Электрофизические свойства полупроводников

Виды электронных приборов

Электронными называют приборы, в которых ток создается движением электронов в вакууме, газе или полупроводнике.

В своем развитии электроника прошла несколько этапов. Первые электронные устройства выполнялись на электровакуумных приборах (так называемых катодных или электронных лампах). С середины XX в. широкое применение нашли полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры), изготовляемые как отдельные, самостоятельные элементы, из которых собирались электронные устройства. В последней четверти XX в. основой многих электронных устройств стали интегральные микросхемы, представляющие собой пластинку полупроводника с размещенным на ней множеством транзисторов и других элементов электрических цепей. Со времени их изобретения (США, 1959 г.) интегральные микросхемы постоянно совершенствуются и усложняются. В современных сверхбольших интегральных схемах счет уже идет на десятки и сотни миллионов транзисторов и других элементов.

В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразование вида энергии, усиление сигналов, генерирование мощных излучений, управление электродвигателями, обработка цифровой информации и ее отображение и т.п.) используются все виды электронных приборов, но явное преимущество сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами.

Электрофизические свойства полупроводников

Все вещества образованы атомами, состоящими из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Ядро включает электрически нейтральные частицы — нейтроны и положительно заряженные протоны. Количество протонов определяет заряд ядра. Отрицательный заряд электрона по величине равен положительному заряду протона. В нормальном состоянии число электронов, образующих электронную оболочку атома, равно числу протонов в ядре и атом электрически нейтрален. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, сгруппированным в слои. Каждому слою соответствует строго определенная энергия электрона W (так называемый разрешенный энергетический уровень). Количество электронов в слоях строго определено: в первом, ближайшем к ядру слое может находиться не более двух электронов, во втором — не более восьми и т.д. Электроны целиком заполненных слоев устойчивы к внешним воздействиям. «Не уместившиеся» во внутренних слоях электроны образуют незаполненный внешний слой, который легко отдает и принимает электроны. Эти электроны определяют валентность элемента при химических реакциях. Чем дальше от ядра расположена орбита электрона, тем большей энергией он обладает. Под воздействием энергии теплоты, света, радиации, или каких-либо других внешних факторов электрон из валентной зоны может перейти на новую, более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным, а при дальнейшем увеличении энергии, называемой работой выхода, электрон покидает поверхность вещества.

В кристалле происходит взаимодействие между соседними атомами, заключающееся в том, что на электроны атома воздействуют ядра соседних атомов. В результате разрешенные энергетические уровни электронов смещаются и расщепляются на несколько — по числу соседних атомов в кристаллической решетке. Эти уровни создают энергетические зоны. Совокупность энергетических уровней, соответствующих внешнему слою электронов, образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются незанятыми, составляют зону проводимости, так как ее уровни могут занимать возбужденные электроны, обеспечивающие электропроводность вещества. Между валентной зоной и зоной проводимости может располагаться запрещенная зона.

Рис. 1.1. Энергетические зоны проводника (а), диэлектрика (б)

и полупроводника (в):

1 — валентная зона; 2 — зона проводимости; 3 — запрещенная зона

Зонная структура лежит в основе разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. На рис. 1.1 показано расположение энергетических зон для этих групп веществ. У проводников (металлов) валентная зона 1 и зона проводимости 2 перекрывают друг друга (рис. 1.1, а) и валентные электроны легко переходят в зону проводимости. У диэлектриков (рис. 1.1, б) ширина запрещенной зоны велика (более 6 эВ (электрон-вольт)), и для перехода валентных электронов в зону проводимости надо сообщить значительную энергию (такой процесс происходит при пробое изоляции). У полупроводников (рис. 1.1, в) запрещенная зона относительно мала и колеблется от 0,1 до 3,0 эВ.

В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника (например, кремния) каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов — по одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной. При ее образовании электрон принадлежит уже не одному, а обоим связанным между собой атомам, т. е. является для них общим. В результате вокруг каждого ядра образуется восьмиэлектронная оболочка, устойчивая к внешним воздействиям. Так как все валентные электроны оказываются прочно связанными между собой, свободных электронов, способных обеспечить электропроводность, нет. Такую структуру имеют химически чистые полупроводники при температуре абсолютного нуля (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2. Кристаллическая структура чистого полупроводника (а), полупроводника с донорной (б) и акцепторной (в) примесью.

Под воздействием внешних факторов (например, при повышении температуры) отдельные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей, и становятся свободными.

При освобождении электрона от ковалентной связи в кристаллической решетке возникает как бы свободное место, обладающее положительным зарядом. Такое место называется «дыркой», а процесс образования пары «свободный электрон — дырка» — генерацией. В дырку может «перескочить» валентный электрон из ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится (этот процесс называется рекомбинацией), а в соседнем разрушится, образуя новую дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда.

При отсутствии внешнего электрического поля дырки перемещаются хаотически. Если же приложить к кристаллу разность потенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок и электронов становится упорядоченным, и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением как отрицательно заряженных электронов, так и положительно заряженных дырок. Соответственно различают два типа проводимости — электронную, или проводимость n-типа, и дырочную, или проводимость p-типа.

Для создания полупроводниковых элементов широко применяют примесные полупроводники. С четырехвалентным германием и кремнием используют пятивалентные примеси (мышьяк, сурьму, фосфор) и трехвалентные примеси (бор, алюминий, индий, галлий).

В случае пятивалентной примеси (рис. 1.2, б) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним». В результате даже при комнатной температуре «лишние» электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости. В таких полупроводниках электропроводность обеспечивается главным образом избытком свободных электронов. Их называют полупроводниками n-типа, а примеси — донорными.

За счет тепловой энергии в полупроводнике n-типа могут образоваться и отдельные дырки при генерации пар «свободный электрон — дырка». Поэтому электроны в полупроводнике n-типа называют основными, а дырки — неосновными носителями зарядов.

При введении трехвалентной примеси (рис. 1.2, в) в одной из ковалентных связей примесного атома и атома основного полупроводника отсутствует электрон, т. е. образуется дырка. Разрешенные энергетические уровни валентных зон примеси и основного полупроводника находятся рядом. Электрон валентной зоны атома основного полупроводника легко захватывается трехвалентным атомом примеси, в результате чего дырка образуется уже в атоме основного полупроводника и перемещается, таким образом, по кристаллической решетке. Дырки в таких полупроводниках становятся основными носителями зарядов, создавая эффект перемещения положительных зарядов. Трехвалентные примеси называют акцепторными, а полупроводники с такой примесью — полупроводниками p-типа. Неосновными носителями в этом случае выступает небольшое количество свободных электронов, образовавшихся в результате тепловой генерации пар «свободный электрон — дырка».

1.1.3. Р-n-переход и его свойства

Тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник p-типа, а другая n-типа, называют p-n-переходом. Концентрации основных носителей заряда в p- и n-областях могут быть равны или существенно различаться. В первом случае p-n-переход называют симметричным, во втором — несимметричным. Чаще используют несимметричные переходы.

Пусть концентрация акцепторной примеси в p-области больше, чем концентрация донорной примеси в n-области (рис. 1.3, а). Соответственно и концентрация дырок (светлые кружки) в p-области будет больше, чем концентрация электронов (черные кружки) в n-области.

За счет диффузии дырки из р-области и электроны из n-области стремятся равномерно распределиться по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из p-области в n-область, рекомбинируют с частью электронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результате оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В то же время уход этих дырок из p-области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют нескомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области. Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область, приводящее к тому же эффекту. В результате на границе, разделяющей n-область и p-область, образуется узкий, в доли микрона, приграничный слой, одна сторона которого заряжена отрицательно (p-область), а другая — положительно (n-область).

Рис. 1.3. P-n-структура:

a — в равновесном состоянии; б — при прямом внешнем напряжении; в — при обратном внешнем напряжении; l— ширина р-n-перехода

Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов U_к (рис. 1.3, а) или потенциальным барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны p-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n-области, — отрицательным зарядом. Таким образом, образуется p-n-переход, представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей — так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление.

Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов (рис. 1.3, б), то дырки p-области, отталкиваясь от приложенного положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе между областями, компенсируют заряд части отрицательных ионов и сужают ширину p-n-перехода со стороны p-области. Аналогично, электроны n-области, отталкиваясь от отрицательного потенциала внешнего источника, компенсируют заряд части положительных ионов и сужают ширину p-n-перехода со стороны n-области. Потенциальный барьер сужается, через него начинают проникать дырки из p-области и электроны из n-области и через p-n-переход начинает течь ток.

С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых постоянно восполняется источником внешнего напряжения.

Полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, открывающей, а созданный ею ток — прямым. При подаче такого напряжения p-n-переход открыт.

Если к p-n-структуре приложить напряжение обратной полярности (рис. 1.3, в), то эффект будет противоположным. Под действием электрического поля источника дырки р-области смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения, а электроны n-области — к положительному потенциалу. Таким образом, основные носители зарядов отодвигаются внешним полем от границы, увеличивая ширину p-n-перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление p-n-перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения p-n-переход закрыт.

Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протекание небольшого тока I_обр. Этот ток в отличие от прямого определяется носителями не примесной, а собственной проводимости, образующейся в результате генерации пар «свободный электрон — дырка» под воздействием температуры. Эти носители обозначены на рис. 1.3, в единственным электроном в p-области и единственной дыркой в n-области. Значение обратного тока практически не зависит от внешнего напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается постоянным, и даже при U_обр в доли вольта все носители участвуют в создании обратного тока.

При подаче обратного напряжения p-n-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n-области, разделенные диэлектриком. Роль диэлектрика выполняет приграничная область, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость p-n-перехода называют барьерной. Она тем больше, чем меньше ширина p-n-перехода и чем больше его площадь.

1.1.4. Основные технологические процессы изготовления p-n-переходов

Метод сплавления. Этот технологический процесс заключается в том, что в пластинку полупроводника одного типа проводимости вплавляют примесь, необходимую для образования полупроводника другого типа проводимости. Например, на пластинку германия n-типа помещают таблетку индия и нагревают его до температуры плавления. При этом примесь расплавляется и в ней частично растворяется материал полупроводника, создавая в приграничной зоне слой проводимости p-типа. Сплавные p-n-переходы имеют высокую надежность, работоспособны при больших обратных напряжениях и обладают малым собственным сопротивлением, обеспечивающим малое прямое падение напряжения на них.

Метод диффузии. В этом технологическом процессе p- и n-области получают в полупроводнике путем проникновения акцепторных или донорных примесей, содержащихся в атмосфере паров, куда помещают нагретую до высокой температуры пластинку полупроводника. Так как атомы примеси диффундируют внутрь пластины с поверхности, наибольшая концентрация примеси наблюдается в приповерхностной области и убывает с увеличением расстояния в глубь полупроводника.

Метод эпитаксиального наращивания. Процесс кристаллизации одного вещества на кристалле-подложке другого называется эпитаксиальным наращиванием. При этом кристаллическая решетка подложки определяет структуру решетки, в которой кристаллизуется наращиваемый слой. Полупроводниковые эпитаксиальные слои (пленки) могут быть получены различными способами: герметическим испарением в вакууме; кристаллизацией в расплавленном веществе, содержащем примесь; осаждением из парообразной формы. Изменяя тип примеси и условия наращивания, можно в широких пределах менять электрические свойства эпитаксиальной пленки.

Ионное легирование. Процесс заключается в бомбардировке ионами примеси нагретой полупроводниковой пластины, находящейся в вакууме. Ионы предварительно разгоняются до определенной скорости и, внедряясь в пластину полупроводника, играют роль донорных или акцепторных примесей.

Оксидное маскирование. Этот процесс используют для того, чтобы обеспечить проникновение примеси только в определенные участки пластины, защитив от них остальную ее поверхность. В полупроводниковых структурах на основе кремния в качестве маски используется диоксид кремния SiO₂, который является хорошим изолятором и обладает по сравнению с чистым кремнием значительно меньшей скоростью диффузии в него примесей. Для получения пленки оксида кремниевую пластину нагревают до 900—1200 ºС в атмосфере кислорода. После охлаждения те участки полупроводника, которые должны подвергаться воздействию примесей, освобождают от пленки окисла травлением.

Фотолитография. Это процесс получения на поверхности пленки оксида необходимого рисунка расположения окон. Оксидную пленку покрывают фоторезистом (светочувствительным слоем) и экспонируют (засвечивают) ультрафиолетовыми лучами через маску, на которой выполнен рисунок в виде прозрачных и непрозрачных участков. Участки фоторезиста, подвергнувшиеся освещению, оказываются задубленными (нерастворимыми), а с неосвещенных участков фоторезист удаляют растворителем.

Травление пленки диоксида кремния с участков, не защищенных задубленным фоторезистом, производят плавиковой кислотой, в результате в оксидной пленке образуются окна, через которые производится диффузия, эпитаксиальное наращивание или ионное легирование.