11п\п представляют собой очень многочисленный класс материалов. Самым существенным признаком п\п является электропроводность, меньшая, чем у проводников, и большая, чем у диэлектриков. Удельное электросопротивление п\п изменяется а пределах 10-2 -109 Ω*cм.
П\п-ми св-ми могут обладать как неорганические, так и органические вещества. Основу электроники составляют неорганические п\п. Неорг п\п делятся на твердые и жидкие. Твердые - на кристаллические, поликристаллические и аморфные. Кристаллические в свою очередь делятся на элементарные, химические соединения и твердые растворы. К элементарным относятся Si и Gе. К химическим соединениям - соединения типа A3B5, A2B6, A4B4, A4B6
П\п яв-ся основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один в другой различные виды энергии в малом объеме твердого тела без существенных потерь. Это обусловило широкое применение п\п в микроэлектронике и оптоэлектронике.
Различают примесные и собственные (т.е. беспримесные) п\п. В собственных п\п переход электронов в зону проводимости осуществляется только из ВЗ, поскольку в ЗЗ отсутствуют разрешенные уровни, вносимые примесными атомами. Носителями заряда в таком п\п яв-ся электроны в ЗП и дырки в ВЗ. Общее количество носителей в обеих зонах совпадает. Понятие о чистоте материала относительно. В каждом веществе обязательно присутствуют малые количества многих примесей.
Оценка чистоты вещества осуществляется двумя способами: по химическому составу и по физическим свойствам. Первый способ является прямым, а второй - косвенным. При физическом способе о суммарном содержании примесей судят по величине электросопротивления, подвижности носителей тока, диффузионной длине.
Существует большое количество методов глубокой очистки вещества. Как правило, для достижения необходимого предела очистки используются несколько стадий очистки разными методами. Очистив п\п материал, далее его начинают снова "загрязнять", так как основным способом придания п\п-м материалам необходимых свойств является введение в них тех или иных примесей. Преднамеренное введение таких примесей называют легированием, соответствующие примеси - легирующими, а п\п – примесным
16При производстве п/п(а) необходимо обеспечивать очень низкого уровня загрязнения нежелательными примесями. Суммарное содержание быстро диффундир-их Ме(х) примесей должно быть не выше 1011 см-3, углерода не выше 1015 см-3.
Содержание кислорода должно быть минимальным и равномерно распределено по объему слитка. Кислород в Si образует тв. растворы внедрения и явл. примесью отличающейся очень сложным поведением. В выращенном монокристалле 95% атомов кислорода находится в межузельном положении. Изолированные атомы кислорода в решетки Si эл-ки нейтральны .При Т<10000 C тв. раствор становится пересыщенным, что приводит к его распаду и образованию различного рода комплексов и дефектов структуры. В рез-те термической обработки как в процессе выращивания монокристалла так и при изготовлении приборов атомы кислорода могут взаимодействовать между собой, а так же другими примесями и дефектами и образовывать эл. Активные комплексы. Так называемыми термодонорами. Высокая концентрация термодоноров затрудняет получение заданного значения удельного эл. сопротив. А так же получение монокрристалов с удельным эл. сопр. более 20 Ом на см.С в Si является элетро нейтральной примесью замещения. Эта примесь способна оказывать сильное влияние на состояние комплексов точечных дефектов. И процессы дефектно примесного взаимодействия в Si. В зависимости от содержания С при терм. обработке Si могут существенно изменяться процессы формирования термодоноров. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов Si (80-90%). В этом случае осн. Источником О2 для Si явл. раств. в процессе выращивания монокристалла кварцевый тигель. При этом методе концентрация О2 в Si может достигать 1018 см-3 т.е. может быть выше чем концентрация легирующей примеси может оказывать серьезное влияние на Эл-кое и структурное св-во выращенного Si.
Основным источником С в Si явл. исходная загрузка и графитовая оснастка камеры. Обычная величина концентрации С в монокристалл-ом Si выращенном по методу Чохральского составляет (от 2 до 7) * 1016 см-3.
В связи с необходимостью обеспечить в выращенном монокристалле минимальное содержание кислорода и углерода в последнее время возрос интерес к получению монокристалл. Si методом безтигельной зонной плавки. Метод позволяет значительно снизить содерж. этих примесей. О2 например на 2 порядка.
Метод позволяет получать монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному удельным эл. сопротивлением до 105 Ом на см.
20Атомная структура п\п-х материалов, в частности кремния, может различаться очень сильно: от строго упорядоченного расположения атомов в монокристаллах до разупорядоченного аморфного состояния. Поликр кремний в этом ряду занимает промежуточное положение. Его хим и физ свойства в значительной степени зависят от структуры, типа и размера зерен, которые в свою очередь сильно зависят от технологии получения материала. Высокая чувствительность свойств поликр кремния к изменению технологических параметров, с одной стороны, позволяет в широких пределах варьировать свойства материала, а с другой - затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами. Получение необходимых и главное стабильно воспроизводимых свойств поликр кремния резко осложняется наличием межзеренных границ (МЗГ).
МЗГ представляет собой регулярное множество дислокаций и связана с локальными искажениями решетки вблизи поверхности раздела внутри поликристалла. Такие локальные искажения приводят к образованию оборванных связей. Состояния на МЗГ могут действовать в качестве ловушечных центров, а также центров рекомбинации и рассеяния. Именно из-за сильной рекомбинации до настоящего времени не реализованы бип тр-ры на поликремнии. Повышенное рассеяние снижает подвижность носителей заряда, что ограничивает быстродействие тонкопленочных тр-ров. Наличие потенциального барьера на МЗГ является причиной нелинейности хар-тик резисторов, изготавливаемых на основе поликр кремния. Возникновение потенциального барьера связано с захватом подвижных носителей заряда на состояния МЗГ. При этом уменьшение конц носителей заряда в пограничном слое приводит к образованию области пространственного заряда нескомпенсированных ионизированных доноров или акцепторов (в случае материала п- или р-типа соответственно) и вследствие этого к искривлению зон. Вид зонной диаграммы для случая, когда граница раздела в поликремнии образована кристаллитами п-типа, показан на рис
Т
ак
как вклад в проводимость вносят только
те электроны, которые в состоянии
преодолеть потенциальный барьер
∆Евс, то среднюю электропроводность о
поликремния можно записать в виде
где σV - электропроводность основной массы зерна.
∆Еbf и ∆Евс - высоты потенциального барьера по отношению к уровню Ферми ЕF и дну ЗП Еc соответственно; Еv - потолок ВЗ; ∆ЕG ширина ЗЗ; <а> - размер зерна
24Наиболее существенным эффектом, связанным с легированием а-Si:Н, является изменение его проводимости на шесть - десять порядков при контролируемом ведении примесей бора или фосфора.
В настоящее время существует несколько вариантов интерпретации механизма легирования. Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что изменение электрических свойств вызывается в основном изменением степени заполнения состояний в щели подвижности. При этом условии электрическая активность вводимых примесей и смещение уровня Ферми под действием добавок пропорциональны величине ND/g(Еf), где ND - концентрация примеси; g(Еf) - плотность состояний на уровне Ферми легируемого образца. Другими словами, механизм легирования связан с тем, что избыточные электроны и дырки примеси заполняют состояния в середине щели подвижности, действуя как компенсирующая примесь для глубоких уровней. После того, как все состояния заполнены, дополнительное легирование приводит к сдвигу уровня Ферми в направлении к зонам. Очевидно, что при фиксированной величине ND величина ∆Ef тем меньше, чем выше исходная плотность состояний на уровне Ферми. В негидрогенезированном а-Si:Н g(Еf) достигает 1019 -1020 см-3 и в этой связи этот материал не легируется традиционными примесями.
25 Многие физические свойства неупорядоченных полупроводников определяются термодинамической особенностью этого класса материалов, а именно, их удаленностью от состояния равновесия, характерного для кристаллов.
В 1977 г. Стэблер и Вронски обнаружили, что после длительного освещения пленок a-Si:Н белым светом величина проводимости уменьшается почти на четыре порядка. Все эти изменения являются, однако, обратимыми и после отжига при Т = 150 °С в течение одного часа свойства образца могут быть полностью восстановлены.
Совокупность проведенных на материале исследований свидетельствует о возникновении под действием освещения нового метастабильного состояния, обусловленного дефектами.
При изучении транзисторных структур, изготовленных на основе a-Si:Н было обнаружена влияние электрических полей, приложенных в прямом и обратном направлении, на свойства материала. В частности, смещение порогового напряжения Uпор, тонкопленочных полевых транзисторов, изготовленных на основе a-Si:Н под действием поля связывается с образованием дополнительного числа дефектов, метастабильных по своей природе.
Стимулирование работ в этой области непосредственно связано с проблемами практического характера, а именно, с временной и темпера* турной деградациями характеристик приборных структур, изготовленных на основе a-Si:Н.
55Теория строения стекла наибольшее распространение получили представления о существовании в стекле непрерывной беспорядочной сетки. Согласно этой гипотезе стекло рассматривается как сплошная атомная 3-хмерная сетка лишенная симметрии и периодичности.
Основой строения силикатных стекол являются комплексы SiO4- -тетраэдры с очень прочными связями Si-О. Отдельные тетраэдры могут быть скреплены в цепи "мостиковым" кислородом. Таким образом образуется непрерывная сетка, имеющая ближний порядок, но у которой отсутствует дальний порядок.
Компоненты стекла, не способные самостоятельно образовывать непрерывную структурную сетку, называются модификаторами. К группе модификаторов относятся, например, оксиды элементов I и II групп Периодической системы. При введении в состав стекла модификаторов происходит разрушение некоторой части мостиковых связей, что сопровождается дроблением пространственной сетки. Вследствие этого свойства стекла меняются, модифицируются.
56Ситаллы или стеклокристаппические материалы - поликристаллические вещества, получаемый регулируемой кристаллизацией стекла. Для получения ситаллов в расплавленное стекло вводят катализаторы кристаллизации, на которых происходит рост кристаллов основной фазы.
В качестве кристаллизаторов (нуклеаторов) чаще всего применяют: TiO2, Р2О5, Сr2О3, V2O5, ВзОз, ZrO2, SnO2, WOз. МоОз и т.д.
Технология получения ситалов состоит из нескольких стадий.
Главные из которых формирование изделий и двуступенчатая термообработка.
1) ступень 500-700 С – образование зародышей кристаллизации.
2) ступень 900 – развитие кристаллических фаз.
В результате кристаллизации содержание остаточной стекловидной фазы в ситалле может колебаться от 2 до 50 %. Размеры кристаллов в стеклокристаллических материалах не более 1 мкм. Изменяя состав исходного стекла, тип кристаллизатора и режим термообработки, можно получать ситаллы с определенными свойствами.
Фх свойства опеделяются содержанием кристаллической фазы и могут изменяться в очень широких пределах. Все ситалы превосходят стекла по прочности и термостойкости, их хрупкость значительно меньше чем у исходных стекол.
Стекпокристаллические цементы или ситалпоцеиенты - отличаются от ситаллов содержанием кристаллической фазы. У ситаллоцементов количество кристаллической фазы значительно меньше, т.е. больше стеклофазы.
Ситалоцементы характеризуются после нагрева до тем-ры превышающей тем-ру размягчения стекла.
32Основу приоритетных направлений развития науки составляют так называемые критические технологии, вносящие осн вклад в решение ключевых проблем. К их числу можно отнести интенсивно развивающуюся оптоэлектронику, которая оказывает сущ влияние на развитие информ-ых технологий и эл.техники. Увеличение плотности упаковки раб элементов ИС ведет к резкому возрастанию протяженности и усложнение архитектуры традиционных межсоединений. В результате меж соединения превращается в одно из осн препятствий на пути дальнейшего увеличения быстродействия ИС. А их изготовление становится все более дорогостоящей операцией, оказывающей серьезное влияние на стоимость ИС. Поэтому крайне актуально становится поиск новых принципов осуществления связи между отдельными эл-ми ИС и между чипами. Возможными альтернативами традиционных межсоединений явл. оптоэлектронные системы, обеспечивающие возможность генерации модуляции усилия, передачи и детектированию сигнала.
Оптоэлектронные приборы обеспечивают высокоскоростную передачу больших массивов информаций, динамическое и долговременное хранение этой информации, сверхбыструю обработку сигналов и высококачественное отображение сигналов. Под оптоэл-й на основе Si подразумевают интеграцию фотонных и электронных компонент на кремниевом чипе. Технология изготовления фотонных компонент должна хорошо совмещаться с технологией изготовления самой ИС. Кремниевая оптоэлектроника явл. бысторазвивающ. областью техники. Осн проблемой кремниевой оптоэлектр. явл. проблема создания эффективного источника излучения, роль которого выполняет светодиод или лазер. Проблема состоит в том что Si не является прямозонным п/п(ом) поэтому эффективность межзонной рекомбинации в кремнии очень низка. Излучательная рекомбинация в Si на 5 порядков менее вероятна чем в GаAs. Нашли возможности реализации оптических функций на Si обуславливающие интенсивное исследование большого кол-ва материала и приборных структур. Можно выделить след-ие основные направления поиска.
Светоизлучающие структуры на основе Si легированного эрбием.
Выращивание на кремниевых подложках гетероэпитаксиальных структур на основе прямозонных соединений AIIIBV .
Наращивание на кремниевых подложках эпитаксиальных слоев тв. р-ров эл-тов 4 группы.
41. Свойства SiC
По типу хим связи карбид кремния относится к ковалентным кристаллам. Доля ионной связи обусловленная некоторыми различиями в электроотрицательностях атомов Si и С, не превышает 10-12%.Следствием сильных хим связей между атомами кремния и углерода явл очень высокая хим и температурная стабильность SIC, а также высокая твердость Сильная хим связь явлпричиной низких коэффициентов диффузий большинства примесей и повышенной устойчивостью к радиации. Хрупкость карбида кремния явл следствием кристаллической структуры и типа хим связи и сочетается в нем с высокой твердостью.Примеси эл-в V группы явл для SiC донорами, а эл-ы II и III групп акцепторами. На практике чаще всего в качестве донора используют азот, в качестве акцептора – алюминий или бор. Как материал п\пй электроники SiC обладает сочетанием уникальных свойств. Это большая ширина зз, от 2,4 до 3,3 эВ в зависимости от политипа SiC, высокая теплопроводность близкая к теплопроводности меди, высокое значение напряженности поля пробоя, высокая растворимость донорных и акцепторных примесей, наличие собственного оксида в виде SiO2.SiC может существовать в виде множества кристаллических структур, кот построены из идентичных элементарных слоев, но отличающихся последовательностью чередования этих слоев вдоль оси С. Такое явление называется политипизмом.У различных политипов SiC довольно существенно отличаются значения ширины зз и подвижности носителей заряда. Управление политипизмом SiC представляет собой очень сложную технологическую задачу. Объясняется это близостью эн образования разл политипов SiC. В результате воспроизведение того или иного политипа SiC зависит от многих факторов: температуры, скорости роста, состава кристаллизационной среды, типа легирующих примесей и тд.Карбид кремния имеет три полиморфные модификации: гексагональную и тригональную (α-SiC), а также кубическую (β-SiC).
На сегодня известно порядка 200 политипов SiC, но механизм формирования той или иной модификации неясен. Разница в энергиях кристаллической решетки различных модификаций незначительна. Главные факторы, оказывающие влияние на формирование политипов и полиморфные превращения это температура и давление. Однако построение фазовой диаграммы для политипных систем затруднено, т.к. при постоянном давлении и одинаковой температуре возможно формирование разных политипов в зависимости от различных малозначительных внешних воздействий – изменения соотношения компонент, типа синтеза (жидкофазный либо твердофазный) и т.д.
45Технология получения п\пх соед-й отличается от технологии получения элементарных п\п-в наличием операции синтеза. Синтез поликр GaAs может осуществляться взаимодействием расплава с парами Ас и сплавлением компонентов Са и Аз.Жидкий галлий помещают в горизонт кварцевую лодочку. Лодочку располагают в горизонт кварцевой ампуле, в другом ее конце находится тв мышьяк. Для очистки поверхности компонентов от оксидов ампулу помещают в печь и откачивают до остаточного давления <10~4 Па при температуре галлия 650 °С и мышьяка - 300 °С. Такую очистку ведут несколько часов, после чего запаянную ампулу помещают в многозонную печь. Зона, в кот расположен Ga, нагревается до температуры плавления GaAs, а зона, содержащая мышьяк, доводится до температуры 613 - 620 °СПары мышьяка диффундируют в другой конец ампулы, где реагируют с расплавом галлия. После завершения процесса синтеза расплав охлаждают, в результате чего получают поликристаллич слиток. При установке в затравочный канал монокристал затравки производят горизонтальную направленную кристаллизацию расплава и получают монокристал слиток.Сплавление галлия и мышьяка необходимо производить под защитным слоем, кот предотвращает интенсивное испарение легколетучего As. К материалу защитного слоя предъявляются следующие требования: хим стабильность при температуре плавления GaAs; меньшая, чем у GaAs, плотность; несмешиваемость с расплавом GaAs; в нем не должны растворяться пары As; должен быть прозрачен, чтобы при выращивании кристаллов можно было контролировать процесс затравливания монокристалла. Лучше всего этим требованиям удовлетворяет В2О3 Однако мышьяк, хоть и слабо, но растворяется в оксиде бора, что приводит к потерям Аs. Для уменьшения потерь над слоем В2О3 создают повышенное давление инертного газа.В кварцевый тигель помещают смесь галлия и мышьяка при небольшом Избытке последнего для компенсации потерь на испарение смесь покрывают кусочками В2О3 кот обеспечивают после расплавления слой толщиной 20 - 40 мм. Тигель нагревают до темп 820 -880 в атмосфере инертного газа в камере высокого давления. В результате плавления мышьяка (817 °С) и галлия (30 °С) образуется жидкая смесь компонентов, реагирующая с выделением Тепла. В результате темп повышается до темп плавления арсенида галлия (1238 °С).После завершения синтеза производят охлаждение расплава с образованием поликристаллического материала, Осн методом получения монокристаллов GaAs явл метод Чохраського.При избытке в расплаве мышьяка осн точечными дефектами кристаллов явл междоузельные атомы Аs. Для полуизолирующего GaAs его легируют хромом в процессе роста до уровня 5 1015 см-3, а также выращивают чистые кристаллы из стехиометрического расплава или расплава, слегка обогащенного Аs. Для повышения воспроизводимости процесса выращивания бвздислскационных кристаллов в расплав GaAs вводят индий. Индий
упрочняет кристаллическую решетку GaAs и повышает энергию образования дислокаций при росте. Основными неконтролируемыми примесями в монокристаллах GaAs являются С и Si. Источники - различные углеводороды и кварцевый тигель.
66 Практическое использование ВТСП. Практическое использование сверхпроводимости осуществляется в двух направлениях. Первое из них - "сильноточная" сверхпроводимость - связано с разработкой сверхмощных магнитных систем для накопителей энергии, ускорителей заряженных частиц и других устройств, с созданием силовых кабелей и трансформаторов большой мощности.Второе направление - "сверхпроводниковая" электроника. Физическую основу сверхпроводниковой электроники составляют квантовые когерентные эффекты: эффект квантования магнитного потока и эффект Джозефсона. На основе эффекта Джозефсона созданы сверхпроводящие интерферометры, содержащие параллельно включенные слабые связи между сверхпроводниками. При этом критический ток оказывается периодически зависящим от потока внешнего магнитного поля, что позволяет использовать такое устройство (сквид) для чрезвычайно тонкого измерения слабых магнитных полей.В настоящее время сквиды получили наибольшее распространение в сверхпроводящей электронике. На основе сквидов разработаны приборы, практически все из которых обладают рекордной чувствительностью (магнитных полей - до 10-18 Тл; токов - до 10-10 А, напряжений - до 10-15 В). Сквиды активно применяются в криоэлектронных системах логики и памяти и являются базовыми элементами сверхпроводниковых цифровых и импульсных устройств. Их достоинства - высокое быстродействие, малые потери. Слабосвязанные сверхпроводники могут быть также использованы в качестве параметрических преобразователей, смесителей, малошумящих детекторов, чувствительных детекторов СВЧ, усилителей и других электронных устройств.Большое место занимают исследования возможности применения ВТСП в качестве элементов пассивных устройств: экранов, межсоединений в интегральных схемах.
51термоэлектр добротность
z= 2/х,
где z - термоэл добротность; - удельный коэффициент термоЭДС; - удельная проводимость; х - удельная теплопроводность.Для эффективных термоэлементов необходимы вещества с высоким значением термоэл добротности. Так как, коэф-ы термоЭДС у ме малы, а у диэлек-в практич отсутствует элпроводность, наиболее приемлемыми с точки зрения термоэл-й эфф-и явл п\п-и. Одним из способов повышения термоэл-й добр-и явл снижение фононной составляющей теплопроводности материалов путем легирования тв растворов нейтральными примесями. В этом случае конц носителей тока остается неизменной, а рассеяние фононов может быть больше, чем рассеяние носителей тока. Поэтому растет отношение /х и, как следствие, увеличивается термоэлектрическая добротность материала.
Теллурид висмуте Вi2Тe3. Первоначально для термоэлектрических охлаждающих устройств использовали стехиометрический Вi2Тe3, однако позднее оказалось, что более эффективны тв растворы на его основе. поскольку при этом удается добиться снижения фононной теплопроводности без особых изменений подвижности. Обычно эти вещества можно использовать при температурах меньше 150 °С. Для Вi2Тe3 при 300 К Еg= 0,16 эВ. В результате биполярный теплоперенос появляется уже при 150 - 200 °С.
Соед Вi2Тe3 относится к категории автолегирующихся, когда в зависимости от отклонения от стехиометрии возникает избыток дефектов п- и р-типа. Осн типом дефектов в этих кристаллах являются антиструктурные дефекты. Именно эти дефекты определяют тип и конц осн носителей. В области избыточной конц Bi эти атомы замещают вакантные узлы в подрешетке теллура и проявляют акцепторные свойства. Если же атомы Те находятся в избытке, они занимают места в подрешетке Bi и проявляют донорные свойства.
Теллурид свинца РЬТe. Чистый (или легированный селенидом олова либо теллуридом цинка) теллурид свинца используют в температурном диапазоне 150 - 450 °С. Как и Вi2Тe3, эти материалы изготавливают методами направленной кристаллизации или же горячим прессованием. Их недостатком явл предрасположенность к сублимации и окислению, поэтому при использовании указанных материалов необходимы соответствующие меры для предотвращения этих явлений.