Введение в микроэлектронику

Кристаллические вещества анизотропны, т.е. их свойства зависят от кристаллографического направления.

Для описания закономерности строения кристаллов необходимо задание направления (прямой). Для задания направления в кристалле достаточно задать координаты любого атома тройкой целых чисел, заключенных в скобки (x,y,z). Если плоскость параллельна какой-либо из координатных осей, то индекс, соответствующей этой оси равен нулю. Основные кристаллографические плоскости кубической решетки показаны на рисунке 2.2.

Рис.2.2. - Основные кристаллографические плоскости кубической решетки

Кремний и германий представляют собой кристаллы с регу­лярной структурой. Кристаллическая решетка кремния и германия называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза Основу решетки составляет тетраэдр — пространственная фигура, имеющая четыре треугольные грани. В вершинах тетраэдра и в его центре расположены атомы. Центральный атом находится на одинаковом расстоянии от четырех других, находящихся в вер­шинах. А каждый атом, расположенный в вершине, в свою очередь, является центральным для других четырех ближайших атомов.

При рассмотрении физических процессов в полупроводниковых материалах удобнее пользоваться плоским эквивалентом тетраэдрической решетки (рис. 2.3). Все атомы (большие шарики) находятся в парноэлектронной, ковалентной или просто валентной связи. Парноэлектронные связи (линии на рисунке) образуются валентными электронами (на рисунке — маленькие шари­ки) при сближении атомов. Так располагаются атомы чистых четырехвалентных элементов, в том числе Ge и Si, при очень низкой температуре.

Рис.2.3.

При выращивании монокристаллов из расплава очень трудно получить материалы со строго регулярной структурой. Обычно в процессе производства получаются неоднородности разных ти­пов, нарушается периодичность кристаллической решетки, появляются дефекты.

Существуют разнообразные дефекты кристаллических решеток.

Нульмерные или точечные дефекты, к которым относятся например, межузельный атом или вакансия (рис. 2.4)

Рис. 2.4.

Одномерные или линейные дефекты, например, цепочки межузельных атомов, цепочки вакансий, дислокации.

Двухмерные или поверхностные дефекты, например, границы кристалла, зерен (кристаллитов), т. е. места, где нарушается периодичность решетки.

Трехмерные или объемные дефекты, например, инородные включения, размеры которых существенно больше характерного размера решетки, ее параметра а0. Для Ge постоянная решетки а0 равна 565 Å, для Si —543 Å.

К важнейшим дефектам кристаллических решеток относятся дислокации —специфические линейные дефекты, связанные с на­рушением правильного чередования плоскостей, в которых распо­лагаются группы атомов. Различают несколько видов дислокаций.

Дислокации могут служить центрами генерации и рекомбина­ции свободных электронов, они влияют на время жизни носителей заряда.

Плотность дислокаций δ определяется как отношение общей длины линий дислокаций к объему образца. Для изготовления полупроводниковых приборов применяют Ge и Si с плотностью дислокаций δ, не превышающей 104 на 1см2, причем для разных типов приборов существует свое предельное значение δ. Например, для сплавных транзисторов требуются Ge и Si с плотностью дисло­каций до 103-5·104 см-2, для эпитаксиальных — до 102 см-2 и т. д.

Плотность дислокаций исходного полупроводникового мате­риала во многом определяет электрические параметры приборов, а также разброс этих параметров от экземпляра к экземпляру. От плотности дислокаций в материале зависит и процент годных приборов в серийном производстве.

2.3. Свободные носители зарядов в полупроводниках

Изображенная на рис. 2.3 структура соответствует «гипотети­ческому» случаю для очень чистого полупроводникового моно­кристалла при очень низкой температуре. С повышением температуры происходит разрыв электронных связей (рис. 2.5), и часть электронов становится свободной, т. е. электронами проводимости. Такой же процесс происходит в полупроводниковых и под действием света. Разрыв электронных связей сопровождается не только появлением свободных электронов, но и образованием «дырок» — вакансий, т. е. пустых мест в атомах, которые покинул электрон.

«Дырка» — понятие, введенное в квантовой теории твердого тела. Дырка ведет себя подобно частице с элементарным поло­жительным зарядом, равным заряду электрона, и массой, близкой к массе электрона.

Рис. 2.5.

Дырка, по­явившись одновременно со сво­бодным электроном, переме­щается в течение некоторого времени, называемого време­нем жизни, в кристалле заме­щением вакансий соседними электронами связи, а затем рекомбинирует с одним из сво­бодных электронов (электро­ном проводимости).

В абсолютно чистом, так называемом «собственном» полупроводнике, электроны и дырки под действием тепла и света всег­да образуются парами, т.е. в равном количестве. Число их в ста­ционарном режиме определяется равновесием между процессами генерации и рекомбинации свободных носителей заряда (электро­нов и дырок). Генерация носителей — образование пар, рекомби­нация— их исчезновение. Процессы генерации и рекомбинации идут непрерывно, их скорости равны. Электропроводность полу­проводника, обусловленная парными носителями теплового проис­хождения, называется собственной.

Полупроводник, у которого n=p, называется собственным полупроводником или полупроводником с собственной проводимостью Концентрации электронов ni и дырок pi в собственном полупроводнике одинаковы (ni=pi) и зависят только от температуры, заметно возрастая с ее повышением (Индекс i здесь и далее относится к «собственным» полупроводникам, i — от английского слова intrinsic — настоящий).

Собственных полупроводников (идеальных кристаллов беско­нечной протяженности) в природе не существует. Реальные крис­таллы имеют конечные размеры, дефекты и примеси. И если в справочниках иногда приводят параметры «собственного» полупроводникового материала, то это означает лишь, что имеется в виду полупроводник, у которого концентрации примесей и де­фектов ниже определенной величины.

Главную роль в полупроводниковой электронике играют примесные полупроводники, в которых концентрации электронов и дырок значительно различаются.

Любые примеси в полупроводниках приводят к существенному изменению их свойств. В частности, изменяется электропроводность полупроводника. В этом случае она называется примесной электропроводностью. Можно контролировать количество и тип вводимой примеси и, следовательно, электропроводность по­лупроводникового материала.

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