§ 2.2. Имс жұмыс істеуін анықтайтын, құбылыстардың және процесстердің жалпы сипаттамасы.

Жартылай өткізгішті материалдар. Қазіргі микроэлектрониканың негізін жартылай өткізгішті құрылғылар құрайды. Олардың жүзеге асуы үшін, монокристаллдық жартылай өткізгіштер – ұдайы кристаллдық құрылымдармен қатты денелер, қолданылады. Интегралды микроэлектроникада кеңінен таралған жартылай өткізгішті материал, алмаз типінің текше пішінді торына ие болатын, тетраэдрдан тұратын, монокристаллды кремний болып табылады.

Кремнийдің кристаллды торында атомдардың байланысы және басқа жартылай өткізгіштердің қатары, көршілес атомдардың валентті электрондардың жұб –жұбымен қосылуы нәтижесінде пайда болатын, ерекше айырбас күштермен шартталды (обусловлена). Мұндай байланыс ковалентті деп аталады. Жартылай өткізгіштердің қасиеті кристаллдың құрылымы жүйелілікпен шартталған және кристаллографикалық осьтердің бағытына және кристаллдық тордағы жазықтыққа тәуелді.

Интегралды микроэлектроникада, кристаллға қажетті қасиеттерді беру үшін қоспалар арнайы қосылатын, қоспалы шалаөткізгіштер қолданылады. Қоспалы атомдар негізгі атомдардың орнына торлардың түйіндерінде, не тордың түйіндерінің арасында орналасады. Жартылай өткізгіштердің электрөтімділігі, концентрацияның градиентімен немесе электрлік өрістің әсерімен жылжи алатын, барлық еркін заряд тасушылармен шартталған. Қоспалы жартылай өткізгіштерде электрөтімділік еркін меншікті тасушылардың және қоспалы тасушылардың жалпы санына тәуелді.

Кремний үшін қоспаның орнын басу сипаттама болып табылады. Сонымен бірге кремнийге бес валентті элементтіңқоспалы атомдарын енгізу еркін электрондардың, ал үшвалентті элементтердің атомдары – еркін кемтіктердің пайда болуына алып келеді. Бірінші жағдайда жартылай өткізгіштер электронды немесе п– типті, ал екінші – кемтіктер немесе р – типті деп аталады. Енгізілген қоспалы атомдар оң қозғалмайтын немесе теріс зарядталған иондарға айналады. Қоспалы атомдардың иондануы біраз энергияны – иондану энергиясын немесе қоспаның активтенуін қажет етеді. Сондықтан абсолютті нөл температура кезінде иондану орынға ие болмайды, бөлменің температурасы кезінде топтың қоспалы атомдары кремнийде іс жүзінде толығымен иондалған.

Қоспалы жартылай өткізгіштерде әрқашан заряд тасушылардың екі түрі болады: электрондар және кемтіктер, бірақ лоардың концентрациясы әр түрлі. Басым типті тасушыларды негізгі (жартылай өткізгіштерді п – типті – электрондар), басқа типті тасушылар – негізгі емес (жартылай өткізгіште п – типті – кемтіктер) деп атайды. Негізгі заряд тасушылардың концентрациясы иондалған қоспалы атомдардың санымен анықталады.

Әдетте жартылай өткізгіштерде, электрлі нейтральді болып табылатын, бірақ жартылай өткізгішті құрылғылардың жұмысына әсер ететін, қоспалар енгізеді.

Жартылай өткізгішті құрылғыларды және ИМС дайындау үшін өнеркәсіппен шығарылатын кремнийдің пластинасының төрт түрі: электрөткізгіштің бірқабатты р- және п-типі, екіқабатты р- типі эпитаксиальді қабатпен п-типі, көрінбейтін қабатпен п⁺-типі, гетероэпитаксиалды құрылым сапфирдағы кремний типі.

Микроэлектроникада кремнилі пластинадан басқасы соңғы уақытта типі қосылған жартылай өткізгіштен жасалған материалды қолданады: арсенид галий, фосфид галлий және т.б.

Жартылай өткізгіштердегі кинетикалық құбылыс. Кинетикалық құбылыс жалпы жағдайда, екі процесспен шартталған: концентрацияның градиентінің әсерімен диффузияменжәне электрлі потенциалдың градиентінің әсерімен дрейфпен, жартылай өткізгіштердегі тасушы зарядтардың қозғалысын сипаттайды. Микроэлектроникада екі типті тасушы зарядтары бар қоспалы жартылай өткізгіштер қолданылады–электрондар және кемтіктер, , жартылай өткізгішті құрырылымында ағып жатқан,толық ток, төрт құраушыдан тұрады:

Мұндағы «диф» және «др» индекстеріне сәйкес диффузионды және дрейфті ток тығыздықтарын құраушыға, ал р және п– кемтікті және электронды құраушыға қатысты.

Дрейфті құраушы токтың тығыздығы электрлі потенциалдың градиентіне ᵠпропорционал, яғни электрлік өрістің кернеулігі , ал диффузионды құраушылардың тығыздығы – тасушы зарядтардың концентрацияның градиентіне пропорционал. Бірөлшемді (одномерный) моделдер үшін, тасушы зарядтар х осьнің бойына ғана ауысады, дреифті және диффузионды құраушылар келесі түрде жазылады:

Мұнда q – заряд; р, п – еркін тасушы зарядтың (кемтік және электрондардың) концентрациясы; µ_р, µ_п– кемтіктердің және электрондардың қозғалғыштығы; D_p, D_n– кемтік және электрондардың диффузиясының коэффициенті.

Кемтік және электрондардың қозғалғыштығы қоспаның концентрациясына және температураға тәуелді, 2.2 суретте көрсетілген. Кемтік және электрондардың диффузиясының коэффициенті осы тасушылардың қозғалтқыштығымен байланысты

Мұндағы – температуралық потенциал; – Больцман тұрақтысы; Т – температура ( Т = 300 К кезінде ).

Өз кезегінде невырожденных жартылай өткізгіштерде тасушылардың диффузиясының коэффициенті тек қана температураға, ал вырожденных жартылай өткізгіштерде, мысалы, легірлеудің жоғарғы деңгейі кезінде, қоспаның концентрациясына тәуелді болады.