«Материалы и компоненты микроэлектроники»

Вид материала

Конспект

Содержание 1.МАТЕРИАЛЫ и их важнейшие свойства Материаловедение – наука о связи: состав(вещества)- структура- свойства(материала). Основное свойство материала Материалы – основы классификации Основы взаимодействия веществ Свойства материалов Простые и сложные свойства Теплофизические свойства Тепловое расширение и температурный коэффициент Стойкость к термоудару без разрушения Электрические свойства материалов Электроны и дырки Оптические свойства материалов На шероховатых образцах возможно рассеяние за счет отражения. Обобщение классификации свойств и важные дополнения Собственная и примесная проводимости намного меньше, чем для процесса генерации. Произведение концентраций электронов и дырок всегда имеет вид Примесная проводимость Ширина запрещенной зоны g Некоторые дополнения ... Полное содержание

Подобный материал:

• Семинар \"Новые магнитные материалы микроэлектроники\" (нммм 19). 28 июня 2 июля 2004,, 23.32kb.
• Программа междисциплинарного экзамена в магистратуру по направлению подготовки 140400, 58.97kb.
• Материалы микроэлектроники, 673.1kb.
• Xxi международная конференция, 74.63kb.
• Материалы по формированию информационной культуры личности, 1294.57kb.
• Концепция управления бизнес процессами 3 Процесс и его компоненты 4 Состав типовых, 1288kb.
• Системы, оборудование и компоненты, 6602.7kb.
• 9 анализ модели с мультипликативной компонентой:, 108.81kb.
• Методические указания для подготовки к входному компьютерному тестированию по дисциплине, 420.75kb.
• Республики Беларусь «24», 3587.94kb.

«Материалы и компоненты микроэлектроники»

Авторский (неофициальный) вариант конспекта лекций по курсу

доц. Крутогина Д.Г.

В качестве основы конспекта использованы следующие учебные пособия

В.М.Андреев, М.Н.Бронгулеева, С.Н.Дацко, Л.В.Яманова - Материалы микроэлектронной техники. Радио и Связь , 1989г.

В.В.Пасынков, В.С.Сорокин - Материалы электронной техники. ВШ, 1986г.

Автор готовил данный конспект для «собственного пользования», как канву для чтения лекций студентам второго курса ф-та ПМП

В качестве пособия для изучения лекционного материала данный конспект недостаточно разработан и только дефицит учебной литературы вынуждает меня предложить его в таком виде на сайт. Приглашаю своих слушателей и читателей поучаствовать в дальнейшей работе над конспектом. Это можно сделать, например конспектируя реальные лекции и предлагая (лучше в электронной форме!) дополнения и поправки.

Можно при освоении этого материала лично обратить внимание лектора на непонятные, логически неочевидные места. Для этого неплохо бы пристроить к сайту блок обратной связи или почты. Выражаю благодарность своим помощникам: инженеру кафедры ТМЭ Акимовой Татьяне Васильевне за первоначальную организацию материала и студенту гр ТЭМ 02 Алексею Боеву за инициативу и помощь в создании данной веб-страницы

Структура курса и структура этого пособия очень проста: в первом разделе рассматриваются основные свойства, характеризующие тот или иной материал, далее следуют три раздела, рассматривающие три основных класса

Электронных материалов: Полупроводники, Проводники, Диэлектрики. И всё! Опыт показал, что на некоторые важные, актуальные, но частные проблемы ( стекла и стеклокомпозиты, сверхпроводники , в том числе высокотемпературные, магнитные материалы и т.п.) просто не хватает времени.

1.МАТЕРИАЛЫ и их важнейшие свойства

Вещество - совокупность связанных атомов, молекул или ионов. Форма веществу не присуща.

Материал - продукт частичной переработки вещества в изделие, отвечающий потребностям производства. Материал имеет определенный состав, структуру и внешнюю форму. Пример: Сталь – вещество. стальная проволока-материал. Часто материал уже в наименовании несет целевое назначение: Пример «солнечный кремний», «электронный» кремний (для электроники).

В ряде случаев понятие материал совмещено с понятием изделие – Пример- эпитаксиальная структура.

Материаловедение – наука о связи: состав(вещества)- структура- свойства(материала).

Здесь понятие структура - характеризует размещение атомов Только за счет изменений состава или только управляя структурой. свойства материала не оптимизируешь. Надо и то и другое изучать во взаимосвязи

(Материаловедение как самостоятельная учебная дисциплина изучается на 3-ем курсе. Здесь будут использованы только отдельные понятия этого курса)

Основное свойство материала - стабильность - поэтому газы и жидкости,

Которым не свойственна стабильная форма- не материалы, а вещества.

Стабильность - сохранение строения и формы материала в некоторых пределах изменения внешних условий ( распространенный Пример: интервал температур:-60^о - +120^оС ) и в течение длительного времени.

Изменчивость абсолютна – стабильность материала относительна . Движение носителей заряда, диффузия и миграция атомов, дефекты структуры и их взаимодействие обусловливают непреодолимую изменчивость свойств материалов. В некоторых случаях необходимо говорить о старении материалов, как о закономерном изменении их свойств.


Сущность, свойство , качество материала

Сущность вещества и материала -его состав и тип химических связей в нем. Свойство - практически важная сторона сущности. Свойство - черта именно данного материала. Мерило свойства - параметр.

Для характеристики вещества достаточно свойств. Для технического материала нужно качество. Качество – способность материала выполнять в изделии заданные функции. Качество всегда относят к изделию, но с оговорками и к материалу. Для некоторых приборов данный материал обладает высоким качеством, но для других приборов этого недостаточно.

Эффективность того или иного материала часто определяется его универсальностью, т.е. пригодностью для многих назначений, многих форм, многих основных условий. Позже будет показано, что этим и хорош

например, кремний

Электроника впервые как отрасль техники сделала ставку на монокристаллы, как основной тип структурного состояния материала. Именно монокристаллы обеспечивают однородность свойств в разных частях материала, их воспроизводимость, применимость теоретических моделей формирования нужных свойств к реальным объектам.

Управление свойствами за счет структуры достигает иногда такого совершенства, что, например , кремний удается получить в виде полупроводника, проводника и диэлектрика только за счет формирования в нем разных типов и концентрации структурных дефектов.

Пример В тонких пленках металлов и полупроводников исследователи обнаружили ряд отличий от объемных свойств тех же веществ:

размерные эффекты( зависимость некоторых свойств от толщины пленки);

механические напряжения на границе пленка-подложка;

неравномерность химического состава;

электромиграцию и электродиффузию.

Потребовалось создание теории тонких пленок для объяснения выявленных особенностей таких материалов


Материалы – основы классификации

В принципе в РадиоЭлектронной Аппаратуре( далее-РЭА) важнейшие свойства - электрические и сложные: электрооптические, магнитоэлектрические, акустоэлектрические и т.п.

Основы классификации:





А)по типу пространственного распределения электронов ( или химической связи)

б)по типу проводимости: Проводники, полупроводники, диэлектрики

в) по структурному состоянию.

Как и многие классификации – эта- условна . Реально химические связи чаще всего “гетеродесмические” - т.е. смешанные. А свойства материалов наследуются от связей. Поэтому вопреки принятым обобщениям есть хрупкие металлы, вырожденные(похожие на металл) полупроводники и тому подобные исключения из простых правил

Обобщенно можно утверждать, что кристаллическое состояние наиболее важно для полупроводников, аморфное -весьма благоприятно для диэлектриков, поликристаллическое - для металлов, хотя и для этих утверждений есть оговорки и исключения.

Основы взаимодействия веществ

Многие материалы состоят из нескольких химических элементов. Смешение веществ А, В, С , и т.д. легко реализуется в газах (идеально) - образуется раствор, труднее, но часто возможно, в жидкостях.

Закономерности смешения подробно рассматривает наука Физическая Химия, в данное время изучаемая также в четвертом семестре . Поэтому не вдаваясь в детали и доказательства постараемся рассмотреть некоторые результаты смешения элементов в твердом состоянии.

Разнородные атомы - в реальности не те инертные разноцветные шарики ,которые демонстрируются на кристаллографических моделях. Сближаясь при упорядочении в структуру твердого тела атомы проявляют некоторое химическое сродство (или несродство) друг к другу. Поэтому возможны разные результаты смешения . Пример, Sn – Pb, в общем-то два близких по свойствам металла 1У группы ПС. При совместной кристал-лизации расплава их атомы проявляют несродство: а именно стремятся выстраивать связи с себе подобными А А; В  В , А В  Результат- твердая смесь микрокристаллов свинца и олова, между прочим -полезный и необходимый материал электроники- припой.

Другой вариант: атомы А  В проявляют сильное сродство друг к другу. Результат -реакция взаимодействия (химическая реакция), образуется новая кристаллическая решетка, у нового вещества своя температура плавления, и, естественно, свой набор свойств, отличных от свойств А и В. Пример сильного химического сродства элементов той же 1Угруппы ПС

Si + C = SiC( карбид кремния)

Третий вариант смешения: При плавлении А растворяется в  В или В растворяется в  А ( до некоторой степени ) –при затвердевании расплава получается твердый раствор. Тип и параметр его решетки близок чистому А или В, свойства в зависимости от состава сначала меняются плавно. Допустим, атом(В) занимает место в узлах решетки А ( раствор замещения), или в междоузлиях - раствор внедрения, или в узлах, но с одновременно возникающими вакансиями V ( раствор вычитания) . Рисунок иллюстрирует строение двух видов твердых растворов.

Т
вердые растворы легко образуются в пределах веществ одной группы ПС , например, Ge - Si , Au - Ag - Cu; Fe - Co - Ni и т.п., но хуже между классами. Например, Металлы плохо растворимы в полупроводниках – обычно лишь сотые или тысячные доли %. Твердые растворы называются сплавами ( для металлов и п/п ) и демонстрируют многие полезные ( а иногда уникальные) свойства. Поиск новых сплавов и исследование их свойств – любимое занятие студентов и преподавателей в институте стали и сплавов. Можно говорить о сплавах А-В-С-D- ...и т.д. до 10 и более компонентов.

Обычно сплавы-смеси не очень механически прочны. Но иногда они технологически удобны – жидкоподвижны, относительно легкоплавки, образуют полезные композиции ( напр. чугуны, бронзы, силумин). Многие литейные сплавы - по сути-смеси исходных веществ или их твердых растворов..

Химические соединения - АВ, АС, АВС и более сложные– их признаки : строгая формула, собственный тип решетки, своя температура плавления. Безумное разнообразие свойств и сочетаний типов химической связи. Например: только в группе полупроводниковых А³В⁵ - несколько десятков соединений со свойствами от почти металлических до диэлектрических. Примеры:

BN -диэлектрик ( эквивалент алмаза), GaAs- полупроводник,

InSb - почти металлические свойства и рекордное значение подвижности носителей заряда

Химические соединения образуют растворы - тройные, четверные ( А¹_х А^п_1-х)[B¹_уВ^п_1-у] -и эти растворы тоже демонстрируют новые свойства.

В химических соединениях с полупроводниковыми свойствами очень важна стехиометрия. А требование это бывает непросто реализовать! Пример: GaAs ( имеется улетучивание молекул As из расплава при температуре плавления 1240 С) , подобное имеет место для InP (P), GaN. Вследствие этого в результате кристаллизации получается что-то типа ( Ga Аs_1- ),где  - некоторое весьма малое число, пусть 0,001. В итоге это что-то состоит из 10²² атомов галлия и мышьяка и 10¹⁹ атомных вакансий( в позициях мышьяка) на кубический см объема, т.е. весьма дефектной структуры


Свойства материалов


Конструктор прибора, изделия выбирает материалы руководствуясь их свойствами - учитывая иногда их десятки и более. Нужна классификация ,см. рис.

О
сновные группы свойств: физико-химические(ФХ) и потребительские. А среди ФХ свойств имеются две подгруппы: функциональные и технологические ( по способности к обработке )- далее по рисунку.

Материал “технологичен” - если имеет благоприятный комплекс свойств “ФХ и П”. Как всегда деление отчасти условно - например, высокая температура плавления обычно повышает термостойкость материала , но одновременно может затруднять термообработку. Малотехнологичный материал потребует сложной технологии обработки и станет дорогим( П-свойство).

Свойства делят на структуро-чувствительные и структуроустойчивые; на усредненные и экстремальные. Экстремальные свойства - те, которые к своему пределу стремятся не во всем объеме, а локализуются. Например, шейка, возникающая при разрыве металлического образца на механических испытаниях, трещина и т.п. Прочность, коррозионная стойкость – экстремальные свойства материалов;

на изотропные и анизотропные ( пример -волокна).; на простые и сложные свойства.

Зная свойства компонентов - можно ли предвидеть свойства системы? Далеко не все свойства многокомпонентной системы можно предсказать - только аддитивные – например, плотность и то , если нет в системе химического соединения. Что может быть и чего не может быть в многокомпонентной системе – вопрос, требующий отдельного изучения, но скажем сразу, что простых (однокомпонентных) материалов не так то много.

Простые и сложные свойства Сложные свойства проявляются при воздействии нескольких полей: например, изменение электросопротивления при действии на материал магнитного поля, это магнитосопротивление, или тензочувствительность(зависимость проводимости от приложенного к материалу механического напряжения), или фотопроводимость и т.п. Изучение сложных свойств – перспективный путь создания новых образцов техники.

Есть свойства фундаментальные, практически неуправляемые - они характеризуются параметром Пример – для кремния : плотность, ширина запрещенной зоны ( _Si = 1,12 эВ ; a - 5,2 А, d = 2,3г\см³ ).

Есть свойства характеристические – они меняются в некотором диапазоне значений Пример _si = 10^-3 – 10⁺⁴Ом.см

Далее рассмотрим важнейшие группы Физико-химических свойств


Механические свойства


Способность материала противостоять разрушению - это прочность, а противостоять деформации - это жесткость. Деформация всегда предшест-вует разрушению. К механическим свойствам материалов кроме жесткости и прочности относят еще фрикционные и акустические свойства.

Жесткость материалов РЭА важна для корпусов, плат, осей - там, где важны размеры и относительные положения деталей. Иначе будут нагружаться и разрушаться места пайки, контакты, проводники и т.п. Иногда в радиоаппаратуру специально вводятся детали малой жесткости - пружины, буфера, торсионы. Следует предполагать, что такое электронное устройство как мобильный телефон или калькулятор рано или поздно упадет из рук или со стола, и конструктор должен предусмотреть в нем детали компенсации ударных нагрузок.


Разрушение – предельная стадия деформации(Д) В начальной стадии






деформации происходит обратимое изменение размеров и формы изделия. На второй стадии- пластической (ПД)- имеет место необратимое изменение размеров и формы. Реализуется (ПД) движением дислокаций ( понятие о дислокации - рис. 2-13, 2-14, более детально в курсе кристаллофизики; пластическая деформация материала рассматривается как процесс движения дислокаций-рис 3-2)

Д
иаграмма растяжения (рис 3.4) позволяет оценить упругие и пластические свойства основных конструкционных материалов

Упругая деформация описывается законом Гука



где Е - модуль упругости (Юнга);

_пу – предел упругости (пока еще соблюдается закон Гука);

_т - предел текучести, здесь уже проявилась пластическая деформация, но она мала и нормирована, например, не более 0,02%.

Е -фундаментальный параметр, т.к. не предполагает существования и движения дислокаций

 - напряжение [П][н/м²]

 - относительное удлинение в %.(деформация)

_т - предел текучести - удлинение 0,2% - тут площадка на кривой - материал “течет” без увеличения нагрузки - дальше нагружать его уже опасно.

_в – временная прочность, состояние предшествует разрушению и характеризует максимальную прочность материала в среднем.

Рассчитывать рабочее напряжение изделия нужно с запасом прочности

_т = 1,25 2 _раб ; _в = 2 - 4 _раб .

Осевое растяжение изделия обычно сопровождается его поперечным сжатием. Коэффициент Пуассона  связывает эти параллельные процессы

00,5. Для металлов  =0,25  0,35 . Для резины =0,5 .

Движение дислокаций - большая удача, оно предотвращает локальное накопление напряжений в одном месте. В хрупких телах этого нет и потому они хрупки!

Твердость - важное механическое свойство, но трудно определимое. “Твердость” - сопротивление пластической деформации при статической нагрузке - статическая твердость, при динамической нагрузке - динамическая твердость. Сопротивление истиранию и царапанию - тоже твердость.

Методов измерения твердости несколько:

НВ – По Бринеллю( в объект с определенным усилием вдавливается стальной шарик), HR по Роквеллу, HV - по Виккерсу. Судят о твердости по площади отпечатка.

HV – вдавливается малый шарик и малая нагрузка ( оценивается твердость в приповерхностных слоях материала или изделия)

НВ - большой шарик – оценивается более достоверно твердость в объёме.

Ударная вязкость - склонность к хрупкому разрушению при боковом ударе на копре. Параметр - отношение энергии разрушения к площади сечения разрушения Например, хрупкие металлы - 100-200 кДж/м²

пластичные металлы - 500-1000 кДж/м².


Микротвердость - важный механический параметр в полупроводниках, оценивается по отпечатку вдавливания алмазной четырехгранной микропирамиды с усилием 50-100г.

Теплофизические свойства

Важнейшие теплофизические свойства материалов для РЭА - способность отводить тепло от радиокомпонента –т.е.

1) теплопроводность;

2) теплостойкость (нагревостойкость).

Теплоотдача, как известно, осуществляется тремя физическими механизмами . Теплопроводность –передача тепла через твердое тело. Колебательное движение атомов имеет волновой характер (фонон - квант тепловой энергии продольных атомных колебаний). Фононная теплопроводность – основная в твердых телах при умеренных температурах, но там, где есть подвижные электроны –существует еще и электронная теплопроводность, а при высоких температурах в твердом теле есть и фотонный перенос тепла. Количество фононов в единице объёма зависит : от теплоёмкости С ( Дж/м³К), от средней длины пробега фонона (порядка нескольких межатомных расстояний ( 1-10 нм ) и скорости движения , близкой к скорости эвука V_зв в этом материале




для расчетов удобнее





- тепловая мощность, передаваемая через поперечную площадку 1м², при градиенте температур Т/l = 1 К/м

Q/t - мощность; Т/l – температурный градиент, S - площадь . Размерность теплопроводности- Дж/сек .

У материалов со свободными электронами(металлов, легированных полупроводников) за счет электронов  должна быть выше, но есть исключения - С - алмаз и ВеО - ионная керамика. Для алмаза С - 500 Вт/м^. К ; ВеО  360 ; Al - 200; Si - 130. Стекло  1 ; пластмассы  0,1 . Сравнительно

дешевый тепло-(или хладо-) провод для физического эксперимента можно сделать из меди.


Но вот пример давления потребительских свойств на конструктора. Алмаз - очень дорог и трудно обрабатываем, ВеО - очень токсичен ( в пылевидной форме) в процессе производства, что мешает широко использовать их как теплопроводящие материалы. Зато синтетический

нитрид алюминия Al N –аналог алмаза по типу и прочности связей-

весьма перспективный теплопроводный материал.






Тепловое расширение и температурный коэффициент

линейного расширения( ТКЛР)

Процесс теплового расширения , т.е. увеличения всех линейных размеров при нагревании хорошо известен из школьной физики.

Размерность ТКЛР - - ( К^-1), но практически важно знать  материала в том или ином диапазоне температур.

SiO₂ (кварц)  = 0,5^.10^-5 К^-1 ( от 20 до 900^оС ).

Si (кремний) = 5^.10^-6 К^-1

 для полимерных материалов 5^.10^-5 К

Кварц обладает уникально низким значением ТКЛР и это замеча-тельно. Благодаря этому кварц выдерживает резкие перепады температур, термоудары, кварцевые стабилизаторы частоты очень термостабильны.

В технологии микросхем мы неоднократно наносим пленку SiO₂ на Si ( примерно при 800-1100^оС). И потом охлаждаем эту структуру до комнатной температуры- ТКЛР вызывает сжатие пленки и растяжение подложки, где Т - сразу дает l/ l , т.е.деформацию. А деформация в упругой решетке кристалла порождает напряжения по закону Гука, что может привести

В неблагоприятных случаях к генерации дислокаций


Нагревостойкость При повышенных температурах в материалах

Возможны различные процессы : для стекол - размягчение , для п/п и металлов - легче возникают и движутся дислокации, для пластмасс разрушаются-рвутся молекулярные связи (т.е. происходят необратимые изменения в материале).

Таким образом, нагревостойкость - свойство сохранять состав и структуру при повышенных температурах.

Стойкость к термоудару без разрушения R_ту  _в/Е  - сложное термомеханическое свойство. Для металлов этот параметр весьма значителен, для хрупких керамик - не очень, кварц и ВеО ( брокерит) - рекордсмены.

Пример:Сделать радиолампу без стекла или керамики нельзя , а выводы лампы за доли минуты после включения нагреваются до сотен градусов. На границе вывод-диэлектрик возникают значительные напряжения

Электрические свойства материалов

Электрон в вакууме - электрон в атоме - свободный электрон в твердом теле - в принципе три разных физических объекта. Для электронов в твердом теле валентная зона (ВЗ) возникает при расщеплении атомных уровней в зоны. У металлов ВЗ не заполнена и электроны могут повышать свою энергию за счет внешнего поля и двигаться, наращивая кинетическую энергию Е=mV²/2 .Поэтому проводник и при О К - проводник.

В полупроводнике и диэлектрике валентная зона заполнена до некоторого предела –а далее лежит зона запрещенных значений энергии для электронов - Е(Е_g) Природа запрета - квантовомеханическая и здесь не обсуждается. Ближайшая зона, где есть свободные уровни энергии - зона проводимости. Для п/п зазор энергий 0,1  Е_g  3,0 эВ , у диэлектриков Е_g  3 эВ, но деление материалов на ПП и диэлектрики по ширине энергети-ческого зазора условно.

Металлы имеют высокую концентрацию свободных электронов n_e  10^2122 см³ , т.е. почти каждый атом металла легко отдает электрон при любой температуре. Полуметаллы ( например –висмут) расстаются с электронами труднее – в среднем лишь один атом из 1000 отрывает от связей электрон .Полупроводники ведут себя по -разному: от 10¹⁰ до 10²⁰ ат/см^-3 , это зависит от многих обстоятельств ( внутренних: Е, структура или внешних: температура, облучение и т.п.).

В некоторых пределах концентрация свободных электронов



где k  8^.10^-5 эВ/К ( при Т_комн =300К kT  0,024 эВ ). Тогда
n для узкозонных полупроводников порядка 10^1920 эл/см³ , для широко-зонных – (Е_g = 3 эВ) n  10^-4 эл/см³ ( всего 100 электронов в кубометре полупроводника! ), т.е. в широкозонном П\П почти нет носителей. Константа С - порядка числа атомов в 1 см³.

Подвижность - скорость направленного ( дрейфового) движения заряженных носителей в единичном поле

 = V / E [ ]

 - в металлах  10(обратите внимание- невелика!) ; в п/п -  10³ .- подвижность ионов в твердом диэлектрике 10^-27 (мизерна!)

О подвижности–подробнее в разделе ПОЛУПРОВОДНИКИ

Проводимость  = n e  ,

где е - заряд электрона - 1,6^.10^-19 К

 (удельное сопротивление ) = 1/ [Ом.см]

Наименьшее известное значение  при обычных температурах - 10^-6 ( у серебра)  наибольшее -10²⁰ (фторопласт) Следовательно, мы имеем разбег этого электрического параметра материалов на 26 порядков!

Для проводящих и резистивных пленок используют понятие поверхностное сопротивление _s= _v /  [Ом], где  - толщина пленки

Электроны и дырки - два типа носителей. Дырка - квазичастица - она отражает факт отсутствия электрона в некоторых ковалентных химических связях. В отличие от электрона извлечь дырку из П\П и обследовать- нельзя!

В металлах дырок нет, ковалентные компоненты связей не отдают электроны в зону проводимости. Хоть дырка является квазичастицей –она в П\П характеризуется собственной подвижностью, обычно меньшей чем у электрона, собственной эффективной массой и зарядом “+е”.

Оптические свойства материалов

Эти свойства важны для материалов оптоэлектроники, т.е.таких,

где электрический сигнал преобразуется в оптический или наоборот.

Но не менее важны эти свойства для анализа свойств электрических. Оптическое излучение поглощается в полупроводниках и может создавать пару носителей, т.е . изменять электрическое состояние материала.

Свет падающий на П\П частично отражается, частично





проходит, частично поглощается . Соответственно этим явлениям имеются три коэффициента - поглощения, отражения, пропускания.

Коэффициент поглощения  [см^-1] Определяется из формулы

I/I_o = e^kl , т.е. k - обратная величина расстояния l, проходимого светом в веществе, на котором начальная интенсивность света I₀ ослабевает в е раз. Для вакуума k = 0, для металлов  10⁵. Несмотря на столь большое погло-щение в очень тонких (доли микрометра!)слоях даже металлы немного пропускают свет.

Пропускание оценивают как Т= I/I_o . под интенсивностью света

Понимают число квантов проходящих через единицу площади материала в единицу времени. Поскольку квант- это энергия, размерность

интенсивности I [Вт/м²] , а пропускание Т- выражается обычно в %.

Коэффициенты k и T зависят сильно от длины волны падающего излучения. Окна прозрачности есть в каждом материале. На шероховатых образцах возможно рассеяние за счет отражения. Коэффициент отражения определяется как R = I_отр / I_o и тоже зависит от длины волны, Для металлов R = 0,8  0,97.


Обобщение классификации свойств и важные дополнения


1) Электронные мостики - это не пути движения электронов, а области максимальной вероятности их нахождения, т.е. это направления наиболее прочной связи. Связи бывают направленные и ненаправленные. Направленность связи придает материалу жесткость, хрупкость;

2) все полупроводники, изображенные на рисунке - диэлектрики!. Те электроны, которые там изображены в составе электронных мостиков- не свободные, и значит не участвуют в проводимости. Чтобы была прово-димость - нужны свободные носители заряда и их направленное ( общее , кооперативное) движение. Причины этого движения - либо электрическое поле, либо градиент их концентрации ( тогда это диффузия носителей );

3) принципиальной разницы между полупроводником и диэлектриком пока не введено. При О К - любой беспримесный полупроводник == диэлектрик;

4) понятие донорный - акцепторный полупроводник относится только к примесным полупроводникам. ( Идеально чистые полупроводники - всегда собственные). Вводимая или остаточная(фоновая) примесь может влиять или не влиять на проводимость, но на какие-то иные свойства все-таки влияет. Если примеси меньше 10¹¹ - 10¹² ат/см³ - мы не чувствуем ( сегодня, на нынешнем уровне наших инструментальных возможностей!) её влияния на полупроводник.

5) подвижность - характеристика движения носителя заряда в внешнем поле. Это понятие применимо к процессам в металлах, полупроводниках и диэлектриках, но наиболее важно в полупроводниках

2.ПОЛУПРОВОДНИКИ

Полупроводники(П\П) –материальная основа современной радиоэлектроники, а также её ближайшего будущего.

Основные признаки полупроводников :

1. диапазон удельных сопротивлений  = 10^-4 10⁺⁹ Ом.см ,но не это главное. В этих же пределах могут быть значения  у некоторых диэлектриков, у металлов;
   
2.  у полупроводников можно изменять в широких пределах до 10^34 раз, этого нет у металлов и диэлектриков. В диэлектриках нет электрически активных примесей;
   
3.  у полупроводников резко меняется при подводе внешней энергии: такой как излучение, тепло, радиация, механические напряжения. Эта особенность проявляется только у полупроводников;
   
4. Температурная зависимость  полупроводников отлична от металлов;
   
5. При высокой химической чистоте и структурном совершенстве свойства многих полупроводников однозначны и предсказуемы. Это облегчает расчеты и проектирование приборов.
   

Собственная и примесная проводимости

Электроны внешних атомных орбиталей, занятые в образовании химической связи с соседними атомами называются валентными. Квант энергии , взаимодействуя с атомом, может в некоторых случаях разорвать связующую электронную орбиталь и освободить один из электронов с этой орбитали. Этот электрон станет свободным носителем заряда. На связующей орбитали возникнет дефицит отрицательного заряда, т.е. как бы положительный заряд, называемый дыркой. Вокруг одной дефицитной орбитали находится множество нормальных неискаженных орбиталей и дырка(дефицит заряда) может перемещаться с орбитали на орбиталь в объеме ПП как эффективный положительный заряд. Т.о. дырка- тоже свободный носитель заряда, положительного и численно равного заряду электрона. Итак, в рассмотренном случае, один квант энергии, полученный извне или как флуктуация тепловой энергии кристалла создал( генерировал) два свободных носителя заряда. Это событие называется генерацией, а появившиеся носители- собственными, т.к возникли они за счет собственных атомов ПП.

Наличие двух свободных носителей заряда свидетельствует о повышенной энергии кристалла в целом, а такая ситуация энергетически невыгодна, неравновесна. Рано или поздно свободный электрон может оказаться рядом с дефицитной орбиталью(дыркой) и будет ею захвачен, т.е водворен на своё равновесное место. Избыточная энергия выделится в виде кванта тепловой или оптической природы. Такое событие называется рекомбинация носителей.

Физически картина Генерации=Рекомбинации строго симметрична, но статистически совсем нет. Для рекомбинации электрон и дырка должны встретиться в некотором объёме кристалла, попасть в электрическое поле друг друга. Вероятность этой встречи

намного меньше, чем для процесса генерации. Произведение концентраций электронов и дырок всегда имеет вид

np = n_i²

Полная проводимость выражается суммой  = e (n_n + p_p )

При достижении некоторой повышенной температуры любой полупроводник становится собственным, т.к. избыточной тепловой энергии достаточно для генерации большого числа собственных носителей.

Примесная проводимость

Примесная проводимость в полупроводнике возникает за счет избыточных ( или недостаточных) для образования связей электронов у тех атомов примеси, которые заняли место собственных атомов в решетке ПП Для элементарных ПП из1У группы наиболее важные легирующие примеси находятся в соседних группах ПС, в 111 и У. В запрещенной зоне уровни этих примесей лежат поблизости от границ зоны. Энергетический

Зазор между примесными уровнями и ближайшей границей зоны называется энергией активации примеси и характеризует ту энергию, получив которую

Примесный атом освободит свой избыточный(несвязанный) электрон.

Мелкие примесные уровни с Е_а  0,01 – 0,1 эВ легко активизируются уже при комнатной температуре. Например, примесь Sb в Ge при концентрации 10¹⁶ см^-3 имеет Е_а = 0,0096 эв и полностью ионизирована(освободила пятый валентный электрон!) уже при 32 К. Если валентность примеси на 2 и 3 отличается от валентности полупроводника, то уровни будут глубокими, да еще их может быть несколько. Глубокие уровни не так легко ионизируются , но способствуют захвату свободных носителей, ускорению рекомбинации.

Зная концентрации собственных носителей заряда в Ge n_i(300К) = 2,5^.10¹³ см^-3 , . в Si - n_i(300К) = 10¹⁰ см^-3 можно вычислить количество дырок в электронном Ge. Например, при концентрации примеси n - 10¹⁵ : n_i² | n = р=6,2^.10¹¹ см^-3

Получить собственный полупроводник можно глубочайшей очисткой, но это дорого ( например, чистый Ge со значением удельного сопротивления, равным теоретически рассчитанному уже получен, кремний, несмотря на пятьдесят лет технологических усилий – еще нет). Но с помощью компенсации примесей разного типа можно сделать высокоомный полупроводник. При этом перелегировать мелкие акцепторы мелкими донорами тоже довольно сложно. А вот компенсировать мелкие уровни одного типа глубокими уровнями очень удобно. Если даже и ввели при этом избыток глубоких уровней, то проводимость не возрастет, т.к. энергия активации глубоких уровней. достаточно велика и не создает примесных носителей. При корректной компенсации сопротивление

_{комп } _собст –

и такой материал называется полуизолирующим (сопротивление полуизолирующего GaAs достигает 10⁸ Ом.см).Естественно, собственным его называть нельзя, ведь разных примесей в нем не так и мало.

Итак, на практике имеем 4 возможных состояния полупроводника: высокоомное собственное(т.е.почти беспримесное) , электронное n^- , дырочное p^- , высокоомное компенсированное






Рисунок показывает температурную зависимость проводимости полупроводника в широком интервале температур и концентраций легирующей примеси (координаты ln  - 1|T -общепринятые для этой зависимости называются координатами Аррениуса).

При высокой концентрации примеси, когда уровень донорной примеси расширяется в зону (см. рис.) верхний уровень зоны смыкается с дном зоны проводимости Е_С . Такая ситуация называется вырождением.

Для реализации вырождения нужно, чтобы примесь достаточно хорошо растворялась в полупроводнике.

Ширина запрещенной зоны g

g слабо зависит от температуры ( убывает). g не рассчитывается аналитически, но связана с величиной параметра решетки ПП и прочностью связей. g определяет край оптического поглощения h = g

_крит = 1,24 / g ( если g в эв, а  в мкм ), т.е. при g = 1 эв _кр = 1,24 мкм( это инфракрасное излучение ), при g = 2 эв _кр = 0,62 мкм– это красный свет.

Таким образом, по длине волны края поглощения _кр можно определить g . Это оптический метод оценки ширины запрещенной зоны.

Другой метод оценки- термический - по температурной зависимости проводимости, см. рисунок выше..

Некоторые дополнения

1. Прямозонные и непрямозонные полупроводники ( понятие ).
   

Рассматриваемая в координатах энергии и импульса носителей поверхность дна зоны проводимости( а также и потолка валентной зоны!) совсем не выглядит ровной плоскостью. На ней наблюдаются холмы и долины, а иногда и глубокие ямы! Шириной запрещенной зоны считают всегда минимальное расстояние между самой глубокой долиной дна зоны проводимости и самым высоким холмом потолка валентной зоны. Но довольно часто случается, что вершина такого холма и дно долины лежат в разных координатах. Такие полупроводники называют непрямозонными. Ну а если дно долины лежит против вершины холма –прямозонными! Прямозонная структура особенно благоприятна для конструирования светоизлучающих полупроводниковых приборов светодиодов и лазеров..

2. Униполярные полупроводники – некоторые материалы не удается получить в собственном состоянии, всегда в каком-то одном::либо n- , либо p- Примеры CdS , ZnS , GaN, AlN -обычно ионов металла всегда больше. Если нет двух типов проводимости, то нет и n-p перехода. Сделать приборы на основе р-n перехода в таких материалах не удается, что ограничивает их возможные применения. Как правило, существование униполярных ПП-это вопрос несовершенства применяемых технологий получения.
   

Примеси и концентрация носителей заряда


Та примесь (донор или акцептор), которая добавляет свободные носители заряда, называется электрически активной. Чтобы стать активной, примесь должна получить Е_акт – это нетрудно, но для «мелких» примесей. Электрически активной может быть только примесь, занявшая положение полупроводникового атома, т.е. положение в узле решетки, т.е. образующая с ПП твердый раствор замещения.

Ковалентный R_ат примеси всегда отличается от R_п/п , и следовательно примесный атом – по крайней мере геометрический точечный дефект в полупроводнике. В окрестностях атома примеси имеет место локальная деформация решетки. Заняв место в ковалентной решетке ПП атом примеси имеет ковалентный радиус ( не атомный, не ионный, не металлический ). Приведем выраженные в ангстремах(Å) ковалентные радиусы элементарных полупроводников и основных примесей: Ge , Si = 1,17 , Sb – 1,36 ; Sn – 1,4 ; C – 0,77 ; O – 0,66 ; B – 0,88 ; P – 1,10 , поэтому B,P, As – 1,18 - основные легирующие атомы ( обозначение соответствующих марок ПП-- КДБ , КЭФ , ГЭС …). При больших концентрациях примеси её ионизация не полная, т.е. концентрация свободных носителей заряда обычно меньше N_{примеси} ( рис. 4.12 ).

Важно понимать, что ионизированная примесь в полупроводнике не только механический(геометрический), но и электрический дефект. Например, примесный атом, отдавший электрон Р  Р⁺ + е^- или В + е  В^- - возникает неподвижный активный заряд в нейтральной решетке. Его электрическое поле влияет на движение носителей заряда на гораздо большем расстоянии и сильнее, чем поле механических напряжений.

Подвижность носителей заряда

Носители заряда под действием внешнего поля должны бы двигаться в решетке с ускорением. Но они рассеиваются на дефектах и колебаниях решетки, на электрических полях примесных атомов ( в том числе на глубоких примесных уровнях). И потому движутся с некоторой постоянной скоростью (подобно телу, падающему в вязкой среде). Постоянная скорость движения носителей называется дрейфовой , а у носителей есть еще тепловая компонента скорости, гораздо большая по модулю и в среднем хаотическая по вектору. Она, конечно, тоже способствует их рассеянию. При малых напряженностях электрического поля Е подвижность

 = v|E = const .

Быстродействие основного прибора электроники-транзистора

Определяется временем, за которое носитель заряда преодолеет его среднюю (базовую или подзатворную) область. Поскольку обычно _n > _p транзисторы типа n-p-n в принципе более быстродействующие, чем p-n-p . В некоторых полупроводниках _n >> чем в кремнии, например, в GaAs в шесть раз , в InSb – вообще в десятки раз, но это утверждение верно лишь при слабом легировании.

При глубоком (азотном) охлаждении тепловые колебания решетки затухают и  растет, достигая максимума около температуры кипения азота(77К). При дальнейшем понижении температуры большее значение имеет рассеяние на заряженных примесных центрах.

Рис.**********************

Измерения  и  рассмотрим на семинарах ( эффект Холла и 4-х зондовый ).


Время жизни неосновных носителей 


Ранее мы говорили о генерации и рекомбинации свободных носителей. В полупроводнике любого типа np = n_i². Но! Если ввести энергию, или заряд, возникнут избыточные носители, которые через некоторое время либо рекомбинируют, либо осядут (будут захвачены) на глубокие уровни и тоже довольно быстро рекомбинируют. Пока эти избыточные носители есть, их называют неравновесными. Скорость их рекомбинации характеризуют временем жизни  , за которое

dn | dt = - ( n-n_o)|  ; n(t) = n_c e^-t|

в е раз убывает избыточная концентрация n_c . При этом в примесном полупроводнике относительно резко изменяется концентрация неосновных неравновесных носителей, концентрация же основных по абсолютному значению меняется точно также, но по относительному сравнительно мало. Поэтому  - называется временем жизни неосновных носителей заряда (оно порядка единиц – десятков мксек). Если  велико, значит рекомбинация затруднена, нет заряженных дефектов, нет примесных центров, откуда следует (косвенно) , что наш полупроводник чист и структурно, и химически. Рекомбинация бывает объёмная и поверхностная. На поверхности кристалла всегда больше всяких зацепок для рекомбинации (поверхностные примеси-грязь, дефекты структуры.) Поэтому истинное значение  лучше измерять на больших образцах(чем больше образец, тем меньше в нем роль поверхности).

За время жизни ( среднее, конечно) неравновесные неосновные носители могут пробежать по кристаллу некоторое расстояние l – называемое диффузионной длиной. Зная коэффициент диффузии носителей D можно связать эти три параметра

l = D .

Например, в эффективном фотоприемнике нужно, чтобы возникшие у поверхности прибора неосновные носители успели( до весьма вероятной рекомбинации) пробежать до n-p перехода –значит желательна большая диффузионная длина .

D_Si = 36 см²/с D_Ge = 100 см²/с .

Кремний – основной материал полупроводниковой электроники

Благодаря рыхлой кристаллической структуре и 4-м направленным прочным связям кремний имеет ряд важных свойств.

Функциональные:

а) оптимальное значение _g , и рабочей температуры t_раб  120^оС;

б) большой диапазон возможных  = 10^-3  10⁵ (близко к собственной проводимости);

в) оптимальная Т_пл ;

г) малая плотность ( 2,3 г\см³) , низкий ТКЛР 3^.10^-6 К^-1;

д) высокая теплопроводность ( до 140 вт/К.м), как у Fe;

е) тензочувствительность -  зависит от величины упругой деформации;

ж) высокая растворимость примесей при малых искажениях решетки;

Технологические:

а) пассивирующие свойства оксида SiO₂. Оксидная пленка на поверхности кремния труднопроницаема для диффузии примесей и естественных загрязнений. Оксид SiO₂ на поверхности кремния быстро образуется даже при комнатной температуре;

б) наличие удобных для переработки соединений – хлоридов и гидридов;

в) диоксид кремния – кварц – прочный высокочистый контейнерный материал для всей кремниевой технологии. Такой контейнер обеспечивает минимальное загрязнение посторонними примесями, наиболее часто– кислородом( из тигля при выращивании), который даже иногда полезен как геттер (примесь, связывающая другие примеси и дефекты в пассивные комплексы)

г) N₄Si₃ и SiC- полезные соединения кремния для электрической защиты кремния и упрочнения графитовой технологической оснастки;

д) возможность гомоэпитаксии и гетероэпитаксии Si на Al₂O_{3(сапфир)} ;

е)Кремний- распространенный элемент – доступное сырьё – 26% массы земной коры;

ж) реализован и интересен во всех структурных формах: кремний монокристаллический, поликристаллический и аморфный. Поликристаллический – может выполнять функции проводника и контакта.

Аморфный – перспективен в солнечной энергетике.

БКЭ – бестигельный кремний электронный (Прелесть бестигельного кремния в том, что он же и бескислородный!).

Один реальный недостаток Si – низковата подвижность электронов (1400 см² \в.сек) и дырок (470). Из-за этого для сверхскоростных приборов и микросхем приходится искать другие материалы.

Другие полупроводники для РЭА

Объем учебного курса ограничивает нас в этой теме двумя примерами : германий и полупроводниковые соединения класса А^шВ^v

Германий--первый систематически изученный и технологически освоенный элементарный полупроводник. Надежные и миниатюрные точечные диоды на кристаллах германия получены еще 70-60 лет назад, первые транзисторы – 55 лет назад – тоже на Ge . Удобная, сравнительно низкая Т_пл (940⁰С) , эффективная зонная очистка позволила получить германий в состоянии собственной проводимости. Но для микросхемо-

техники он не пригодился – в германии низкие скорости диффузии примесей( а почему ?), нет активного окисления (образующийся оксид

GeO ₂ не создает защитного слоя на поверхности ).

Зато Ge активно используется в инфракрасной (ИК)-оптике – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и большие ИК-линзы. Без особых сложностей из Ge можно получить кристаллы диаметром 300-400 мм.

Недостатки германия– низкие рабочие температуры приборов 40-50^оС

( предел 70^оС), рассеянный, дорогой, дефицитный материал ( в малых концентрациях германий встречается в отходах переработки полиметаллов, в золах некоторых углей).

А^шВ^v - стехиометрические соединения с большой вариативностью свойств. Тип химической связи - ковалентная гетерополярная, кристаллическая структура- алмазоподобная

Есть узкозонные ( 0,18 ; 0,36 ), есть широкозонные ( AlAs , GaP, GaAs – 2,4 – 1,4 ev ), прямозонные ( GaAs , InP ) и непрямозонные ( GaP и др.), с высокой ( InSb , InAs , GaSb ) и невысокой подвижностью носителей. Все они кристаллизуются в решетке ZnS ( сфалерит, вюрцит ) с близкими параметрами решетки ( 0,54 – 0,61 нм ). Поэтому возможны их тройные и четверные растворы с дополнительным набором свойств. Возможна гетероэпитаксия (слои одного А^шВ^v наносятся на подложку другого А^шВ^v ) т.к. нет значительного различия параметров решетки и ТКЛР .

Особенности применения ( см рисунок ). Высокая подвижность _е обеспечивает применение некоторых А^шВ^v на СВЧ: Приборы на GaAs работоспособны до 30-40 ГГц , на InP до 100 ГГц ( миллиметровые волны ). Высокая излучательная рекомбинация в прямозонных переходах с КПД преобразования энергии в свет до 10-30%, в основном, на GaAs – GaAlAs – позволила создать светодиоды и лазерные диоды ( красные , желтые).

На GaN – GaAlN – в последние годы созданы зеленые, синие, фиолетовые светодиоды и лазеры. На RGB (red-green-blue) светодиодах можно реализовать перестраиваемый полноцветный излучатель, на ультраярких зеленых светодиодах – белый светодиод со вторичной люминесценцией. На GaAs и многих других А^шВ^v трудно добиться стехиометрии, но можно эффективно перелегировать их глубокими акцепторами и создать «полуизолирующий» GaAs с  - 10² – 10⁸ Ом.см и   5 – 7 1000 см²/в.сек . Можно сделать БИС на полуизолирующей подложке. Можно создать сверхрешетки(многослойки А^шВ^v) с высокой концентрацией n_e в одном слое и высокой _е в соседнем. Толщина слоев: 10-30 атомных слоев ( рис.6.8). Весма перспективна и реализуема гетероэпитаксиальная пара ( Ge- GaAs ).

В технологии А^шВ^v много специфических тредностей – непросто выдержать стехиометрию, многие В – компоненты. – летучи; например N, P, As, Sb. Их соединения PH₃, AsCl₃ – еще и токсичны. Азот малоактивен при низкой температуре ( синтез нитридов более-менее активно идет при 2200^оС и выше), почти все тигельные материалы при такой температуре разруша-ются или загрязняют расплавы. Поэтому А^шВ^v – технология высшей сложности!

SiC – единственное соединение в 1У группе. Область применения--Оптоэлектроника и приборы для высокой температуры.

P – N переход и контакт Ме – полупроводник

p – n переход – это металлургическая граница двух типов легирования одного кристалла. Термин «металлургическая» означает, что получена граница высокотемпературными способами, а также то, что физической границы в кристалле между двуми по-разному легированными областями нет, кристалл структурно однороден.

n₁ – p –n₂ – два встречно включенных n – p перехода образуют транзисторную структуру. В ней обычно n₁ больше n₂ на 2-3 порядка

( например 10²⁰ – 10¹⁷ ). Транзистор- ключевой элемент полупроводниковой электроники, как дискретной, так и микросхемной

Создать n – р переход можно разными способами:

а) вплавление А^ш металла в р- кристалл 1У группы(пример- In в Ge .);

б) диффузия А^ш или В^у элемента из газовой фазы или из расплава на поверхность кристалла 1У группы;

в) в процессе роста кристалла – перелегировать исходный расплав; такой переход называется --«тянутый», к сожалению много таких переходов на кристалле не сделаешь.

г) эпитаксия (ориентированное наращивание из газовой или жидкой фазы легированного слоя на подложку)–;

д) ионная имплантация (легирующие ионы разгоняются в специальном

небольшом ускорителе- имплантере ).– это дорогой , но точный прием

легирования;

е) новый способ – сращивание пластин, взятых из 2-х различно-легированных монокристаллов пока только изучается. Он отвергает данное выше определение целостности кристалла, но обещает значительные преимущества по технологичности и качеству.

Равновесный p-n переход характерен двойным заряженным слоем ионизированных легирующих ионов и некоторой тонкой областью, где нет никаких носителей, т.е. областью с высоким сопротивлением.

Уровень Ферми характеризует среднюю энергию электронов в объёме материала и потому постоянен по любому направлению в кристалле. Вся область искажений в зонной диаграмме (толщина p-n перехода )– может составлять 0,1 – 0,5 мкм.

Контакт Металл – полупроводник

Выпрямляющий эффект границы металл-полупроводник был обнаружен ещё в 19 веке, практически использован в начале ХХ века (купроксные и селеновые выпрямительные диоды массово выпускались до 60-х годов), точечные контактные диоды – детекторы – и сейчас используются. Сейчас важны два типа контакта Ме-полупроводник:

а) выпрямляющие ( диоды с барьером Шоттки );

б) омические ( т.е. подчиняющиеся закону Ома ) – не выпрямляющие – необходимые для контакта полупроводниковые приборы с проводами ( коммутацией ), подвода и отвода управляемых токов и напряжений;

Если вероятность заполнения некоторого энергетического уровня в полупроводнике меньше, чем в металле, то при соприкосновении ( контакте) часть электронов Ме перейдет в полупроводник. Это характерно для полупроводника «р» . В результате в полупроводнике у границы число дырок уменьшится, обнажатся заряженные ионы «А^-« и возникшее на контакте поле притормозит переход следующих электронов. Это похоже на поле в n-p переходе, но возникший потенциал поменьше, заряженный слой тоньше.

Для n-полупроводника заполненные уровни с электронами лежат выше, чем в Ме , и в контакте часть их стечет в металл. Донорные ионы D⁺ в полупроводнике создадут приграничное поле, втягивающее электроны назад. Зона проводимости изогнется вверх. Барьер на границах тоже возникает. Реально на прижимном контакте это сделать нельзя, на игольчатом или напыленном в вакууме контакте– можно.

Рис.*************************


Оба типа контакта имеют слой обедненный основными носителями. _Ms =_M - _s – контактная разность потенциалов. Потенциальный барьер(наз. барьер Шоттки) работает как p-n переход, но обладает очень малой емкостью, т.к. нет процесса диффузии и накопления неосновных носителей. Может возникнуть даже инверсионный слой в полупроводнике ( толщиной 1-2 мкм ) при больших _Ms . Не забудем, что на поверхности полупроводника кроме металла есть ещё много всяких поверхностных состояний( обрывы атомных связей, выходы вакансий, неудаленные оксиды, конденсированная влага и т.п.)

Омический контакт

Пусть в контакте Ме – Р _Ms > 0 , а в контакте Ме –n _Ms < 0, во втором случае из Ме в n -полупроводник . Количество основных дырок у контакта возрастет, или основных электронов ( во втором случае ).

Так или иначе приконтактный слой полупроводника будет обогащен основными носителями и не будет участком высокого сопротивления. Значит влиять на общее сопротивление будет нейтральный слой полупроводника, а не контактный. Так работают омические контакты .Н апример, Al на поверхности Si(– напыление + вжигание )– дает омический контакт. Для Si – р Al является акцептором и дополнительно легирует полупроводник. Для Si-n типа, чтобы случайно не перелегировать его Al дополнительно подлегируют поверхность донорами до n⁺ .

Граница полупроводник – диэлектрик

( например, Si – SiO₂ )

В пленках SiO₂ всегда вероятны примеси - доноры - Na , K, H – из травильных растворов, из стеклооснастки, из остатков воды. Доноры(маленькие по размеру и достаточно подвижные) склонны вылезти на границу оксида с кремнием и зарядиться да N_⁺ , а их электроны уходят

в полупроводник и располагаются около своих N⁺ в приповерхностном слое. Для Si-p это может привести к инверсии(перемене) типа проводимости или к обеднению дырками в «р»-области. Для Si-n это приводит к дополнительному обогащению электронами и созданию приповерхностного проводящего n-канала. При поверхностной концентрации электронов N _SiO2 = ( 0,5  2)10¹² см^-2 , при толщине слоя 10^-7 м . МОП(Металл-Оксид- ПП) транзисторы работают на n-канале или на инверсионном n-канале в p_Si .

3. ПРОВОДНИКИ

Это материалы с <10^-4 Ом.см. Это такие детали радио-электронной аппаратуры (РЭА) как: контакты, токоведущие дорожки (то, что раньше было проводами) – коммутация, обкладки конденсаторов, ну и резисторы – регуляторы токов в цепи. К проводникам из веществ относим все металлы, полуметаллы – углерод (графит), As , Bi, Sb, растворы электролитов. Позже увидим, что в некоторых случаях можно эффективно использовать в качестве проводников сильнолегированные полупроводники.

Строго научный критерий металла – существование электропроводности при Т = 0 К, тогда к металлам примыкает графит и оксид ванадия VO₂ .





Металлы делятся на s-металлы(типа щелочных), p – металлы (пример Al, Ga) и металлы переходных групп ПС, среди металлов - лучшие проводники Ag, Cu, Au, Al. У переходных металлов( МПГ ) в 3-6 раз выше сопротивление. Но среди МПГ – все самые прочные, самые тугоплавкие, все магнитоактивные ( ферромагнитные) металлы. Участие в химических связях электронов из d-подоболочек делает ковалентно-металлические гибридные связи

особенно прочными.