номинал удельного сопротивления, Ом×см; г — разброс удельного сопротивления 15%; 1 — группа по плотности дис­локаций, 5×10^-4 см^-3; ж — ориентация монокристалла в направлении [100]. Мо­нокристаллы с дырочным типом электропроводности легируют галлием, например ГДГ5д5з. Эти марки германия имеют r = 0.24 — 36 Ом×см, при этом l = 0,3 —3,0мм,m_n = 0,14 - 0,34 м²/В×с, а m_р = 0,09 — 0,176 м²/В×с.

 

Ре­лаксация фотопроводимости. Процесс воздействия света на полупроводник имеет обратимый характер. После прекращения облучения проводимость полупровод­ника примет прежнее значение g_темн. Но время, необходимое для рекомбинации появившихся в результате облучения неравновесных носителей заряда, для различных полупроводников составляет от наносекунд до нескольких часов. Этот процесс называют релакса­цией фотопроводимости

.

Полиморфизм (аллотропия). Многие вещества в зависимости от условий кристаллизации могут иметь различные формы кристаллической решетки. Способность вещества иметь различные формы кристаллической решетки называют полиморфизмом или аллотропией.

Метод сублимации, при котором рост кристаллов SiC происходит из газовой фазы в графических тиглях в атмосфере инертного газа при температу­ре 2400—2600° С. Этим методом удается получить монокристаллы обоих типов электропроводности размером до 30 мм с остаточной концентрацией неконтро­лируемых примесей до 10²² м^-3.

 

Поликристаллический карбид кремния. На его основе изготавливают волноводные поглотители, низковольтные нелинейные резисторы, в которых значение сопро­тивления падает с ростом приложенного напряжения. Для всех этих целей ис­пользуют многофазные материалы, состоящие из порошкообразного карбида крем­ния, скрепленного связующим веществом. При обжиге карбида кремния с глинистой связкой получают материал тирит, при обжиге с ультрафарфоровой связкой - лэтин. Для изготовления нагревателей высокотемпературных печей используют силит, материал на основе карбида кремния, кремния и углерода.

Таблица 4.1.

Основные свойства германия и кремния

Таблица 10.2.

Электрофизические свойства b-Si и a-Si.