Литература / (тоже супер) физосновы для экз

транзистор получили двое в 1950 г., а У. Шокли только в следующем году получил патент на плоскостной транзистор. А всего за первые 20 лет было выдано почти тысяча патентов.

Особое значение приобрели технологические разработки. В 1954 г. с помощью метода зонной чистки удалось получить слитки полупроводников высокой чистоты. Этот же метод позволил получить равномерное распределение примесей в кристалле. К 1955 г. стало возможным получение транзисторов со сплавными p-, n-переходами, выращенными из расплава. Позже появились и другие разновидности сплавных транзисторов: дрейфовые и сплавные с диффузией.

Разработанный электрохимический метод получения тонких базовых слоев позволил создать новые типы дискретных транзисторов: микросплавные, поверхностнобарьерные, сплавно-диффузионные, микрослойные. Частотный диапазон их работы достигал нескольких мегагерц. Началось производство автоматизированного оборудования для производства транзисторов.

Для получения p-n-переходов стали использовать диффузионный метод. Сущность его заключалась в равномерном распределении примесных атомов в кристалле при нагреве его в атмосфере, содержащей необходимые примеси. Этот метод положил начало групповой технологии производства приборов. Наиболее популярным среди транзисторов с диффузионной базой стал мезатранзистор, отличающийся высокими рабочими частотами.

Использование процесса диффузии позволило резко увеличить точность задания толщины области базы, которая является одним из важнейших параметров. Толщина должна быть настолько узкой, чтобы практически все электроны, инжектированные эмиттером, попали через базу в коллектор. При тонкой базе можно уменьшить время, за которое инжектированные электроны попадут в коллектор, а следовательно, увеличить частоту переключения транзистора от одного состояния в другое. Транзисторы с тонкой базой получили название биполярных, поскольку в них используются два типа носи-

телей — электроны и дырки. В зависимости от расположения легированных областей они именуются n-p-n- или p-n-p-типа.

В конце 1950-х гг. была разработана технология планарных транзисторов, конструкция которых имеет плоскую структуру и расположена у поверхности полупроводника. Отличительной особенностью планарной технологии является возможность создания множества приборов на одной подложке. Это открывало путь к групповой технологии производства транзисторов, к автоматизации их производства.

Создание высокочастотных транзисторов вело к увеличению активной площади структуры. Так появились приборы со структурой эмиттера в виде гребешка с хорошо развитым периметром.

История разработки транзисторов знает примеры новых технических решений, которые открывали отдельные направления в полупроводниковой электронике. Таким примером может служить разработка полевых транзисторов. Этот прибор одновременно мог выполнять функции резисторов, управляемых напряжением. Первый промышленный полевой транзистор был изготовлен в 1958 г. Станиславом Тешнером во Франции и получил название текнетрон.

Типичный полевой транзистор был реализован на базе структуры «металл–окисел–полупроводник» (МОП). В кремниевой подложке, например p-типа, создаются два островка кремния n-типа. Эти островки снабжены металлическими контактами, один из которых называется истоком, другой — стоком. На поверхности кремния над пространством между истоком и стоком (каналом) наносится слой двуокиси кремния. Поверх этого слоя осаждается тонкая металлическая пленка, образующая третий электрод, называемый затвором. Двуокись кремния является хорошим изолятором, поэтому затвор не имеет прямого электрического контакта с полупроводниковой подложкой. Электрическая связь осуществляется через электрическую емкость, другими словами, через электрическое поле, генерируемое зарядом на затворе.

Электрическое поле эффективно влияет на движение заряженных носителей в канале полупроводника. В МОПтранзисторе в инверсном канале ток образуется носителями только одного знака. Поэтому этот тип транзисторов иногда называют униполярным.

Как и биполярный транзистор, полевой МОПтранзистор обладает способностью усиливать электрический ток. Однако в этом случае усиление происходит по напряжению, а не по току, как в биполярном транзисторе.

Внастоящее время транзисторы по-прежнему являются основной продукцией полупроводниковой промышленности. Они составляют 60–70% рынка сбыта дискретных приборов. Ныне применяются три типа транзисторных структур: биполярные, полевые и так называемые БиМОП, представляющие сочетания первых двух. Биполярные транзисторы выпускаются маломощные (до 1 Вт), средней мощности (1–20 Вт), высокой мощности (более 20 Вт). Они работают на высоких частотах — свыше 1 ГГц. Маломощные транзисторы весьма миниатюрны и используются в схемах специального назначения, гибридных интегральных схемах и т. д. Мощные транзисторы используются в выходных цепях усилителей низкой частоты, генераторах, схемах управления, в качестве релейных элементов, в сервоусилителях, сенсорных переключателях

ит. п. Наметилась тенденция создания высоковольтных, комплементарных, высокочастотных мощных транзисто-

ров. Коэффициент усиления ряда транзисторов достигает значения 5 104 и более, напряжение около 500 В, пиковые

значения тока до 200 А; они сохраняют способность работать при температурах корпуса порядка 100°С.

Вмировой электронике идет конкурентная борьба за создание мощных транзисторов дециметрового диапазона для использования в бортовом и наземном оборудовании в диапазоне частот 225–400 МГц. Типичное усиление таких транзисторов составляет 8–9 дБ. Перспективным прибором является биполярный транзистор с проницаемой базой, которая сможет работать на частотах 10 ГГц

иболее.

В последние годы в производстве полупроводниковых приборов отмечается возрастание роли полевых транзисторов из арсенида галлия с затвором на основе барьера Шоттки. Разработаны компактные приборы на частоте до 40 ГГц с коэффициентом усиления от 4 до 14 дБ и коэффициентом шума в пределах 0,5–4,0 дБ. Значительный прогресс достигнут в области мощных полевых СВЧтранзисторов. Приборы этого типа рассчитаны на частоту 4–25 ГГц с коэффициентом усиления 3–6,5 дБ, выходной мощностью 20–45 дБ и КПД до 40%. Ведутся разработки мощных высоковольтных полевых транзисторов. Разработаны транзисторы с рабочим напряжением до 500 В, работающие при токах 20 А в непрерывном и 50 А в импульсном режимах; типичное время включения составляет 60 нс, выключения — 200 нс. Этот тип транзисторов найдет применение в схемах управления электроприводом, электронных устройствах автомобилей, системах робототехники, управления станками.

Р А З Д Е Л 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Кклассу полупроводников обычно относят большую группу твердых тел, удельная проводимость которых при комнатной температуре (Т = 300 К) изменяется в очень широких пределах. Числовое значение этой величины 10–13–10–1 Ом–1 см–1 значительно выше, чем

уизоляторов 10–26–10–14 Ом–1 см–1, но намного ниже, чем

уметаллов 1–102 Ом–1 см–1. Если твердые тела классифицировать по механизму электропроводности, то нетрудно установить, что между полупроводниками и изоляторами не существует принципиального различия. Одна из характерных особенностей заключается в увеличении их электрической проводимости с ростом температуры. По этому признаку поведение полупроводников противоположно поведению металлов. Однако такое свойство не является правилом, которое соблюдается во всем диапазоне температур или применимо к любому полупроводнику.

Важнейшее свойство полупроводников — возможность изменять свою электрическую проводимость под воздействием различных факторов: температуры, освещения, радиоактивного излучения и др. Кроме того, проводимостью полупроводников можно управлять путем контролируемого введения незначительного количества примесных атомов. Так, например, при концентрации примесных атомов в полупроводнике около 10–4 атомных процентов его удельная проводимость изменяется на несколько порядков; дальнейшее увеличение примесной

концентрации может оказать решающее воздействие на другие свойства полупроводника.

Из других факторов, оказывающих влияние на электрофизические свойства полупроводников, следует отметить воздействие термической обработки в атмосфере различных газов, структуру материала, т. е. различие между поликристаллическим и монокристаллическим материалами, макроскопическое выпадение в осадок инородной фазы на границе кристаллитов, состояние поверхности полупроводника, изменение свойств под воздействием электрического и магнитного полей. Поэтому в физике полупроводников часто приходится встречаться с огромным количеством различных явлений, которые, казалось бы, противоречат друг другу. Однако всем этим явлениям можно найти удовлетворительное объяснение при исследовании кристаллического строения полупроводниковых материалов.

Под кристаллической структурой полупроводника понимают твердую фазу вещества, расположение атомов или молекул в которой проявляет определенную закономерность хотя бы на микроскопических участках. При этом атомы образуют кристаллическую решетку, а определенное сочетание атомов, или элементарная ячейка, повторяется в любом направлении. Для кристаллической структуры, обладающей пространственной периодичностью свойств, может быть построена зонная модель, а полупроводник в общепринятом смысле может существовать только в виде кристалла. Следует отметить, что эта кристаллическая структура не обязательно должна проявляться в макроскопических масштабах; обычно она представляет собой поликристаллическое вещество, которое только при определенных условиях может вести себя как монокристалл. Однако в монокристалле проявляется строгая закономерность кристаллографических свойств.

Кроме того, существует достаточно обширная группа аморфных веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами. Такие вещества не обладают явно выраженной кристаллической решеткой, но в то же время имеют электронную проводимость и характеризуются эффектом

Холла, внутренним фотоэффектом, отрицательным температурным коэффициентом удельного сопротивления. Такое поведение можно объяснить тем, что при аморфной структуре электрофизические свойства полупроводника определяются взаимодействием «ближнего порядка», которым можно объяснить наблюдаемые явления. В настоящее время большинство интегральных микросхем формируется на основе монокристаллических полупроводниковых материалов. Поэтому исследование свойств аморфных полупроводников следует считать самостоятельной задачей, которую здесь рассматривать не будем.

Все полупроводниковые материалы, используемые при изготовлении микросхем, в процессе кристаллизации образуют кристаллическую решетку типа алмаза или цинковой об-

манки (рис. 1.1).

Для такой структуры характерно наличие тетраэдрических связей, когда каждый атом окружен четырьмя эквидистантно расположенными соседними атома-

ми, занимающими места в вершинах тетраэдра, взаимодействие между которыми осуществляется силами ковалентных связей. Валентную связь между парой соседних атомов образуют два электрона с двумя противоположно ориентированными спинами. Кристаллические решетки типов алмаза и цинковой обманки можно представить состоящими из двух взаимопроникающих гранецентрированных решеток. Для германия и кремния, входящих в четвертую группу Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, характерны решетки типа алмаза, и, следовательно, все валентные связи существуют только между атомами соответствующих элементов. Арсенид галлия GaAs, а также другие полупроводниковые соединения группы AIIIBV обладают решеткой типа цинковой обманки. Одна подрешетка таких соединений

образуется атомами элементов третьей группы периодической системы (AIII), а другая — атомами элементов пятой группы (BV).

Важнейшими параметрами кристаллической решетки полупроводников является ее постоянная, представляющая собой расстояние а между двумя атомами, расположенными в соседних вершинах куба, как показано на рисунке 1.1. Свойства некоторых полупроводниковых материалов приведены в таблице 1.1.

Элементарная кристаллическая решетка алмазного типа обладает кубической симметрией. Следовательно, если за основу выбрать прямоугольную систему координат с осями x, y, z, то, как видно из рисунка 1.1, атомы элементарной ячейки кремния в такой системе будут иметь следующие координаты: (0; 0; 0); (0; 1/2; 1/2); (1/2; 0; 1/2); (1/2; 1/2; 0); (1/4; 1/4; 1/4); (1/4; 3/4; 3/4); (3/4; 1/4; 3/4); (3/4; 1/4; 1/4) и т. д. В этом случае за единицу принята сторона элементарной кубической ячейки, или постоянная решетки. Кристаллы рассматриваемого типа обладают анизотропией, т. е. неоднородностью механических и электрофизических свойств в различных на-

правлениях. Введенная система координат оказывается недостаточно удобной для оценки анизотропных свойств кристалла. В технологии изготовления интегральных микросхем обычно пользуются так называемыми индексами Миллера, определяющими положение кристаллографических плоскостей, или кристаллографических направлений, перпендикулярных соответствующим плоскостям. Для кубических кристаллов индексы Миллера представляют собой три цифры, относящиеся к прямоугольной системе координат. Как видно из рисунка 1.2, цифра 1 означает, что рассматриваемая плоскость проходит через точку соответствующей оси с координатой, равной единице. Цифра 0 означает, что кристаллографическая плоскость параллельна оси. Отсюда, в частности, следует, что кристаллографическая плоскость (100) проходит через точку X = 1 и параллельна осям y, z; плоскость (110) проходит через точки X = 1, Y = 1 и параллельна оси z; а плоскость (111) проходит через точки X = 1, Y = 1, Z = 1. Кристаллографические оси [100], [110], [111] перпендикулярны соответствующим плоскостям.

Рис. 1.2

Основные кристаллографические плоскости кубической решетки

Кристалл полупроводникового материала образуется в результате группировки большого количества атомов в определенных узлах кристаллической решетки, которую в некотором смысле можно считать крупной молекулой. Свойства кристаллической решетки определяют все важнейшие свойства полупроводников. Согласно квантово-механическим представлениям, в твердом теле, так же как и в отдельном атоме, электроны не могут иметь произвольную энергию. Электрон в атоме может иметь только строго определенные дискретные значения