Четвертый билет
4.Концентрация носителей заряда в собственном и примесном полупроводнике.
Всобственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны.
Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы полупроводники с преобладанием свободных электронов (n – тип) и с преобладанием дырок (р – тип). Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью.
Чтобы получить полупроводник n–типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы донорной примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность. Например, в кремний (число валентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность 5). Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами, которые легко становятся свободными. Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно на несколько порядков меньше.
На рисунке изображена энергетическая диаграмма полупроводника n-типа:
Донорная примесь порождает разрешённые уровни в запрещённой зоне, вблизи дна зоны проводимости.
Электроны с таким уровнем энергии становятся свободными при приобретении очень небольшой дополнительной энергии (энергии активации Wакт). Поэтому активация примеси происходит уже при низких температурах, когда термогенерация подвижных носителей самим полупроводником незначительна. Зависимость концентрации свободных электронов n от температуры Т приобретает вид:
Участок 1 этой зависимости соответствует быстрому росту концентрации за счет активации примеси. Рост прекращается, когда будут активированы все атомы примеси (участок 2).В области высоких температур рост возобновляется за счёт усиления термогенерации атомами самого полупроводника(уч. 3).
Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью 3,имеет меньшую, чем кремний, валентность, что приводит к дефициту валентных электронов. Достигается преобладание дырок. Появление акцепторных атомов приводит к появлению разрешённых уровней в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны.
Эти уровни легко заполняются валентными электронами, для чего требуется небольшая дополнительная энергия активации Wакт. Температурная зависимость концентрации дырок такая же, как и у полупроводника n – типа.
При утрате одного из пяти валентных электронов донорного атома он превращается в положительно заряженный ион. Суммарный заряд этого иона и порождённого донорным атомом свободного электрона равен нулю, полупроводник остаётся электрически нейтральным. Однако, если свободный электрон исчезнет, например в результате рекомбинации, заряд иона становится «заметным», электрическая нейтральность нарушается. Такие ионы называются нескомпенсированными ионами донорной примеси.
Каждый такой ион, как и дырка, имеет заряд +q, однако в отличие от дырки является неподвижным зарядом. Чем больше таких ионов, тем сильнее создаваемое ими электрическое поле. Аналогично, при захвате акцепторным атомом недостающего валентного электрона, он превращается в отрицательно заряженный ион.
19. МДП транзистор с плавающим затвором. Арсенид-галлиевый полевой транзистор
Устройство МДП-транзистора с плавающим затвором изображено на рис.
В таком транзисторе есть два металлических слоя, выполняющих функцию двух затворов. На верхний, обычный затвор, может быть подано внешнее напряжение Uзи в виде короткого импульса.
Возникает электрическое поле, которое заряжает внутренний, плавающий затвор. В зависимости от знака поданного Uзи, заряд плавающего затвора будет + Q или –Q. Этот заряд, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, проникающее в полупроводник. При +Q в полупроводнике возникает режим инверсии. Образуется n-канал, транзистор открыт. При отрицательном Uзи плавающий затвор приобретает заряд-Q. Канал исчезает (закрытое состояние).
Главное свойство такого транзистора - заряд плавающего затвора не исчезает после отключения Uзи. Благодаря тому, что плавающий затвор со всех сторон окружён диэлектриком, пути для тока разряда нет, а значит заряд затвора сохраняется в течение нескольких лет. В течение этого же времени сохраняется открытое или закрытое состояние.
Таким образом, МДП-транзистор с плавающим затвором обладает свойствами ячейки памяти, способной хранить 1 бит информации. Запись открытого состояния (условно единицы) осуществляется подачей на затвор короткого положительного импульса. Стирание прежнего заряда и переход в закрытое состояние (запись нуля) осуществляется подачей короткого отрицательного импульса.
Варсенид-галлиевом полевом транзисторе, как и в МДП-транзисторе, используется полевой эффект – влияние электрического поля на полупроводник. И хотя в GaAs-транзисторе нет диэлектрического слоя, подобием его является слой обеднённого полупроводника.
Вработе МДП- и GaAs-транзисторов много общего. Сам GaAs кристалл примесей не содержит. Благодаря большой ширине запрещённой зоны собственная концентрация носителей заряда беспримесного GaAs настолько мала, что по электропроводности этот полупроводник приближается к диэлектрикам. Поэтому проблемы влияния полупроводника, окружающего транзистор, не существует.
Большим достоинством GaAs является исключительно высокая подвижность свободных электронов. Поэтому быстродействие и частотные свойства GaAs-транзисторов и интегральных схем потенциально намного выше, чем кремниевых.
34. Диффузия примесей, эпитаксия, напыление.
Диффузия:
Кремниевые пластины с будущими ИС помещают в диффузионную печь. В ней создается атмосфера, содержащая донорную или акцепторную примесь в газообразном состоянии при высокой температуре. Примесь проникает через “окна” в полупроводник и превращает его в полупроводник n- или p- типа. Концентрация примеси в полупроводнике тем больше, чем больше температура и время такой обработки.
Формируется неоднородный слой с убывающей с глубиной концентрацией примеси
Эпитаксия:
Операция «эпитаксия» позволяет получить однородные слои примесного полупроводника, в которых концентрация примеси одинакова по всей толщине примесного слоя.
Кремниевую подложку помещают в атмосферу, содержащую газообразный атомарный кремний. Атомы кремния оседают на поверхности подложки в строгом порядке, повторяющем кристаллическую структуру подложки. Если в атмосферу газообразного кремния добавлена газообразная донорная или акцепторная примесь, наращенный слой будет полупроводником n- или p- типа.
Толщина эпитаксиального слоя, как и в случае диффузии примесей, тем больше, чем больше температура и время обработки подложки.
Концентрация примеси во всем эпитаксиальном слое будет неизменной.
Напыление:
Напыляемое вещество нагревается в вакууме до температуры испарения. Пары вещества, оседая на всех холодных поверхностях, например, на подложке, конденсируются, т.е. возвращаются в твёрдое состояние. Толщина напыленного слоя зависит, прежде всего, от длительности такой операции.
С помощью напыления, в частности, создаются металлические плёнки, образующие контакты металл-полупроводник и проводники между элементами.
49. Ячейки памяти интегральных схем запоминающих устройств
Простейшей возможностью записи информации в матричное ЗУ является изготовление в местах пересечений проводников пережигаемых перемычек. Они выполняются в виде предельно тонкого проводника, изготовленного напылением металла на поверхность подложки. При программировании такого ЗУ в соединительные цепочки подаётся ток, достаточный для теплового разрушения, пережигания перемычки. Если ток не подаётся, перемычка остаётся и обеспечивает соединение. Поскольку восстановить разрушенные перемычки нельзя, информацию в таком ЗУ обновить нельзя (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ). Информация в нём сохраняется независимо от подачи энергии, поэтому такое ПЗУ
энергонезависимое.
Вперепрограммируемых ЗУ, в том числе в флешь-памяти, роль «перемычки» выполняет МДП-транзистор с плавающим затвором, способный сохранять открытое или закрытое состояние.
Вкачестве оперативного элемента памяти наиболее часто используются бистабильные ячейки, которые имеют два устойчивых состояния: 0 или 1. Бистабильные схемы строятся на основе цепочек ключей, у которых присутствуют положительные обратные связи.
Как исходное, так и установившееся состояния я как вляются абсолютно устойчивыми, чем обеспечивается хранение записанной информации. Изменить состояние можно будет только подачей в ячейку низкого напряжения (записью нуля). Процессы изменения состояния происходят очень быстро.
