ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР

Роль и место полупроводников в развитии электроники

Общая характеристика

В настоящее время международный рейтинг любого государства существеннейшим образом определяется уровнем развития электроники и внедрения ее новейших достижений в современные гражданские и военные отрасли в виде изделий электронной техники.

Электроника – это наука, во-первых, ‑ о формировании потоков электронов и управлении ими в приборных структурах для приема, обработки, хранения и передачи информации, а также преобразования энергии из одних форм в другие, и, во-вторых, о методах создания электронных приборов и устройств на их основе, предназначенных для решения указанных выше и других задач, связанных, например, с автоматикой, медициной, бытовой техникой.

Непрерывный прогресс в электронике и электронной технике неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при разработке новых уникальных современных электронных приборов и устройств. При этом перед специалистами соответствующего профиля все чаще возникает сложнейшая задача по созданию материалов со свойствами не только количественно, но и качественно отличающимися от ранее достигнутых.

Характерным примером этому может служить создание материалов, которые способны генерировать высокочастотные электрические колебания при их подключении к источнику постоянного напряжения. То есть, они обеспечивают реализацию сложных функциональных характеристик прибора исключительно за счет специфических электронных свойств собственной структуры. Материалы подобного типа обеспечивают развитие нового направления в электронике, которое получило название «Функциональная электроника».

(Пример материала с S-ОДС).

Классификация материалов электронной техники и их применение в различные периоды развития электроники

Согласно наиболее общей классификации материалов электронной техники их делят на 4 класса:

проводники, полупроводники, диэлектрики и магнитные материалы.

Каждый из этих четырех классов материалов сыграл и играет существенную роль в развитии электроники, охватывающем к настоящему времени 5 периодов.

Первый период (1880-1920 г.г.) связан с изобретением телефона, телеграфа и радио. Его можно назвать эрой пассивных элементов: проводов, катушек индуктивности, магнитов, резисторов, конденсаторов, механических и электромеханических переключателей.

Материальная база этого периода: проводники, диэлектрики, магнитные материалы.

Промышленный выпуск соответствующих элементов и аппаратуры на их основе положил начало развитию электронной промышленности. Аппаратура этого периода получила название аппаратуры I поколения.

Второй период (1920-1960 г.г.) начался с изобретения электронной лампы – первого активного электронного прибора, способного к различного рода преобразованиям электрических сигналов и усилению их мощности.

Благодаря многократному усилению слабых сигналов с помощью электронных ламп оказались возможными беспроволочная передача звуковой и видиоинформации на большие расстояния, а также преодоление трудностей, связанных с затуханием сигналов в длинных линиях.

В результате 20-е годы прошлого века ознаменовались триумфом радио, в начале 40-х годов появилась военная электроника, в конце 40-х – начале 50-х годов началось массовое использование телевидения.

Этот период представляет собой примерно полувековой этап развития электронной промышленности.

Аппаратура эры электронных ламп – это аппаратура второго поколения.

Материальная база этого периода: проводники, диэлектрики, магнитные материалы.

В течение второго периода развития электроники остро обозначилась тенденция к миниатюризации элементов электронных схем: ламп, конденсаторов и др. Однако, реальные технические характеристики: потребляемая мощность, срок службы, габариты, надежность электронных ламп приближались к их теоретическим пределам, которые препятствовали дальнейшему прогрессу. Прежде всего, это препятствовало прогрессу в области создания быстродействующих компактных ЭВМ и электронного оборудования для авиации и космонавтики.

Таким образом, без принципиально новых решений развитие электроники могло бы завершиться к началу 60-х годов ХХ века. Но такие решения начали созревать уже в ходе второго периода и еще за 10 лет до его окончания положили начало третьего периода.

Третий период (1950-1970 г.г.) ознаменовался изобретением транзистора – являющегося полупроводниковым прибором, способным выполнять функции электронной лампы. Поэтому с него началась эра полупроводниковых приборов. Транзистор имел значительно меньшие габариты, существенно более низкое энергопотребление, более высокую надежность, больший срок службы, мог эксплуатироваться в более жестких условиях и был сравнительно дешевым.

Благодаря этим качествам транзистора начали воплощаться в реальные устройства идеи и разработки по производству компактных ЭВМ. Стало возможным создание сложных бортовых авиационных и космических электронных устройств.

Аппаратура эры дискретных полупроводниковых приборов – это аппаратура третьего поколения.

Наряду с транзисторами она содержала полупроводниковые резисторы, конденсаторы, диоды и другие дискретные полупроводниковые приборы.

Т.о., этот период характеризуется качественным пополнением ассортимента материалов электронной техники - полупроводниками.

Вместе с тем, еще на стыке второго и третьего периодов развития электроники возникла проблема качества сборочно-монтажных работ по обеспечению производства работоспособной и надежной радиоэлектронной аппаратуры, содержащей тысячи дискретных элементов, которая получила образное название «тирания количества». Необходимость решения проблемы межсоединений для такой аппаратуры, привела к созданию интегральных микросхем (ИМС), что в дальнейшем оказалось особо актуальным в связи с разработкой ЭВМ на основе полупроводниковой элементной базы, содержащих более 100 тысяч диодов и 25 тысяч транзисторов.

Таким образом, в рамках третьего периода развития электроники начал зарождаться четвертый, получивший в дальнейшем название «Микроэлектроника».

При этом практически одновременно в начале 50-х годов ХХ века возникло 3 конструктивно-технологических варианта ИМС:

1. толстопленочные гибридные интегральные схемы (ГИС);

2. тонкопленочные ГИС;

3. полупроводниковые ИМС.

В основу изготовления ГИС были положены толсто- и тонкопленочные технологии изготовления конденсаторов, резисторов и проводящих дорожек межсоединений на гладких диэлектрических подложках. Такие пленочные пассивные элементы объединялись пленочными межсоединениями в пассивные RC-схемы, а активные полупроводниковые элементы добавлялись к этим схемам в качестве навесных компонентов.

Помимо решения проблемы межсоединений элементов в радиоэлектронной аппаратуре такие ГИС обеспечивали значительно меньшие габариты, массу и в целом – сниженную материалоемкость аппаратуры.

Однако, особенно перспективными во всех отношениях оказались полупроводниковые ИМС, принципиальная разработка которых состоялась к 1959 году.

Их изготовление основано на использовании планарной технологии, обеспечивающей создание в едином цикле в приповерхностной области полупроводникового кристалла большого количества пассивных и активных элементов, объединенных в твердотельную монолитную схему с наперед заданными функциональными характеристиками.

Современное понимание термина «полупроводниковая интегральная микросхема» отражает:

1. конструктивную интеграцию ‑ объединение значительного числа транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и соединяющих проводников в единую конструкцию на поверхности полупроводникового кристалла;

2. схемотехническую интеграцию – выполнение схемой функций преобразования информации, более сложных по сравнению с функциями отдельных элементов;

3. технологическую интеграцию – выполнение в едином технологическом цикле одновременно всех элементом схемы вместе с их межсоединениями и одновременное формирование групповым методом большого числа одинаковых ИМС.

В 60-е – 70-е годы ХХ века происходил чрезвычайно быстрый рост сложности ИМС – от ИМС, содержащих десятки элементов, до БИС, содержащих десятки тысяч элементов на кристалле площадью порядка 1см². Естественно, что это сопровождалось существенным снижением планарных размеров отдельных элементов ИМС от десятков до единиц микрометров.

Поэтому подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов, имеющих характерные элементы с геометрическими размерами порядка нескольких микрометров и меньше, получил название микроэлектроника.

Период микроэлектроники, который интенсивно развивается с 1970 года по настоящее время, является четвертым периодом развития электроники.

Интегральные микросхемы служат элементной базой, на основе которой возможно эффективно осуществлять комплексную микроминиатюризацию электронной аппаратуры различного назначения. В частности, это материальная база индустрии информатики.

Результатом комплексной микроминиатюризации электронной аппаратуры (вычислительной техники, приемо-передающей аппаратуры, устройств автоматики) являются перманентное:

1. уменьшение ее габаритов, массы, энергопотребления, материалоемкости, стоимости;

2. увеличение объема выполняемых функций;

3. повышение надежности и долговечности;

4. расширение масштабов производства.

Электронная аппаратура четвертого периода развития электроники – это аппаратура эры интегральных микросхем.

Дальнейшее качественно новое направление электроники и ее прикладных аспектов, стартовавшее примерно 40 лет назад и интенсивно развивающееся с 1980 года по настоящее время в рамках пятого периода, называется наноэлектроникой, которая в значительной мере базируется на достижениях квантовой физики и современных нанотехнологий.

Наноэлектроника — это область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания приборов и устройств с характерными топологическими размерами компонентов менее 100 нанометров. Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

19 апреля 1965 года — американский физик, один из будущих основателей компании Intel Гордон Мур поделился наблюдениями за тем, как увеличивается число транзисторов в микропроцессорах. Оглядываясь на свой к тому времени уже десятилетний опыт работы в сфере микроэлектроники, Мур заметил, что плотность транзисторов на кристалле (например, квадратном сантиметре кремниевого монокристалла) удваивалась примерно каждые 18-24 месяца. То есть, каждые полтора ‑ два года происходил качественный скачок на пути получения более мощных микросхем с одновременным понижением их себестоимости. Поначалу, как всякое наблюдение, эта закономерность считалась эмпирическим правилом. Однако с тех пор время и гигантские темпы развития полупроводниковой отрасли превратили правило Мура в закон и сделали его основополагающим принципом в этой сфере (Табл. 1; Рис. 1)

Таблица 1 – Эволюция полупроводниковых микросхем и процессоров в рамках пятого периода развития электроники

Годы	70-е	80-е	90-95	96-99	2006	2010	2011
Типы микросхем и процессоров, фирмы	4004 – 4086	286 – Intel 486	Pentium - Athlon	Pentium II Pentium 4	Core 2 Duo	Itanium	Altera
Количество транзисторов на кристалле	3-60· тыс.	100 тыс.– 1 млн.	5-8 млн.	10-80· млн.	1 млрд.	2· млрд.	3,9 млрд.
Характерные планарные размеры, нм	2000-8000	500-2000	180-600	100-160	40-45	32	28

Рисунок 1 – График, иллюстрирующий соответствие реальных темпов роста числа транзисторов в микропроцессорах закону Мура на протяжении 40 лет развития микроэлектроники

В 2011-2012 годах на стадии научно-исследовательской опытно-конструкторской разработки (НИОКР) находился технологический процесс 18-22 нм, на стадии научно-исследовательской разработки (НИР) – технологический процесс 10-14 нм.

В 2013 году Intel рассчитывала начать выпуск процессоров Atom по 22-нанометровой технологии, а в 2014 году пришла очередь 14-нанометровой технологии. Сейчас наиболее современные процессоры изготавливаются по 14-нм технологии, такие чипы предлагает, например, Intel. Ведутся работы и в плане разработки производства процессоров по 10-нм техпроцессу, именно его собираются использовать Intel и Samsung.

Вместе с тем, в июле 2015 года корпорация IBM анонсировала результаты проекта по разработке новых технологий производства процессоров, благодаря чему стало возможным создать 7 нм чипы. Специалисты компании на презентации продемонстрировали рабочие прототипы 7 нм процессоров. При этом один процессор, изготовленный по 7 нм техпроцессу, будет содержать около 20 млрд транзисторов. Это в четыре раза больше, чем у одного из наиболее продвинутых коммерческих процессоров современности — 18-ядерного Intel Xeon Haswell-EP, который содержит около 5,56 млрд транзисторов. Стоит отметить, что для размещения одинакового количества транзисторов каждому новому поколению процессоров требуется примерно на 50% меньше площади. Однако, 7 нм процессоры находятся еще в стадии исследований, а поэтому эти чипы еще не готовы для коммерческого использования.

Однако, принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

Таким образом, уже свыше 50 лет полупроводниковые материалы существеннейшим образом определяют уровень развития электронной техники, а следовательно и научно-технический уровень государства. Поэтому необходимость обеспечения дальнейшего прогресса в области электроники и фотоэлектрической энергетики требует подготовки высокопрофессиональных кадров для решения научных и прикладных задач полупроводникового материаловедения.

Примечание: Дополнительная обстоятельная информация по этой теме содержится в прилагаемом pdf-файле «Физ. основы микроэлектроники – книга»: страницы 5-27.

Характерные отличительные свойства полупроводников и общее представление о природе этих свойств Феноменологические отличия

История изучения свойств твердотельных материалов, которые в настоящее время относятся к классу полупроводников, насчитывает более 150 лет. Таким образом, полупроводники заинтересовали исследователей еще до начала первого периода развития электроники.

Вначале деление материалов на металлы, полупроводники и диэлектрики основывалось на различной способности проводить электрический ток, т.е. на различии в величине удельной электрической проводимости (или удельной электропроводности) .

Указанный параметр связан с удельным электрическим сопротивлением ρ следующим хорошо известным соотношением

 = 1/ρ, (1)

откуда следует, что в силу [ρ] = Ом·м, [] = (Ом·м)^-1.

В таблице 2 представлены диапазоны численных значений ρ и , исторически сложившиеся на основании результатов многочисленных экспериментальных исследований.

Таблица 2 – Диапазоны численных значений удельной электропроводности и удельного электросопротивления твердых тел при комнатной температуре

Твердотельные материалы	ρ, Ом·см	, (Ом·см)-1
Металлы	10-6…10-4	106…104
Полупроводники	10-3…109	103…10-9
Диэлектрики	1010…1022	10-10…10-22

Как следует из Таблицы 2, по указанным электронным параметрам полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками электрического тока (металлами) и не проводниками электрического тока (диэлектриками).

Однако, это было исторически сложившееся эмпирическое, но не физическое определение полупроводника.

Как показали дальнейшие более глубокие исследования электрических свойств твердотельных материалов, различия между полупроводниками и металлами имеют не только количественный, но и качественный характер.

Первым это обстоятельство отметил Фарадей, который в 1833 году обнаружил, что сульфат серебра имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС < 0):

, (2)

где ∆R = R₂-R₁ < 0; ∆T = T₂-T₁ > 0; R = (R₂+R₁)/2; R – сопротивление; Т – температура.

В то же время, для всех металлов α > 0.

Указанное отличие можно проиллюстрировать, сопоставляя качественные зависимости  от Т для металлов и собственных (беспримесных) полупроводников (Рис. 2).

Рисунок 2 – Температурные зависимости удельной электропроводности для металлов (1) и для собственных полупроводников (2)

Как видно из рисунка 2, для металлов с ростом Т величина  незначительно уменьшается, а следовательно ρ медленно растет (α > 0), в то время, как для полупроводников  экспоненциально растет с увеличением Т (ρ существенно уменьшается, т.е. α < 0).

(3)

.

Соответствующий график приведен на рисунке 3. Преобразуя соотношение (3), указанную энергию активации проводимости можно рассчитать по экспериментальному графику, качественно подобному приведенному на Рис. 3, следующим образом

. (4)

Рисунок 3 – Температурная зависимость удельной электропроводности полупроводника и способ определения по ней энергии активации проводимости

Однако, в настоящее время хорошо известна ограниченность и указанного выше критерия по знаку температурного коэффициента сопротивления α (соотношение (2)), поскольку в определенном температурном интервале и при наличии некоторого определенного количества чужеродных примесных атомов удельная электропроводность полупроводника может уменьшаться, а следовательно, ρ - увеличиваться с ростом температуры. Но при дальнейшем повышении Т всегда можно достичь такой точки, выше которой  опять увеличивается, а следовательно, ρ - уменьшается с ростом Т (Рис. 4).

Рисунок 4 - Температурные зависимости удельной электропроводности для собственного полупроводника (1) и для примесного полупроводника (2)

С другой стороны, некоторые заведомо металлические пленки, а иногда даже массивные поликристаллические металлы обнаруживают отрицательный ТКС. Теперь известно, что этот эффект связан с наличием полупроводниковой оксидной пленки на межкристаллитных границах, но в свое время из-за отрицательного ТКС, присущего поликристаллическим титану и цирконию, указанные металлы были отнесены к числу полупроводников.

Вместе с тем, по мере накопления экспериментальных фактов при исследовании все более химически чистых веществ отчетливее вырисовывалась совокупность критериев, по которым к полупроводникам причислялись действительно заслуживающие этого материалы.

К концу XIX – началу XX века удалось установить, что наиболее существенной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий: температуры, освещения, электрического и магнитного полей, внешнего гидростатического давления и т.п. При этом параметры полупроводников в отличие от металлов могут изменяться на много порядков величины.

Столь большая чувствительность полупроводников к воздействию внешних факторов и обусловила их широкое применение в различных областях техники.

Чувствительность к температуре лежит в основе действия таких полупроводниковых приборов, как терморезисторы, изменение сопротивления которых до 5% на градус, что примерно в 20 раз больше, чем у металлов, а это позволяет использовать такие терморезисторы, именуемые термисторами, как эффективные датчики температуры.

На большой чувствительности к свету основано действие полупроводниковых фотоприемников.

Высокая чувствительность к слабым электрическим сигналам позволила создать полупроводниковые диоды и транзисторы.

Чувствительность к магнитному полю используют при создании различных полупроводниковых датчиков углов поворота, ускорения, величины индукции магнитного поля.

Общие представления о природе высокой чувствительности полупроводников к воздействию различных внешних факторов

Для того, чтобы это понять, вернемся к численным значениям удельной электропроводности металлов (м) и полупроводников (п).

Примем для последующих оценочных расчетов следующие их величины:

σ_м = 10⁵…10⁶ (Ом·см)^-1 и σ_п = 10^-3…10^-2 (Ом·см)^-1. (5)

Величина σ связана с концентрацией электронов n и их подвижностью μ соотношением

σ = enμ, (6)

где e – заряд электрона, равный 1,6·10^-19 Кл.

Примем подвижности электронов в металле и полупроводнике одинаковыми и равными μ = 100 см²/(В·с).

Тогда для металла

n_м = σм/(еμ) = (10⁵…10⁶)/(1,6·10^-19·10²) ≈ 6·10²¹…6·10²² см^-3, (7)

а для полупроводника

n_п = σп/(еμ) = (10^-3…10^-2)/(1,6·10^-19·10²) ≈ 6·10¹³…6·10¹⁴ см^-3. (8)

Как видно из этих оценок, в металле число электронов, участвующих в проводимости, близко к числу атомов в 1 см³ кристалла. Следовательно, каждый или почти каждый атом в кристаллической решетке металла отдал электрон для переноса электрического заряда. Такая ситуация характерна для кристаллов с металлическим типом химической связи.

По-иному обстоит дело в полупроводниковом кристалле. Количество электронов проводимости в нем на много порядков меньше числа атомов, т.е. далеко не каждый атом отдал электрон для участия в явлении проводимости. Следовательно, проводимость полупроводника можно существенно увеличить, если каким-либо способом ионизировать дополнительное количество атомов в его кристаллической решетке.

Таким образом, исходно малое число равновесных носителей заряда в полупроводнике приводит к тому, что их заметное увеличение существенно сказывается на свойствах полупроводников. Следовательно, если уметь управлять количеством свободных носителей заряда в полупроводнике и их транспортными свойствами, то можно эффективно управлять и свойствами полупроводника. Это в свою очередь позволяет управлять практически важными параметрами полупроводниковых приборов.

Так, например, под влиянием достаточно малого напряжения U_ЗИ, прикладываемого к затвору и истоку полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) (Рис. 5), может существенно изменяться тип и величина проводимости приповерхностной области базового полупроводникового кристалла такого ПТИЗ, в результате чего ПТИЗ из закрытого состояния переходит в открытое состояние и через возникший, так называемый, индуцированный проводящий канал между истоком и стоком начинает протекать ток I_ИС, управляемый величиной U_ЗИ и зависящий от напряжения U_ИС, прикладываемого к каналу между истоком и стоком. Кроме того, величина I_ИС существенно зависит от площади S_К поперечного сечения канала, которая связана с его толщиной t и шириной d соотношением

S_К = td, (9)

а также от его длины l, концентрации носителей заряда и их подвижности в канале (n и μ_n, соответственно, если, например, материал канала имеет n-тип проводимости).

а б

Рисунок 5 – Схематическое изображение (а) и подключение к источникам питания (б) ПТИЗ с индуцированным каналом n-типа проводимости

Так как, согласно дифференциальному закону Ома для канала n-типа проводимости

J_ИС = _nE_ИС = _nU_ИС/l, (10)

где E_ИС – напряженность электрического поля в канале, обусловленная величиной U_ИС,

то с учетом соотношения (6) соотношение (10) может быть преобразовано к виду:

J_ИС = enμ_nU_ИС/l. (11)

Поскольку по определению

I_ИС = J_ИСS_К, (12)

то, используя соотношения (9) и (11), соотношение (12) может быть представлено следующим образом:

I_ИС = enμ_nU_ИСtd/l. (13)

Численный расчет величины I_ИС (в мА) выполнить самостоятельно согласно соотношению (13) при следующих исходных данных:

n = 10¹⁸ см^-3; μ_n = 1000 см²/(В·с); U_ИС = 2 В; t = 1 мкм; d = 10 мкм; l = 10 мкм

и оформить решение этой задачи как обязательное домашнее задание, которое необходимо сдать в начале следующего занятия. (0320)