Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Полупроводниковые материалы и их применение. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
И.В. Музылева
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые материалы и их применение
Учебное пособие
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2014
УДК 621.34(07)
Музылева, И.В.
М 896
Электротехническое и конструкционное материаловедение. По-
лупроводниковые материалы и их применение [Текст]: учебное пособие / И.В.Музылева. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного
технического университета, 2014. – 79 с.
ISBN
В учебном пособии рассматриваются свойства классических полупроводниковых материалов и их применение в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Предназначено для студентов направлений
«Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электропривод и автоматика»
и «Мехатроника и робототехника», а также для студентов смежных специальностей.
Ил. 53 Библиогр.: 4 назв
ISBN
© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014 г.
© Музылева И.В, 2014.
М 896
Рецензенты:
Г.А. Воробьёв – доцент кафедры прикладной математики Липецкого государственного педагогического университета;
С.М. Колесников – директор Липецкого филиала НОУ ВПО «Международный
институт компьютерных технологий».
2
Оглавление
Введение ....................................................................................................................... 4
Основы зонной теории ................................................................................................ 7
Кремний и его свойства ............................................................................................ 18
Контактные явления в полупроводниках................................................................ 26
Пробой pn-переходов ................................................................................................ 34
Полупроводниковые диоды ...................................................................................... 35
Полупроводниковые транзисторы ........................................................................... 40
Биполярные транзисторы ......................................................................................... 40
Биполярный транзистор как отдельно взятый прибор и как часть ИС ............... 43
МДП – транзисторы (МОП - транзисторы) ........................................................... 45
Диоды в интегральном исполнении ........................................................................ 47
Диффузионные резисторы ........................................................................................ 50
Технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИС .......................... 50
Сплавная технология ............................................................................................. 50
Диффузионная технология .................................................................................... 53
Изготовление транзисторов по диффузионной технологии .............................. 57
Изготовление транзисторов по планарной технологии ..................................... 57
Метод ионного внедрения (ионная имплантация) ............................................. 62
Эпитаксия. Эпитаксиально-диффузионная технология .................................... 63
Изготовление биполярного транзистора разделительной диффузией ............ 67
Изготовление биполярного транзистора с применением
поликристаллического кремния ........................................................................... 70
Изготовление МОП-структуры ............................................................................ 71
Пленочные технологии производства ИС ........................................................... 74
Заключительные этапы производства полупроводниковых приборов и ИС ...... 77
Контактная металлизация ..................................................................................... 77
Сборка и герметизация .......................................................................................... 77
Заключение ................................................................................................................. 78
Библиографический список ...................................................................................... 78
3
Введение
Производство и применение полупроводниковых материалов неотделимо
от истории развития электроники как науки и электронной техники как важнейшей части жизни современного человека.
Считается, что электроника – продукт 20 века. Однако ее корни уходят в
середину века 19, когда была открыта термоэлектронная эмиссия, изобретено
радио. Термоэлектронная эмиссия стала основой для технологии создания электронных ламп, это первый период развития электроники. Ключевыми событиями этого периода стали создание в 1904 г. вакуумного диода Д. Флемингом,
а в 1906 году – изобретение триода Л. Форестом. Эти приборы стали широко
применяться в генераторах, передатчиках, усилителях, выпрямителях и, наконец, в электронных вычислительных машинах (ЭВМ). Объем одного элемента
эры электронных ламп в среднем составлял 1 см3, имел массу 10г. В простейшей ЭВМ того времени «Урал» насчитывалось 1000 ламп, каждая из которых
выходила из строя через 50 часов работы. В больших ЭВМ было 5…6 тысяч
ламп. Такие ЭВМ требовали десятки метров площади с хорошей энергосистемой и мощной вентиляцией. Коэффициент полезного действия их в лучшем
случае составлял 2…3%, остальная энергия выделялась в виде тепла.
Второй этап развития электроники наступил с изобретением в 1948
году полупроводникового триода, названного транзистором (В. Шокли,
Д. Бардин и У. Браттейн). Замена части ламп на полупроводниковые элементы
уже уменьшила массу ЭВМ в десятки раз (с 2000 до 50 кг). Настоятельно требовалось уменьшить габариты устройств и уменьшить число соединений при
монтаже и сборке. Полупроводниковые материалы начали свое победное
шествие по планете.
Третий этап развития электроники начался в 1957 году с
применением планарной технологии – это совокупность операций,
позволяющих создавать в полупроводниковой пластине набор pn-переходов,
границы которых выходят на одну и ту же плоскую поверхность. Такое
4
расположение упрощает их формирование и соединение в соответствии с
зpаданной электрической схемой и защиту от внешних воздействий пленкой
оксида. В сочетании с пленочной технологией планарная технология
позволила перейти к производству интегральных микросхем (ИС). На этом
этапе формируется новая наука – микроэлектроника.
Микроэлектроника – область электроники, занимающаяся созданием
электронных функциональных устройств в микроминиатюрном интегральном
исполнении.
Функциональное устройство – это электронное устройство,
выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала
(телефон, телевизор и т.д.).
Микроминиатюризация – создание сверхминиатюрных изделий, в
основе работы которых заложены новые физические явления и принципы.
Интеграция – объединение определенного количества элементов в
заданном объеме (не менее 5 на см3) в сочетании с технологическими
приемами, обеспечивающими такую возможность.
Интегральное исполнение – это создание изделий микроэлектроники,
конструктивно и технологически связанных в единое целое.
Микроэлектронные устройства получают как результат
последовательной групповой обработки многих участков поверхности
полупроводниковой пластины в едином технологическом процессе. Таким
образом устранены трудности создания огромного количества элементов и их
монтажа.
Микроэлектроника позволила создать микросхемы, отличающиеся
методами изготовления, сложностью и функциональными возможностями. К
ним относятся:
Полупроводниковые интегральные микросхемы – ИС, в которых все
элементы и соединения выполнены в едином объеме и на единой поверхности
полупроводникового кристалла.
5
Пленочные интегральные микросхемы – это ИС, все элементы и
соединения которой выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке.
По толщине пленок и характеру применяемых технологий различают:
Тонкопленочные ИС – с толщиной пленок менее 1 мкм;
Толстопленочные ИС - с толщиной пленок более 1 мкм.
Гибридная ИС состоит из элементов, компонентов и кристаллов.
Элементы – это транзисторы, конденсаторы, диоды, резисторы, не явля-
ющиеся самостоятельным изделием и неотделимые от подложки.
Компонент - транзисторы, конденсаторы, диоды, резисторы, являющие-
ся самостоятельным изделием.
Кристалл – часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверх-
ности которой формируют элементы и их соединения.
В гибридной ИС активные элементы (конденсаторы, диоды и транзисторы) выполняются в виде компонентов, а пассивные (резисторы) – в виде пленок.
Совмещенная ИС – в которой активные элементы формируются в объеме
полупроводниковой пластины, а пленочные пассивные элементы – на оксиде,
покрывающем поверхность этой пластины.
Степень интеграции (К) – показатель сложности ИС, характеризующаяся
числом элементов и компонентов N:
K=lgN.
ИС называют малой (МИС), если K≤1; средней (СИС), если 1<K≤2,
большой (БИС), если 2<K≤4; сверхбольшой (СБИС) при если K>4.
В конце 60-х – начале 70-х годов были изобретены микропроцессоры
(МП) – фирма Intel выпустила микросхему I8080, которая успешно
продержалась на рынке 16 лет. Учебные стенды на базе российского аналога
данной БИС (КР580ВМ80А) выпускаются и поныне, поскольку данный МП
имеет относительно простую архитектуру, а принципы работы МП остаются до
сих те же.
6
Микропроцессор – это БИС или СБИС, выполняющие строго
специализированные функции по заданной программе. МП служит основой
нового класса ЭВМ, называемых микроЭВМ.
С момента появления МП начался четвертый период развития элек-
троники. Возникла функциональная микроэлектроника, основанная не на
стандартных базовых элементах (диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы), а на применении и других физических явлений: оптические и магнитные
явления в диэлектриках, сверхпроводимость, фотопроводимость и т.д.
Но основой электроники остаются свойства полупроводниковых мате-
риалов. Рассмотрим их от простого к сложному – физическое строение и химические свойства, основные технологические операции получения полупроводниковых материалов, структуру типовых полупроводниковых элементов – диодов, транзисторов и резисторов – и методы их получения.
Основы зонной теории
В соответствии с принципом квантовой механики электроны атома могут
обладать определенными значениями энергии We или находиться на определенных (разрешенных) энергетических уровнях. Спектр разрешенных уровней по
мере увеличения радиуса орбиты электрона становится плотнее, уровни разрешенной энергии становятся все ближе. Физически это означает, что для перехода электрона с одной орбиты на другую нужно больше энергии, если электрон близок к ядру. По мере удаления от ядра, для перехода с одной орбиты на
другую нужна меньшая порция энергии, так как электрон меньше связан с ядром (рис. 1). Так как оболочки атома, расположенные ближе к атомному ядру,
характеризуются меньшей энергией электрона по сравнению с более удаленными, то отсюда следует, что электроны, стремясь занять уровни с минимальной энергией, будут заполнять внутренние оболочки до предела. Частично заполненной может быть только внешняя, наиболее удаленная от атомного ядра
оболочка.
7
We
Один атом Четыре атома
We
Зона проводимости (зона
свободных электронов)
Зона валентных электронов
Запрещенная зона
Рис. 1. Энергетическая диаграмма
При сближении атомов, начиная с некоторого расстояния, их взаимное
влияние становится ощутимым, линии спектра начинают расщепляться в группу подуровней – зону. Взаимное влияние атомов в первую очередь начинает
сказываться на внешней оболочке. На внутренних оболочках оно сказывается
меньше, и по мере приближения к атомному ядру расщепление уровня дает все
более и более узкие зоны, вырождаясь постепенно в единый уровень, как это
имело место для всех уровней одиночных атомов.
Внутренние электронные оболочки атомов являются заполненными. Это
значит, что все возможные состояния в них заняты электронами. Естественно,
что и зоны, образовавшиеся за счет расщепления уровней, относящиеся к внутренним оболочкам, являются заполненными зонами. Все уровни, образующие
эту зону, заняты максимально допустимым количеством электронов.
Между зонами разрешенных для электронов энергетических уровней расположены зоны значений энергии, которыми электроны не могут обладать. Эти
зоны называются запрещенными зонами.
8
Так линейчатый энергетический спектр одиночного атома в твердом теле
превращается в зонный спектр, в котором разрешенные зоны уровней разделяются запрещенными зонами (рис. 1).
Принято измерять энергию электронов в электронвольтах (эВ). 1 эВ – энергия, численно равная заряду электрона, в Джоулях:
1эВ=1,6∙10
-19
Дж.
Переход электронов из одной зоны в другую возможен, если электрон получит дополнительную энергию, превышающую ширину запрещенной зоны,
разделяющей эти две разрешенные зоны. Внутри верхней зоны электроны могут переходить с занятых уровней на свободные за счет получения значительно
меньших количеств энергии.
На электропроводность твердого тела оказывает существенное влияние
расположение двух соседних зон в верхней части энергетической диаграммы.
Нижняя зона, заполненная электронами, называется валентной; свободная от
электронов зоной проводимости (рис. 1).
В зависимости от электронной структуры атома и строения кристаллической решетки, между этими зонами либо может сохраниться запрещенная зона,
либо ее может и не быть. В зависимости от наличия и ширины запрещенной зоны определяют 3 класса веществ:
проводники нет запрещенной зоны;
полупроводники ширина запрещенной зоны ∆Wз≤ 3 эВ;
диэлектрики ∆Wз=3…10 эВ.
Чистые собственные полупроводники
Главной особенностью полупроводниковых материалов является сильная
зависимость их свойств от температуры и вносимых примесей. Беспримесные
классические полупроводники – кремний Si и германий Ge. Кристаллическая
решетка этих веществ имеет тетраэдрическую структуру (рис. 2). Атомы Si и
Ge имеют соответственно 32 и 14 электронов
Si: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p2 (∆Wз=1,12 эВ) и
9
Ge: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s2, 3p2 (∆Wз=0,67 эВ).
а б в
Рис. 2. Модель кристаллической решетки кремния и германия: а – объемная
модель; б – элементарный тетраэдр; в – плоскостная модель
Внешняя оболочка и Ge, и Si образована четырьмя электронами. В обоих
случаях в подгруппе p имеются 4 вакантных состояния, не занятых электронами. В кристаллах атомы Si (Ge) располагаются так, что их внешние электронные оболочки перекрываются, и уровни подгрупп s и p расщепляются в единую
энергетическую зону (рис. 3). Взаимодействие внешних энергетических оболочек проявляется в том, что у электронов соседних атомов появляются общие
орбиты, на которых в соответствии с принципом Паули может находиться не
более двух электронов с противоположными спинами. Эти общие орбиты связывают между собой атомы Ge (или Si), образуя так называемые ковалентные
(или парно-электронные) связи. В этом случае каждый рассматриваемый атом
как бы дополняет свою внешнюю оболочку до 8 электронов, что соответствует
полностью занятым состояниям в подгруппах s и p. Уровни, соответствующие
этим группам, оказываются полностью занятыми и образуют валентную зону.
А зону проводимости образуют уровни, соответствующие свободным от электронов уровням энергии группы d.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]