Введение в микроэлектронику

Развитие твердотельной электроники тесно связано с успехами физики и химии полупроводниковых материалов. По удельному сопротивлению ρ полупроводники занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Для полупроводников ρ составляет 10-5-108 Ом·м, для диэлектриков 1016-1022 Ом·м, для металлов 10-8-10-6 Ом·м. Температурный коэффициент сопротивления у полупроводников отрицателен, т.е. с увеличением температуры их сопротивление уменьшается.

В отличие от металлов полупроводники сильно изменяют свои свойства от присутствия даже очень небольших концентраций примеси. У полупроводников заметное изменение ρ наблюдается также под действием света, ионизирующих излучений и других энергетических воздействий.

Так, например, при концентрации примесных атомов в полупроводнике около 10-4 атомных процентов его удельная проводимость изменяется на несколько порядков.

2.1. Полупроводники и их электрофизические свойства

Полупроводники — наиболее распространенная в природе груп­па веществ. К ним относятся химические элементы: бор (В), угле­род (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn), сурьма (Sb), теллур (Те), йод (I); химические соединения типа: AIBVII, AIIIBV, AIVBIV, AIBVI, AIVBVI, (GaAs, GeSi, CuO, PbS и др.); большинство при­родных химических соединений — минералов, число которых со­ставляет около 2 тыс., многие органические вещества.

В электронике находит применение лишь ограниченное число полупроводниковых веществ. Исходные материалы, из которых изготавливают полупроводниковые приборы, должны обладать определенными физико-химическими и механическими свойствами.

Они должны иметь вполне определенное ρ в диапазоне рабо­чих температур ∆T. Такое удельное сопротивление можно получить при достаточно большом количестве свободных носителей заряда и их беспрепятственном движении в объеме полупроводника. Сле­довательно, необходимо твердое тело, в котором концентрация свободных носителей заряда n, их диффузионная длина L и время жизни τ были бы достаточно большими. Этим требованиям удовлетворяют в первую очередь монокристаллы, в которых в отличие от аморфных тел и поликристаллов обеспечивается высокая периодичность решетки. Однако не все монокристаллы обладают полупроводни­ковыми свойствами. А среди полупроводниковых кристаллов лишь немногие по своим параметрам и свойствам пригодны для изготов­ления полупроводниковых приборов.

На приведенном фрагменте таблицы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (рис. 2.1) жирной линией обведена область, в которой расположены элементы, обладающие полупро­водниковыми свойствами. Слева и снизу от этой области расположены металлы, справа и сверху — диэлектрики.

Электропроводность твердого тела зависит от структуры внеш­них электронных оболочек его атомов, определяющих месторас­положение элементов в таблице. Число справа внизу от химиче­ского символа обозначает ширину запрещенной зоны элемента в электрон-вольтах, число в правом верхнем углу — порядковый номер элемента в таблице.

Из рис. 2.1 видно, что полупроводниковыми свойствами обла­дают лишь 12 химических элементов. Среди них наиболее подходящими для производства полупроводниковых приборов ока­зались германий (Ge) и кремний (Si).

Германий встречается, главным образом, в сернистых мине­ралах, некоторых силикатах и карбонатах, а также в каменных углях и богатых углем породах. Содержание Ge в земной коре всего 7·10-4%, он широко рассеян в горных породах. Для полу­проводниковых приборов необходим Ge, почти не содержащий примесей других элементов. На 108 его атомов лишь один может быть чужеродным, но и то не любым, а принадлежащим к группе определенных «легирующих» элементов (чаще всего Sb, As, Ga, In, как показано на рис. 2.1 стрелками). Поэтому производство Ge представляет известную сложность.

Рис. 2.1.

Кремний — наиболее распространенный (после кислорода) эле­мент, но в чистом виде он не встречается. Давно известным соеди­нением Si является его двуокись SiO2. Твердая земная кора содержит 'по массе 27,6% кремния и состоит более чем на 97% из природных силикатов, т. е. солей кремниевых кислот, а также двуокиси кремния SiO2 преимущественно в виде кварца. Для производства полупроводниковых приборов необходим также очень чистый Si. Получение чистых кристаллов кремния еще бо­лее сложно, чем кристаллов германия. Кремний имеет высокую температуру плавления (около 1500°С) и в расплавленном состоя­нии очень высокую химическую активность. Это резко повышает технологические трудности получения чистых кристаллов и леги­рования их нужными примесями (в качестве последних чаще всего используются В, Аl и Р, как показано на рис. 2.1). Поэтому чистый кремний, как и германий, довольно дорогой элемент.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют и Ge и Si, они не являются конкурирующими элементами, так как сообщают приборам разные свойства. Например, транзисторы из германия работают до +(100-120)°С, а из кремния до +(150-200) °С. Однако германиевые транзисторы работают при более низких температурах и обладают лучшими частотными ха­рактеристиками, чем кремниевые, так как подвижность свобод­ных носителей заряда в Ge выше.

На 2.1 указаны еще несколько элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Однако большинство из них непригодно для изготовления полупроводниковых приборов: либо они проявляют полупроводниковые свойства при температуре меньше 20°С (S и I) или 13°С (Sn), либо только в виде пленок (Sb и As), они сублимируют (I и As), хрупки (Те), легко плавятся (Sn), недостаточно изучены (В) и пр.

В электронике поэтому находит применение лишь ограниченное количество химических элементов, обладающих полупроводнико­выми свойствами. На первом месте стоят Ge и Si, используемые в качестве основы при изготовлении полупроводниковых прибо­ров. Бор, фосфор, мышьяк, сурьма, индий, галлий, алюминий используют в качестве примесей. В последние годы начинают при­менять некоторые соединения, например, арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) и др. Интересны также сплавы и соединения элементов IV группы периодической системы — карбид кремния, сплав кремний — германий и др. Однако они еще недо­статочно изучены.

Основными параметрами Ge и Si, определяющими свойства изготовленных из них приборов, являются: ρ — удельное сопро­тивление; ∆ε— ширина запрещенной зоны; n- или p-концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок); δ — плот­ность дислокаций; L — диффузионная длина; τ — время жизни носителей заряда. Чтобы оценить эти параметры, необходимо рас­смотреть основы физики полупроводниковых материалов.

2.2. Структура полупроводниковых кристаллов

Кристаллическое вещество представляет собой сплошную упорядоченную структуру (монокристалл) либо состоит из большого числа мелких монокристаллов, различно ориентированных в пространстве (поликристалл).

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15