ext_5251

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

При рекомбинации выделяется энергия, которая была зат рачена на создание электронно дырочной пары. Иногда она выделяется в виде излучения, но чаще она передается кристал лической решетке, нагревая ее. Такая проводимость называется

собственной электропроводностью полупроводников.

Дырки рождаются и гибнут только парами вместе со свободными электронами, поэтому концентрации электронов

(n) и дырок (p) в собственном полупроводнике (без примесей) равны:

p = n

Второй способ получить в полупроводнике свободные но сители заряда – намеренное введение в кристалл различных примесей. Рассмотрим ситуацию, когда в четырехвалентный проводник, например, в кремний, попадает атом пятивалент ного вещества, например, мышьяк – As или фосфор – P.

Наличие пяти валентных электронов в атоме As говорит о его способности организовывать химические связи с пятью сосед ними атомами. Но в кристалли ческой решетке кремния имеется только четыре соседних атома, с которыми можно образовать свя зи. Поэтому только четыре из пя ти валентных электронов мышья ка оказываются включенными в

прочные химические связи. Оставшийся же пятый электрон оказывается не задействованным в связях, вследствие чего в кристалле создаются дополнительные носители заряда – элект роны.

Такие примеси называют донорными. Обратите внимание на то, что, в отличие от собственного полупроводника, рожде ние свободного электрона здесь не сопровождается одновре менным появлением дырки, поскольку межатомные связи при этом не разрушаются. В результате концентрация свободных электронов в кристалле с донорными примесями значительно больше концентрации дырок:

p < n

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Полупроводники с донорными примесями называют по* лупроводниками n*типа (от англ. “negative” – отрицательный, по знаку основных носителей заряда) или электронными полуп* роводниками, а электроны – основными носителями заряда.

Возможна и противополож ная ситуация, когда в четырехва лентный полупроводник вводит ся трехвалентная примесь, нап ример индий In или алюминий Al. Для образования связей с че тырьмя соседними атомами ему не хватает одного валентного электрона. В этом случае атом примеси может легко “отобрать” недостающий электрон у соседне

го атома кремния. В результате у атома кремния возникает не полная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка). Такие примеси называют акцепторами.

Рождение примесных дырок также не приводит к образова нию электронно дырочных пар, и концентрация дырок в по лупроводнике с акцепторными примесями выше, чем концент рация электронов:

p >n

Дырки в данном случае являются основными носителями за ряда, а сам полупроводник называют полупроводником p*типа (от англ. positive положительный) или дырочным полупроводником.

Электронно дырочный переход

Любой полупроводниковый прибор основан на одном или нескольких электронно дырочных переходах.

Электронно*дырочный переход (p n переход) это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

Поскольку в полупроводнике n типа концентрация элект ронов значительно превышает концентрацию дырок (n >> p), а в полупроводнике p типа – наоборот (p >> n), то при кон

174

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

такте двух полупроводников разных типов начинается процесс диффузии: дырки из p области стремительно диффундируют (переходят) в n область, а электроны, наоборот, из n области в p область.

В результате диффузии в n области на границе контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положи тельно заряженный слой. В p области, наоборот, уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, препятствующий дальнейшему процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу. Такой слой называется запирающим.

p n переход обладает од ной удивительной особен ностью: односторонней про* водимостью, то есть способ ностью пропускать электри ческий ток только в одну сторону.

Рассмотрим два возможных варианта подачи напряжения на p n переход:

1) положительный полюс источника соединен с p об ластью, а отрицательный – с n областью.

Тогда в силу притягивания раз ноименных зарядов друг к другу напряженность электрического по ля в запирающем слое будет умень шаться. Естественно, это облегчает

переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p области и электроны из n области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p n переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через p n переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

2)положительный полюс источника соединен с n об ластью, а отрицательный – с p областью.

Такое включение приведет к возрастанию напряженности поля в запирающем слое. Дырки в p об ласти и электроны в n области не

175

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

будут двигаться навстречу друг другу, что приведет к увеличе нию концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Следовательно, ток через p n переход практически не идет.

Напряжение, поданное на p n переход при таком включе нии, называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупро водниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентра ции свободных электронов в p области и дырок в n области.

Диод

Способность p n перехода пропускать ток только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c одним типом проводимости вплав ляют капельки материала с другим типом проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт амперная характеристика кремниевого диода приведена на рисунке.

Рис 96. Вольтамперная характеристика кремниевого диода (использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений).

Транзистор

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя p–n переходами называются транзисторами, на их работе основаны все логические микросхемы. Название происходит от сочета ния английских слов transfer – переносить и resistor – сопротив

176

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

ление. Для создания транзисторов обычно используют герма ний или кремний.

Обычный плоскостной (планарный) транзистор представля ет собой тонкую полупроводниковую пластинку с электрон ным или дырочным типом проводимости, на которую нанесе ны участки другого полупроводника с противоположным ти пом проводимости. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). В условных обоз начениях транзистора стрелка эмиттера показывает направле ние тока через него.

Транзисторы бывают двух ти пов: p–n–p и n–p–n. Например, гер маниевый транзистор p–n–p типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной

проводимостью. В ней создаются две области с акцепторной примесью, т. е. с дырочной проводимостью.

В транзисторе n–p–n типа ос новная германиевая пластинка об ладает проводимостью p типа, а две области – проводимостью n типа.

Если в цепь эмиттера включен

источник переменного напряжения, два p n перехода взаимо действуют и в цепи коллектора тоже возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превы шать амплитуду входного сигнала.

Вдумайтесь в это. В радиоприемнике ничтожный сигнал, пойманный антенной, управляет мощными колебаниями дина мика. Слабые сигналы микросхем управляет моторами и иску сственными мышцами роботов. Туннельный ток СТМ мощ ностью в доли наноампера управляет макроскопическим зон дом. Как? Через транзисторы!

В транзисторе маленький ток управляет большим. Это суть электроники.

Но управление не обязательно подразумевает усиление. Можно управлять сигналами, несущими информацию – логи ческие нули и единицы. А это значит, что можно целенаправ

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ленно изменять хранимую информацию – то есть обрабатывать ее, что и делает микропроцессор, работая на двоичной логике.

В CMOS (комплементарной металл оксид полупроводни ковой) логике транзистор включен так, что нулевое или поло жительное напряжение кодирует “0”, а отрицательное “1”. По ка цепь базы разомкнута, ток в цепи эмиттера практически не идет, так как для основных носителей свободного заряда пере ход заперт. Это состояние соответствует логическому “0”. При подаче отрицательного напряжения на базу дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в цепи ток, что соответствует логической “1”.

Таким образом, “0” на входе схемы запирает транзистор, а на выходе мы имеем опять “0”. Если же подать “1” на вход (ба зу транзистора), он откроется и выдаст “1” на эмиттере.

Рис 99. p–n–p транзистор как логический переключатель

Можно сделать все наоборот и присоединить выход к кол лектору. Тогда мы получим логическую схему “НЕ”, превраща ющую “0” в ”1”, а “1” в “0”.

Соединяя транзисторы, можно по лучать и более сложные логические схе мы: “И”, “ИЛИ”, “Исключающее ИЛИ (XOR)” и другие.

Современная технология произво дит полупроводниковые приборы – дио ды, транзисторы, фотосенсоры разме ром в несколько микрометров.

Однако для дальнейшего развития техники возникла необходимость пере хода на транзисторы нанометровых раз

178

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Рис 101. Транзисторнык схемы «И» (слева) и «ИЛИ» (справа)

Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", и "НЕ".

меров. Ведь быстродействие компьютера напрямую зависит от количества транзисторов, которое удается разместить на еди нице площади. И первые попытки перешагнуть нанометровый рубеж уже дали хорошие результаты. Подробнее об этом будет рассказано в одном из следующих параграфов.

Интегральная микросхема

Применение микросхем привело к революционным изме нениям во многих областях электроники. Это особенно ярко проявилось в компьютерной индустрии. На смену громоздким вычислительным машинам, содержащим десятки тысяч элект ронных ламп и занимавшим целые здания, пришли компакт ные и быстрые настольные и даже карманные компьютеры.

Интегральная схема (ИС) – это система микроскопических устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной подложке. С чьей то легкой руки микросхемы стали также называть чипами за некоторое сходство с тонкими ломтиками жареного картофеля (англ. chip).

Чип размером в 1 см2 может содержать миллионы микрос копических устройств. Очевидно, что последовательное созда

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ние таких приборов “вручную” невозможно из за огромного количества межсоединений (попробуйте ка правильно спаять 1.000.000 транзисторов о трех ногах каждый, плюс еще мириа ды обслуживающих элементов – резисторов, диодов и т.п., да при этом еще не запутаться в проводах!). Выход из создавшего ся положения был найден на пути интеграции (объединения) в едином устройстве – интегральной схеме – всего этого множе ства полупроводниковых устройств и межсоединений, создан ных в едином технологическом цикле.

Как делают микросхемы

Поскольку микросхема создается на поверхности пласти ны, технология ее изготовления называется планарной (от англ. “planar” – “плоский”). Ее основу составляет литография. Наз вание “литография” происходит от греческих слов “литос” – камень и “графо” – пишу, что дословно означает “писать на камне”. Литография в микроэлектронике – это действительно способ формирования заданного рисунка (рельефа) в слое по лупроводника.

Изготовление, или “выращивание”, интегральной микрос хемы включает в себя несколько основных этапов:

1. Подготовка подложки Подложкой обычно является пластина кристалла кремния

(Si) самого распространенного полупроводника на Земле. Обычно пластина имеет форму диска диаметром 200 мм и тол щиной менее миллиметра. Получают ее разрезанием цилинд рического монокристалла.

Так как свойства полупроводникового кристалла сильно за висят от направления (вдоль или поперек кристалла), то перед тем как нарезать кристалл на пластины, его свойства измеряют во всех направлениях и ориентируют нужным образом.

Для резки монокристаллов на пластины применяются диски с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 40 60 микрон, поэтому после резки пластины получаются шерохо ватыми, на них остаются царапины, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры приповерхностного слоя и его физико химические свойства. Чтобы восстановить поверх ностный слой, пластину тщательно шлифуют и полируют.

180

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Все процессы по обработке полупроводниковых пластин проводятся в условиях вакуумной гигиены в специальных поме щениях со сверхчистой атмосферой. В противном случае пыль может осесть на пластину и нарушить элементы и соединения микросхемы (гораздо меньшие по размерам, чем сама пыль).

Очищенная кремниевая пластина подвергается так называ емому оксидированию (или окислению) воздействию на заго товку кислородом, которое происходит под высокой темпера турой (1000°C).

Таким образом на поверхности заготовки создается тончай ший слой диоксида кремния SiO2. Регулируя время воздей ствия кислорода и температуру кремниевой подложки, можно легко сформировать слой оксида нужной толщины.

Диоксидная пленка отличается очень высокой химической стойкостью, большой прочностью и обладает свойствами хоро шего диэлектрика, что обеспечивает надежную изоляцию нахо дящегося под ним кремния и защищает его от нежелательных воздействий в ходе дальнейшей обработки.

2. Нанесение фоторезиста Если некоторые области кремния, лежащие под слоем ок

сида, необходимо подвергнуть обработке, то оксид надо пред варительно удалить с соответствующих участков. Для этого на диоксидную пленку наносится слой фоторезиста.

Фоторезист – это светочувствительный материал, который после облучения становится растворимым в определен ных химических веществах.

Фотошаблон представляет собой пластинку, состоящую из прозрачных и непрозрач ных участков, и играет роль трафарета.

3. Экспонирование На следующем этапе – экспонировании – пластину с нало

женным на нее фотошаблоном подвергают действию излуче ния. Фоторезист, расположенный под прозрачными участками фотошаблона, засвечивается.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

4. Травление Удаление облученного фоторезиста и оксидной пленки на

зывается травлением. Этот процесс необходим, чтобы вскрыть окно для доступа к материалу подложки. Травление может быть химическим “мокрым” или плазменным “сухим”. Химическое жидкостное травление основано на растворении химическими веществами не защищенных фоторезистивной маской участков образца. Более эффективными являются “сухие” методы обра

ботки, основанные на взаи модействии газозарядной плазмы с поверхностным слоем материала. Кроме то го, существует ионное, ион но химическое и плазмохи мическое травление.

Результатом травления является полное удаление материа ла на участках, не защищенных фоторезистом.

5. Заключительным этапом формирования микросхемы яв ляются процессы эпитаксии, диффузии и металлизации.

Эпитаксией называют ориентированное наращива ние слоев вещества с воспро изведением кристалличес кой структуры подложки. Его производят в особом ре акторе. Эпитаксия позволяет создавать равномерные атом ные слои на пластине.

182