2 лекция

2-дәріс. Шалаөткізгіштер

Дәрістің қысқаша мазмұны

Микроэлектрониканың негізін шалаөткізгіш құралдар құрайды. Сол себептен микроэлектрониканың физикалық негіздерін қарастырар бұрын, ең алдымен шалаөткізгіштердің негізгі қасиеттеріне тоқталайық.

Жалпы заттар меншікті электр кедергісінің шамасы бойынша шартты түрде шалаөткізгіштер ( Ом*см), металдар( Ом*см шамасынан кем болатын) және диэлектриктер ( Ом*см шамасынан жоғары) болып бөлінеді.

ИС-ларды көбінесе кремнийден жасайды.

Шалаөткізгіштер құрылысы жағынан реттелген кристалдық құрылымды монокристалл қатты дене болып келеді. Кристалл ондағы ақаулар мен дислокациялардың бар болуына байланысты идеал болмайды.

Кристалл торларындағы ақаулар нүктелік (Шоттки, Френкель ақаулары, қоспалар және т.б.), сызықтық (шекаралық ақаулар), беттік және көлемдік ақаулар болып бөлінеді.

Поликристалдарды ретсіз орналасқан дислокациялардың шекті жағдайы деп қарастыруға болады. Поликристалдардың электрофизикалық қасиеттері монокристалдарға қарағанда төмен болғандықтан ИС-лардың құрама тетіктерін поликристалдардан жасамайды.

ИС-ларды дайындағанда шалаөткізгіш пластинасында дислокация саны шектеулі болады. Кремнийден жасалған пластиналар үшін дислокация тығыздығының шекті мәні 1-10 .

Шалаөткізгіште қоспаның болуына байланысты өздік, яғни қоспасыз, ақауысыз және қоспалы шалаөткізгіш болып бөлінеді. Шалаөткізгіш бойындағы электр тоғы электрон (атомдардың толтырылмаған ковалентті байланысы) мен кемтік (валенттік аралықтағы толтырылмаған энергетикалық деңгейі) заряд тасушылары көмегімен тасымалданады.

Қатты дененің энергия спектрі кезектесіп келіп отыратын рұқсат етілген, рұқсат етілмеген энергия жолақтарынан тұрады.

Егер шалаөткізгіштерде оларды құрастырып тұрған төл атомдардан басқа, бөгде атомдар болмаса, валенттік энергия жолағы электрондармен толық толтырылған, өткізгіш энергия жолағын да электрондар болмайды. Мұндай шалаөткізгіштерде заряд таситын бөлшектер электрондардың валенттік энергия жолағынан өткіз гіш энергия жолағына көшуі нәтижесінде пайда болады.Бұл көшу нәтижесінде заряд таси алатын өткізгіш энергия жолағында еркін электрондар, ал валенттік энергия жолағында оң зарядталған кемтіктер пайда болады. Мұндай шалаөткізгіштерді өздік шалаөткізгіштер дейді.

Алайда, тек төл атомдары ғана бар, бөгде атомдары жоқ шалаөткізгіштерді кездестіру мүмкін емес.Шалаөткізгіштерде қос па атомдар міндетті түрде болады және олардың валенттігі он ың төл атомдарының валенттігінен өзгеше болуы мүмкін.Ал, қоспа атомдардың энергия деңгейлері рұқсат етілмеген энергия жолағында орналасады.

Егер шалаөткізгіштіктегі бөгде атомдардың валенттіліктері оның төл атомдарының валенттіліктерінен артық болса, бөгде атомдар өздерінің артық электрондарын ортаға беруге ыңғайлы тұрады. Мұндай бөгде атомдарды береген қоспалар дейді. Береген қоспалардың иондануы нәтижесінде өткізгіш энергия жолағында заряд таси алатын еркін электрондар пайда болады. Заряд тасушылары береген қоспалардың иондануы нәтижесінде пайда болатын шалаөткізгіштерді n - тектес шалаөткізгіштер дейді. Береген қоспалардың энергия деңгейлері рұқсат етілмеген энергия жолағында өткізгіш энергия жолағының түбіне таяу орналасады.

Өткізгіштік тектерін анықтайтын заряд тасушыларды негізгі заряд тасушылар деп атайды. n-тектес шалаөткізгіштерде негізгі заряд тасушылар- электрондар.

Егер шалаөткізгіштегі бөгде атомдардың валенттіліктері оның төл атомдарының валенттілігінен кем болса, онда олар ор тадан өздеріне электронды қосып алуға ыңғайлы тұрады. Бұндай бөгде атомдарды алаған қоспалар (акцепторные примеси) дейді. Береген қоспаларға валенттік энергия жолағынан электрондардың көшуі нәтижесінде валенттік энергия жолағында заряд таси алатын оң кемтіктер пайда болады. Заряд тасушылары алаған қоспалардың иондануы нәтижесінде пайда болатын шалаөткізгіш терді p – тектес шалаөткізгіштер дейді. Береген қоспалардың энергия деңгейлері рұқсат етілмеген энергия жолағында валенттік энергия жолағының төбесіне таяу орналасады.Заряд тасушылары алаған қоспалардың иондануы нәтижесінде пайда болатын шалаөткізгіштерді p – тектес шалаөткізгіштер дейді.

Қатты денедегі электрондар ең төменгі рұқсат етілген энергия жолағынан бастап жоғары қарай сандары жеткенше рұқсат етілген энерия жолақтарын біртіндеп толтырады.

Ең ақырғы электрондармен толық толтырылған рұқсат етілген энергия жолағын валенттік энергия жолағы дейді.

Ең бірінші электрондры жоқ, не электродармен толық тол тырылмаған рұқсат етілген энергия жолағын өткізгіш энергия жолағы дейді.

Қатты денеде және олардан жасалған құралдарда жүретін физикалық құбылыстарға не өткізгіш не валенттік энергия жолақтарында орналасқан электрондар ғана қатынасады. Сол себептен оларда жүретін физикалық құбылыстарды талдағанда, тек өткізгіш және валенттік энергия жолақтарының сызба бейнелерін (зонная диаграмма) пайдаланады. Валенттік және өткізгіш энергия жолақтарының арасында рұқсат етілмеген энергия жолағы орналасады.

Абсолют ноль температурада валенттік энергия жолағы электрондармен толық толтырылса, өткізгіш энеергия жолағының не төменгі деңгейі толтырылған немесе жалпы толтырылмаған болады. Бірінші жағдай металдар үшін, ал үшінші жағдай шалаөткізгіштерге қатысты болып табылады (5, а, б, в-сурет).

5-сурет. Металл, диэлектрик және шалаөткізгіштің жолақтық диаграммалары: а – металл (жолақтар бірін-бірі басып өтеді және аз ғана энергияның берілуі электрондардың қозғалысына әкеледі); б – диэлектрик (жолақтар арасындағы энергиялық саңылау өте үлкен, өткізгіштік болуы мүмкін емес); в - шалаөткізгіш (жолақтар арасындағы ара қашықтық аса үлкен емес, өткізгіш жолақта валенттік жолақтағы кемтіктер санына тең электрондар пайда болады, шекті өткізгіштік болуы мүмкін); І - өткізгіштік жолақ, ІІ – валенттік жолақ, ІІІ – рұқсат етілмеген жолақ

5,в-суретте өздік шалаөткізгіштің сызба бейнесі көрсетілген. 5

Алаған және береген энергия деңгейлерінің активация энергиясы валенттік энергия аралығындағы электрондардың активация энергиясынан төмен болады. Сол себептен температура жоғарылаған сайын қоспа атомдарының ионизациялануы нәтижесінде пайда болған еркін заряд тасушылардың шоғарлану дәрежесі электрон-кемтік жұптарының шоғырлану дәережесіне қарағанда жылдам көбейеді. Ал температураның шамасы толық ионизациялау температурасына дейін жеткенде еркін заряд тасушылардың шоғырлану дәрежесі тұрақтанады да, электрон-кемтік жұптарының шоғырлану дәрежесі жоғарылай береді. Бұл құбылыс еркін электрондар мен электрон-кемтік жұптарының шоғырлану дәрежелері өзара теңгерілгенше дейін, яғни қоспалы шалаөткізгіш өздік шалаөткізгішке айналғанша жүреді. Яғни, температураны әрі қарай өсіргенде электрондардың валенттік энергия жолағынан өткізгіш энергия жолағына көшуі нәтижесінде пайда болатын электрондардың саны өсіп температура мәнін қабылдағанда олардың шоғырлану дәрежесі өздік шалаөткізгіштегі электрондардың шоғырлану дәрежесіне -ге теңеседі.

Алаған және береген қоспалардың шоғырлану дәрежелері тең болғанда шалаөткізгіш компенсацияланған деп аталады.

Тепе-теңдік күйдегі өздік шалаөткізгіште электрон-кемтік жұптарының термогенерация мен рекомбинация жылдамдығы өзара тең болады.

Шалаөткізгіш физикасы мен техникасының негізгі шамаларының бірі – температуралық потенциал

,

мұнда - Больцман тұрақтысы, T – температура, q –электрон заряды.

Энергетикалық сызба бейнедегі кез келген энергия шамасына сәйкес энергетикалық потенциалмен сипаттауға болады (мысалға, өткізу аралығының төменгі шекарасы - , валенттік аралықтың төбесі - , рұқсат етілмеген аралықтың ені - ).

Рұқсат етілмеген арлықтың ені электрон-кемтік жұптарына қажет энергия шамасын анықтап, температурадан тәуелді болады.

Рұқсат етілмеген аралық енінің дәл жартысына тең болатын энергия шалаөткізгіштің электростатикалық потенциалымен сипатталады:

.

Сырттан әсер ететін электр және магнит өрістері жоқ, электрондық газ тоғыспаған болса, газ молекулаларының энергия деңгейлері бойынша таралып орналасуы Максвелл-Больцман таралу функциясымен, ал егер тоғысқан болса, Ферми-Дирак таралу функциясымен анықталады.

энергия деңгейінің өткізу аралығында электрондармен толтырылу ықтималдылығы мен валенттік аралықта электрондармен толтырылу ықтималдылығы Максвелл-Больцман таралу функциясымен анықталады:

және .

Бұл теңдеулерді ескере отырып еркін электрондардың өткізу аралығында және кемтіктердің валенттік аралығындағы шоғырлану дәережесі

және

мұнда - өткізу аралығындағы энергия деңгейлерінің эффективті тығызыдығы; - валенттік аралығындағы энергия деңгейлерінің эффективті тығызыдығы.

Температура тұрақты болғанда электрон мен кемтіктердің шоғырлану дәрежелерінің көбейтіндісі тұрақты шама болады:

,

берілген теңдеуді өздік шоғырлану дәрежесіне тәуелділігі

.

Сонымен, заряд тасушылардың өздік шоғырлану дәрежесі рұқсат етілмеген аралықтың ені мен температураға тәуелді болады.

Ферми энергия деңгейінің шамасы заряд тасушылардың шоғырлану дәрежесіне тәуелді болып, электр және химиялық потенциалдардың қосындысы болып табылады.

Шалаөткізгіштің негізгі сипаттамаларының бірі заряд тасушылардың қозғалғыштығы (бірлік кернеулік өрісіндегі заряд тасушылардың бағытталған қозғалысының жылдамдығы) болып табылады. Қозғалғыштықтың шамасы артқан сайын шалаөткізгіш құрылғысының жұмыс істеу жылдамдығы артады.

Қозғалғыштықтың шамасы температураға, өріс кернеулігіне және қоспаның шоғырлану дәрежесіне тәуелді.

Рекомбинацияның тура және қоспа орталықтарында жүретін түрлерін ажыратады.

Заряд тасушылардың шалаөткізгіш бетінде электр өрісінің әсерінен шоғырлану дәрежесінің өзгеруі құбылысын электр өрісінің эффектісі деп атайды. Негізгі заряд тасушыларынң шоғырлану дәрежесі жоғары қабатты қаныққан, ал шоғырлану дәрежесі төмен қабатты тапшыланған деп атайды.

Қозғалмалы заряд тасушылардың қаныққан қабаттағы орналасуы Дебай аралығымен сипатталады, ал қозғалмайтын иондық зарядтардың орналасуы тапшыланған қабаттың енін анықтайды.

Қоспалы шалаөткізгіштер кристалындағы барлық қоспа атомдары ионизацияланған. Донор атомдары оң зарядталған да, акцептор атомдары теріс зарядталады. N–жартылай өткізгіштерде негізгі заряд тасымалдаушылар электрондар да, р–жартылай өткізгіштерде кемтіктер.

Шалаөткізгіштерде негізгі емес заряд тасымалдаушылар да бар. Тепе-теңдік жағдайында сыртқы кернеу әсер етпегенде – бір мезетте төрт түрлі тоқ өтеді:

- j_{п ығу} – р дан n аймағына қарай қозғалысқа негізделген кемтіктер тоғының диффузиялық қосымшасы;

- j_{п диф} – электрондардың n-аймағынан, р-аймағына қозғалысына негізделген электрон тоғы тығыздығының диффузиялық қосымшасы.

- j_{р ығу} n - нан р аймағына өтетін кемтіктер тоғының ағу қосымшасы;

- j_{р диф} р дан n аймағына өтетін электрондар тоғының ағу қосымшасы.

Р-n ауысуға сыртқы кернеу әсер еткенде тепе-теңдік сақталмайды да диффузиялық және ағу тоқтарының қатынасы өзгереді. Ауысу бойымен нәтижесінде тоқ жүре бастайды.

Толық тоқтың шамасы төрт қосылғыштан тұрады:

,

мұнда «ығу» мен «диф» индекстері тоқтың ығу мен диффузиялық құраушылары.

Тоқтың шамасын бағалау үшін потенциалы мен , шоғырлану дәрежелерінің үлестірілуі белгілі болу керек.