5

Министерство образования и науки

Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им А.Н. ТУПОЛЕВА

_______________________________________________________________________________________________

Кафедра конструирования и производства микроэлектронной аппаратуры

А.А.ЯКУТЕНКОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Лабораторный практикум

(для студентов специальности 210201 «Проектирование и технология

радиоэлектронных средств»)

Казань, 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пособие предназначено для проведения лабораторных работ со студентами специальностей «Конструирование и производство радио-аппаратуры и «Конструирование и производство электронно-вычисли-тельной аппаратуры» по дисциплине «Физико-химические основы мик- роэлектроники, конструирования и технологии РЭА и ЭВА».

Цель лабораторных работ – закрепление знания студентов по сле- дующим разделам программы: статистика носителей заряда в металлах, полупроводниках и диэлетриках; физические свойства структур твер-дотельной электроники; физические эффекты в однородных объемных структурах микроэлектроники.

Особенностью настоящего лабораторного практикума является на-правленность на изучение свойств полупроводниковых материалов и физических эффектов в однородных и неоднородных полупроводнико-вых структурах микроэлектроники.

Для лучшего понимания студентами теоретического материала по-собие содержит введение, в котором кратко изложены вопросы теории полупроводников, общие для всех лабораторных работ. Этот материал носит справочных характер и рекомендуется для изучения при подго-товке к работам.

ВВЕДЕНИЕ

1. Уровни энергии электронов в кристалле.

Полупроводники – вещества, которые по величине электропровод-ности занимают промежуточное положение между металлами (проводни-ками) и диэлектриками (изоляторами). Отличительная особенность полупроводников в том, что их электропроводность резко возрастает с повышением температуры, тогда как у металлов она уменьшается. Кроме того, полупроводники очень чувствительны к содержанию при-месей и другим внешним воздействиям. Эти особенности дают возмож-ность управлять свойствами полупроводников, что обуславливает их огромное значение в технике. Все свойства полупроводников можно объяснить на основе зонной теории твердого тела.

Известно, что электроны в изолированном атоме могут находит-ся только на уровнях со строго определенными значениями энергии, причем согласно принципу Паули на каждом уровне может быть не бо-лее двух электронов с противоположными спинами. Электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, поэтому нижние уровни заполнены электронами, верхние пусты.

При сближении атомов и образовании кристалла из дискретных энергетических уровней изолированных атомов образуются полосы (зоны) разрешенных значений энергий, разделенные запрещенными зонами (рис. В.1). В каждой разрешенной зоне столько уровней энергии, сколько атомов в кристалле. Так как ширина полос или зон относи-тельно невелика (≈ 10 эВ), а число атомов в кристалле велико (≈10²²см^-3), то расстояние между уровнями в зонах чрезвычайно мало (≈ 10^-22 эВ). Поэтому можно считать, что разрешенные уровни энергии в зонах распределены непрерывно. Электроны в кристалле могут иметь только такие значения энергии, которые находятся в пределах какой-либо разрешенной зоны.

Наиболее важными для полупровод-ников являются валентная зона, образованная уровнями энергии валентных электронов, и ближайшая к ней разрешенная зона, называемая зоной проводимости. Между ними лежит запрещенная зона шириной ΔEg=Ec–Ev, гдеEc- энергия дна зоны проводимости, аEv- энергия потолка валентной зоны (рис.В.1). Величина ΔEgявляется важнейшей характеристикой полупроводника и лежит в пределах 0,1…3 эВ.

2. Тепловая генерация электронно-дырочных пар

В полупроводниковом кристалле без примесей, так называемом собственном полупроводнике, при Т = 0 К валентная зона целиком заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Такой кристалл является диэлектриком, так как для участия в электропроводности электрон должен иметь возможность изменять свое энергетическое состояние за счет электрического поля, что в полностью заполненной валентной зоне невозможно.

При повышении температуры возникают тепловые колебания атомов кристаллической решетки полупроводника. В этом случае электрон может получить от решетки энергию ≥ ΔEgи перейти из валентной зоны в зону проводимости. В этой зоне имеется множество близко расположенных свободных уровней энергии, поэтому электроны в зоне проводимости могут изменять свою энергию и совершать направленное движение по действием электрического поля, т.е. участвовать в создании электрического тока. Отсюда их название – электроны проводимости.

При переходе электрона под действием тепловых колебаний кристаллической решетки в зону проводимости в валентной зоне образуется незаполненное состояние, которое называется дыркой. Происходит так называемая тепловая генерация электронно-дырочных пар.

В присутствии внешнего электрического поля ближайший к дырке электрон валентной зоны попадает в нее, оставляя при этом новую дырку, которую заполнит следующий электрон, и т.д. Таким образом, наличие дырки позволяет электронам валентной зоны изменять свое энергетическое состояние. Дырка при этом перемещается в направлении, противоположном движению электрона, и, следовательно, ведет себя как носитель положительного заряда, по абсолютной величине равного заряду электрона. Понятие «дырка» служит для описания поведения электрона валентной зоны. Электроны проводимости и дырки являются свободными носителями заряда в полупроводнике.

Вместе с процессом генерации возникает процесс рекомбинации электронов и дырок. Электрон проводимости, встречая дырку, заполняет пустое место в валентной зоне. Одновременное действие этих процессов приводит к установлению в полупроводнике равновесия, характеризующегося равновесной концентрацией носителей заряда. В собственном полупроводнике равновесные концентрации электронов n_oи дырокp_oравны, т.е.

n_o = p_o = n_i ~ exp(-ΔEg/2kT) (В.1)

где k – постоянная Больцмана. Величина называется собственной концентрацией носителей заряда, а индексi обозначает собственный полупроводник. Из (В.1) видно, чтоn_i резко возрастает с увеличением температуры.