Физические основы элементной базы полупроводниковой микроэлектронники

Свободный электрон, совершая хаотическое движение, может заполнить дырку в ковалентной связи; при этом разорванная ковалентная связь восстанавливается, а пара носителей заряда электрон-дырка исчезает, т.е. происходит рекомбинация носителей заряда противоположных знаков. Этот процесс сопровождается выделением избыточной энергии в виде теплоты или электромагнитного излучения. На энергетической диаграмме (рис. 3.3, а) рекомбинация соответствует переходу электрона из зоны проводимости на вакантный уровень в валентной зоне.

Оба физических процесса — генерация пар носителей заряда и их рекомбинация в любом объеме полупроводника — происходят одновременно. Соответствующая концентрация носителей заряда устанавливается из условия динамического равновесия, при котором число вновь возникающих носителей заряда равно числу рекомбинирующих носителей заряда. Промежуток времени между моментом генерации носителя заряда и его рекомбинацией называется временем жизни свободного электрона или дырки, а прой-

Рис. 3.3. Энергетические диаграммы собственной (о), донорной (б) и акцепторной (в) проводимости полупроводников

денное носителем заряда за время жизни расстояние — диффузионной длиной. Учитывая, что время жизни отдельных носителей заряда различно и процесс носит стохастический характер, под этими терминами понимают среднее время жизни и среднюю диффузионную длину.

Подвижные носители заряда обусловливают электропроводность полупроводника. При отсутствии электрического поля движение зарядов происходит хаотическим образом. При приложении электрического поля электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, смещаются под действием поля: электроны — в сторону положительного потенциала, дырки — в сторону отрицательного потенциала. Направленное движение обоих видов носителей заряда создает электрический ток в кристалле, который имеет две составляющие: электронную и дырочную.

Химически чистые беспримесные полупроводники используют в основном в качестве исходного материала, на базе которого получают примесные полупроводники. За счет введения примеси можно значительно улучшить электропроводность полупроводника, создав в нем существенное преобладание одного какого-либо типа подвижных носителей заряда: дырок или электронов. В зависимости от валентности атомов примеси получают полупроводники с преобладанием либо электронной электропроводности, либо дырочной. Сочетание областей с разным типом электропроводности позволяет придать полупроводниковым приборам различные свойства. Примесь вводится в очень малом количестве — один атом примеси на 10⁶... 10⁸ атомов исходного полупроводника. При этом атомная кристаллическая решетка не нарушается, поскольку обычно примеси либо замешают собственный атом, либо внедряются в свободную вакансию.

При введении, например, в кристалл четырехвалентного кремния примеси пятивалентного химического элемента — мышьяка, сурьмы, фосфора — атомы примеси замещают атомы исходного вещества в некоторых узлах кристаллической решетки. Четыре валентных электрона атома примеси создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами исходного полупроводника, а пятый электрон, не занятый в связи, оказывается избыточным и легко отрывается от атома. На его отрыв требуется затратить существенно меньшую энергию, чем на разрыв ковалентной связи, так что уже при комнатной температуре избыточные электроны атомов примеси становятся свободными. Атом примеси, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительный ион, связанный в узле кристаллической решетки, — происходит ионизация атомов примеси. Положительный заряд иона примеси компенсируется отрицательным зарядом свободного электрона и в целом система остается электро- нейтральной.

Примесь, атомы которой отдают электроны, называется донорной. При ее введении концентрация электронов в кристалле существенно возрастает и определяется в основном концентрацией атомов примеси. Одновременно происходит генерация пар электрон—дырка по механизму собственной проводимости, но количество электронов, возникающих при этом, значительно меньше, чем количество электронов, отдаваемых донорами. Поэтому концентрация электронов остается значительно выше концентрации дырок. Электропроводимость в таком полупроводнике осуществляется в основном электронами, соответственно его называют полупроводником n-типа. В таком полупроводнике электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Поскольку содержание примесей невелико, атомы примеси можно рассматривать как отдельные, не взаимодействующие друг с другом. Тогда их энергетические уровни соответствуют уровням отдельного атома и не расщепляются в кристалле на зоны. Такие местные уровни называют локальными.

На энергетической диаграмме полупроводника л-типа (рис. 3.3, б) введение донорной примеси отражается появлением в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости расположенных близко друг от друга локальных уровней энергии, занятых избыточными валентными электронами атомов доноров при температуре абсолютного нуля. Число этих локальных уровней энергии равно числу атомов примеси в кристалле.

На рис. 3.3, б эти уровни показаны двойными кружками. Ширина зоны ∆W равна разности энергий нижнего уровня зоны проводимости и локального валентного уровня донора в запрещенной зоне. Она очень мала и составляет 0,01... 0,07 эВ (в зависимости от выбранного полупроводника и материала примеси). Этим объясняется тот факт, что при комнатной температуре почти все электроны с локальных донорных уровней переходят в зону проводимости и могут участвовать в создании электрического тока.

При введении в кристалл кремния или германия примеси трехвалентного химического элемента, например индия, алюминия, бора или галлия, атом примеси, войдя в узел кристаллической решетки, образует своими тремя валентными электронами только три ковалентные связи с соседними атомами четырехвалентного полупроводника. Для четвертой связи у него не хватает одного электрона, поэтому она оказывается незаполненной, т.е. создается дырка. Для заполнения этой связи атом примеси может захватить электрон из ковалентной связи соседнего атома, так как требуемая для перехода электрона энергия в этом случае невелика. В результате присоединения лишнего валентного электрона атом примеси превращается в неподвижный отрицательный ион, а в соседней ковалентной связи появляется дырка.

Положительный заряд дырки компенсирует отрицательный заряд иона примеси, и кристалл в целом остается электрически нейтральным. Примесь, атомы которой захватывают электроны соседних атомов, называют акцепторной. Введение акцепторной примеси приводит к образованию избыточного числа дырок, концентрация которых значительно превышает концентрацию электронов, возникающих вследствие разрушения ковалентных связей полупроводника. При приложении электрического поля возникающий электрический ток обусловлен дырочной проводимостью. Полупроводник с преобладанием дырочной электропроводимости называют полупроводником p-типа. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.

Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа представлена на рис. 3.3, в. Локальные уровни энергии атомов акцепторной примеси (показаны двойными кружками) расположены в запрещенной зоне вблизи валентной зоны исходного полупроводника. Все эти уровни свободны при температуре абсолютного нуля, а количество их соответствует количеству атомов примеси в кристалле. Величина энергии Д Неравна разности энергий акцепторного уровня и верхнего уровня валентной зоны. Она, как и величина ∆W для полупроводников n-типа, мала и составляет 0,01 ...0,07 эВ (в зависимости от материала исходного полупроводника и примеси). Поэтому при комнатной температуре все акцепторные уровни энергии оказываются занятыми электронами, которые переходят на них из валентной зоны. В результате в валентной зоне появляется большое количество вакантных уровней — дырок.

В примесных полупроводниках основные носители заряда появляются главным образом за счет атомов примеси, а неосновные — за счет разрушения ковалентных связей и вызванной этим разрушением генерации пар носителей заряда. Концентрация основных носителей заряда превышает на два-три порядка концентрацию неосновных носителей заряда. При этом удельная электрическая проводимость примесного полупроводника превышает удельную проводимость собственного полупроводника в сотни тысяч раз. Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носителей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля, либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движением ток — дрейфовым током. При этом характер тока может быть электронным, если он вызван движением электронов, или дырочным, если он создается направленным перемещением дырок. Средняя скорость v носителей заряда в электрическом поле Е прямо пропорциональна напряженности электрического поля:

v = µE.

Коэффициент пропорциональности µ называется подвижностью электронов или дырок µ_p. Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки — по ковалентным связям, поэтому средняя скорость, а следовательно, и подвижность электронов существенно больше, чем дырок. В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной составляющей тока. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются и характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа — дырками, а в полупроводниках n-типа — электронами.

3.2 Принцип действия р —n-перехода

Как уже отмечалось ранее, настоящая революция в электронике произошла вследствие перехода от вакуумной техники к полупроводниковой, поэтому целесообразно ознакомиться с основными типами полупроводниковых приборов, составляющих основу современной полупроводниковой микроэлектроники. Это биполярный транзистор, полевые транзисторы (с управляемым р—n-переходом и с МДП-структурой (МДП — металл — диэлектрик — полупроводник)) и приборы с зарядовой связью, являющиеся основным элементом современной фото- и видеотехники.

Основой работы большинства полупроводниковых приборов является р — n-переход — геометрическая граница между участками с электронной и дырочной проводимостями в полупроводнике. В области р — n-перехода меняется тип легирующей примеси и соответственно тип проводимости. Понять физический принцип работы р — п-перехода очень просто. Имеются две области с разными типами проводимости: n-типа (электронная проводимость) и p-типа (дырочная проводимость) и соответственно с разными концентрациями носителей заряда. Степень неравномерности распределения носителей заряда характеризуется градиентом концентрации, который определяется как отношение изменения концентрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Градиент концентрации приводит к возникновению диффузионного тока. Естественно, чем больше градиент концентрации, тем больше инициируемый им диффузионный ток.

Если концентрация основных носителей в обеих областях одинакова (р_р — концентрация дырок в p-области; — концентра-

Рис. 3.4. Схема электронно-дырочного перехода: а — распределение концентрации носителей заряда; 6 — двухслойная р—n-структура полупроводника: 1 — основные носители заряда; 2 — неосновные носители заряда

ция электронов в n-области), то такой переход называется симметричным:

                           Р_Р = .                                                       (3.2)

При этом концентрация неосновных носителей, дырок в п- области и электронов в p-области на несколько порядков меньше концентрации основных носителей. Распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда в двухслойной структуре показано на рис. 3.4, а, из которого видно, что на границе двух областей возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой — неосновными, так что дырок в p-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электронов в n-области значительно больше, чем в p-области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из p-области в n-область, а электроны — из n-области в p-область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с электронами; по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в p-область, постепенно рекомбинируют там с дырками и концентрация их также уменьшается.

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела p- и n-областей создает ток диффузии в р—n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов. Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок:

                           = + .                                         (3.3)

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях некомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси. В результате образования по обе стороны границы между р- и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в р-п-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области p-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них потенциальным барьером. В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где выступили неподвижные заряды противоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно р-п-переход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называется обедненным слоем. Он обладает большим удельным сопротивлением. Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей заряда. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через р—n-переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в р—n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих: