Литература / (тоже супер) физосновы для экз

вероятность появления ионных загрязнений, влияние которых на поверхностные состояния и на свойства контакта между кремнием и двуокисью кремния является наиболее сильным. С этой целью все операции с кремниевыми пластинами перед процессом окисления проводят в приспособлениях, исключающих содержание щелочных загрязнений. Другая часть мероприятий связана с исключением возможности попадания в пластины кремния ионов щелочных металлов в процессе высокотемпературной обработки.

Для уменьшения вероятности возникновения макродефектов загрузку пластин осуществляют через специальные боксы с ламинарным потоком обеспыленного воздуха, что в значительной степени уменьшает попадание загрязнений из внешней среды.

1.5.КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУРАХ

На физических свойствах контактов «металл — полупроводник» и «полупроводник p-типа — полупроводник n-типа» основаны принципы действия подавляющего большинства микроэлектронных элементов. Важное значение имеет и так называемая пассивная роль контактов, которая сводится к обеспечению подведения электрического тока. На границе раздела между двумя различными по типу электропроводности полупроводниками или между полупроводником и металлом возникают потенциальные барьеры, что является следствием перераспределения концентраций подвижных носителей заряда между контактирующими материалами. Электрические свойства граничного слоя оказываются зависящими как от значения, так и от полярности приложенного внешнего напряжения. Если граничные слои обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, т. е. если их электрическое сопротивление при одной полярности напряжения больше, чем при другой, то такие слои называют выпрямляющими переходами. Нелинейные свойства переходов используют для выпрямления электрического тока, преобразования, усиления, генерации электриче-

ских сигналов и для других целей. На основе выпрямляющих переходов формируют биполярные диоды и транзисторы, тиристоры, туннельные диоды, диоды Шотки и другие приборы. Широкое применение выпрямляющие переходы находят в качестве изолирующих элементов в микроэлектронных устройствах.

Рассмотрим более подробно свойства контактов «металл — полупроводник». Электроны в металле и полупроводнике испытывают кулоновское взаимодействие

со стороны положительных ионов кристаллической решетки. Следовательно, потенциальная энергия электрона внутри металла, полупроводника или любого другого твердого тела должна быть меньше энергии свободных электронов в вакууме. Для перевода электрона из твердого тела в вакуум ему требуется сообщить определенную энергию. Минимальную энергию, которую необходимо сообщить электрону для удаления его за пределы твердого тела, называют работой выхода. Работу выхода можно определить для электрона, находящегося на любом энергетическом уровне, откуда следует, что эта величина является статистической. Среднее значение работы выхода электрона определяется как энергия, необходимая для удаления электрона с уровня Ферми в бесконечность. Работа выхода зависит от свойств кристаллической решетки, причем для большинства полупроводниковых материалов она изменяется в пределах от 1 до 6 эВ.

На рисунке 1.12а показаны невзаимодействующие металл и полупроводник, на поверхности которых нет никаких зарядов. Если работа выхода из полупроводника меньше работы выхода из металла (χп ≤ χм), то при сближении изолированных металла и полупроводника металл будет приобретать отрицательный заряд, а полупроводник — положительный, так как электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем в противоположном направлении.

Процесс обмена зарядами между металлом и полупроводником будет происходить до тех пор, пока не установится равенство химических потенциалов всей системы (см. рис. 1.12б, в), т. е. пока уровни Ферми металла EFм

Рис. 1.12

Различные стадии образования контакта «металл — полупроводник»

иполупроводника EFп не займут одинаковое положение. Вследствие такого перехода электронов вблизи поверхности полупроводника возникает изгиб энергетических зон, как показано на рисунке 1.12. Величина этого изгиба определяется падением напряжения между металлом

иполупроводником и в предельном случае тесного контакта равна контактной разности потенциалов:

В рассматриваемом случае энергетические зоны в полупроводнике изгибаются вверх и в приконтактной области полупроводника образуется положительно заряженный слой, обусловленный ионизированными донорными атомами и неосновными подвижными дырками. В приконтактной области металла возникает отрицательно заряженный слой, обусловленный избыточной концентрацией подвижных электронов. Заряды обоих слоев взаимно компенсируются.

Концентрация подвижных электронов в приконтактном слое полупроводника меньше, чем в объеме, и, следовательно, удельное сопротивление этого слоя больше удельного сопротивления в объеме. Такой слой называется запирающим. Если полупроводник имеет электропроводность p-типа и выполняется условие χп ≤ χм, то положительный заряд в слое возникает за счет избыточной концентрации подвижных дырок. При этом удельное сопротивление приконтактного слоя оказывается меньше

удельного сопротивления в объеме. Следовательно, в этом случае происходит образование так называемого антизапирающего слоя, как показано на рисунке 1.13.

Невзаимодействующие металл и полупроводник изображены на рисунке 1.13а, а образование искривления энергетических зон — на рисунках 1.13б, в.

Запирающий слой при достаточно больших изгибах зон является основой для создания выпрямляющих контактов, а антизапирающий — для создания омических, или невыпрямляющих контактов. Если работа выхода из металла меньше, чем из полупроводника, то путем аналогичных рассуждений можно показать, что для полупроводника p-типа образуется запирающий слой (рис. 1.14), а для полупроводника n-типа — антизапирающий слой (рис. 1.15).

Рис. 1.13

Различные стадии образования антизапирающего слоя для контакта «металл — полупроводник»

Из соотношения (1.83) видно, что количество электронов, вылетающих с площади S0 = 1 см2 в течение времени t0 = 1 с, определяется только работой выхода электрона из полупроводника и температурой. Если полупроводник изолирован, то эмиссия электронов не может продолжаться неограниченно долго, так как по мере уменьшения концентрации электронов полупроводник будет приобретать положительный заряд. В результате возникает электрическое поле, которое будет препятствовать дальнейшей эмиссии электронов, и, следовательно, система электронов будет находиться в термодинамическом равновесии.

1.6.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДАХ

Электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом, называют переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая — p-типа. Поверхность раздела между полупроводниками различных типов называют металлургической границей. По характеру структуры p-n-переходы можно подразделить на резкие со ступенчатым распределением концентрации примесных атомов и плавные с распределением концентрации примесных атомов, описываемых какой-либо непрерывной функцией. В свою очередь, резкие p-n-переходы делятся на симметричные и несимметричные. Симметричными называют переходы, образуемые одинаково легированными материалами p- и n-типов, несимметричными — образуемые материалами p- и n-типов с уровнями легирования, отличающимися на несколько порядков.

Рассмотрим основные свойства p-n-перехода на примере контакта двух равномерно легированных полупроводников. Предположим, что концентрация акцепторных атомов в полупроводнике p-типа составляет Nа,

а концентрация донорных атомов в полупроводнике n-типа — Nд. Вследствие разности концентраций электронов и дырок по обе стороны от металлургической границы перехода возникает диффузионное перемещение подвижных носителей заряда: электроны движутся из n-области в p-область, а дырки диффундируют в противоположном направлении. Можно считать, что на такое перемещение носителей заряда кулоновское взаимодействие существенного влияния не оказывает. Движущей силой диффузионного перемещения электронов и дырок через p-n-переход является градиент их концентрации

вокрестности металлургической границы. Уход электронов и дырок из приконтактных областей создает область объемного заряда, характеризующуюся контактным или диффузионным потенциалом, возникновение которого обусловлено разноименно заряженными неподвижными атомами донорной и акцепторной примесей. Процессы перемещения носителей заряда прекращаются тогда, когда контактный потенциал уравновешивает разность работ выхода электронов и полупроводников n- и p-типов. При этом ток, создаваемый электрическим полем, возникающим в области объемного заряда, полностью компенсируется диффузионным током, возникающим под действием градиента концентрации подвижных электронов и дырок.

Впроцессе диффузии электроны и дырки перемещаются через металлургическую границу p-n-перехода

вдвух противоположных направлениях. Но эти носители переносят электрические заряды противоположных знаков, в результате возникают электронная и дырочная составляющие единого диффузионного тока, направление которого совпадает с направлением перемещения дырок. Плотность диффузионной составляющей тока через p-n-переход

где Dn и Dp — коэффициенты диффузии электронов и дырок; dn/dx и dp/dx — градиенты концентрации электро-

нов и дырок. Плотность дрейфовой составляющей тока, возникающего под воздействием электрического поля области объемного заряда,

где E — напряженность электрического поля в области объемного заряда; n и p — концентрации электронов и дырок; μn и μp — подвижности электронов и дырок.

В условиях термодинамического равновесия диффузионный ток оказывается полностью скомпенсированным встречным дрейфовым током. Следовательно, полный ток через p-n-переход оказывается равным нулю:

Из равенства нулю суммарного тока p-n-перехода следует, что такая система контактирующих полупроводников должна характеризоваться одинаковым положением уровней Ферми в n- и p-областях. В отличие от системы, содержащей электрически нейтральные частицы, концентрации электронов и дырок по обе стороны от границы p-n-перехода в условиях термодинамического равновесия остаются различными. Градиенты концентраций одноименно заряженных частиц при равновесии отличны от нуля, однако диффузионному перемещению частиц препятствует возникающий в области объемного заряда потенциальный барьер.

На рисунке 1.16 показаны характер распределения концентрации ионов донорной и акцепторной примесей, потенциала, напряженности электрического поля, а также искривление уровней энергетических зон в области контакта для резкого p-n-перехода.

Пунктирными линиями на рисунке 1.16 очерчена приграничная область d = xp + xn, внутри которой наблюдается изменение указанных величин. Эта область называется запирающим слоем. Вне запирающего слоя уровни энергетических зон полупроводников n- и p-типов не ис-