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).
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
