Краткий конспект: Кремний как простой полупроводник

Хорошо, вот краткий, но понятный конспект по теме "Простые полупроводники" и "Сложные полупроводники", основанный на предоставленных изображениях. *** Глава 17. Простые полупроводники § 17.1. Кремний Кремний (Si) — основной материал современного полупроводникового производства. Он является элементом IV группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Основные свойства кремния: * Кристаллическая решетка: кубическая, типа алмаза. * Постоянная решетки: \(a = 0,542\) нм. * Число атомов в единице объема: \(5 \cdot 10^{28}\) м\(^{-3}\). * На внешней валентной оболочке атома: 4 электрона. * Ширина запрещенной зоны (\(\Delta W\)) при 20°C: \(1,12\) эВ. * Плотность: \(2320\) кг/м\(^3\). * Температура плавления: \(1414^\circ\)C. * Химическая инертность при низких температурах. * Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот, а также в щелочах. * При температурах выше \(200^\circ\)C соединяется с галогенами, образуя галогениды (\(\text{SiCl}_4\), \(\text{SiJ}_4\)). * При температурах выше \(900^\circ\)C окисляется до \(\text{SiO}_2\). * При температурах \(1100-1300^\circ\)C взаимодействует с азотом и углеродом, образуя \(\text{Si}_3\text{N}_4\) и \(\text{SiC}\). * При температурах более \(2000^\circ\)C взаимодействует с водородом, образуя силаны (\(\text{Si}_n\text{H}_{2n+2}\)). Основные соединения кремния: * Тетрахлорид кремния (\(\text{SiCl}_4\)): прозрачная бесцветная жидкость, дымящаяся на воздухе. Используется для получения поликристаллического кремния. * Моносилан кремния (\(\text{SiH}_4\)): бесцветный газ. * Трихлорсилан кремния (\(\text{SiHCl}_3\)): прозрачная бесцветная жидкость. * Двуокись кремния (\(\text{SiO}_2\)): важнейшее соединение кремния. Высокая температура плавления (\(1723^\circ\)C) и низкая химическая активность. Растворяется только в плавиковой кислоте и щелочах. Широко применяется в полупроводниковом производстве в виде тонких пленок. * Моноокись кремния (\(\text{SiO}\)): в природе не встречается. Получают восстановлением \(\text{SiO}_2\) при \(1350-1500^\circ\)C. Используется как защитное покрытие и диэлектрическая пленка. * Нитрид кремния (\(\text{Si}_3\text{N}_4\)): устойчивое соединение. Обладает высокими электрофизическими свойствами (\(\rho = 10^{11}-10^{12}\) Ом\(\cdot\)м) и исключительной химической стойкостью. Используется в микроэлектронике в качестве защитных пленок. Получение и очистка кремния: * Кремний — второй по распространенности элемент в земной коре (более 25%). В чистом виде не встречается, входит в состав оксидов. * Основные способы получения: восстановление тетрахлорида кремния водородом и термическое разложение моносилана. * Промышленность выпускает поликристаллический кремний марок КП-1—КП-7. * Очистка кремния: метод зонной плавки. Основан на том, что большинство примесей лучше растворяется в жидкой фазе, чем в твердой. При медленном остывании примеси остаются в расплаве. * Для получения монокристаллического кремния используют метод бестигельной зонной плавки и метод Чохральского (вытягивание из расплава). * Метод Чохральского: очищенный поликристаллический кремний расплавляют в тигле из кварца. В расплав вводят монокристаллическую затравку, которую медленно поднимают и поворачивают. Столбик расплава остывает и кристаллизуется. Легирование и легирующие элементы: * Легирование — введение строго контролируемого количества примесей для придания кремнию примесной электропроводности. * Примеси делятся на: * Нейтральные: не меняют тип электропроводности (водород, инертные газы, элементы IV группы: германий, олово, свинец). * Акцепторные: элементы III группы (бор, алюминий, галлий, индий, таллий). * Донорные: элементы V группы (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут). * Глубокие энергетические уровни: элементы I, II, VI, VII групп (золото, цинк). Золото создает центры рекомбинации, уменьшая эффективное время жизни носителей заряда. * Легирование может происходить одновременно с выращиванием монокристаллов и эпитаксиальных пленок. * Для легирования кремния n-типа используют треххлористый фосфор, мышьяк или пятихлористый сурьму. * Для легирования кремния p-типа применяют трехокись бора. * Для создания тонких высоколегированных слоев используют метод ионного легирования. Диффузия: * Диффузия — направленное перемещение примесей вследствие их различной концентрации. * Происходит за счет наличия дефектов в кристаллической структуре. * Описывается двумя законами Фика. * Первый закон Фика: количество продиффундировавшего вещества и разность его концентраций связаны с коэффициентом диффузии \(D\). * Второй закон Фика: устанавливает временную зависимость распределения концентрации примеси по объему вещества. * Энергия активации примесей (\(\Delta W_{\text{акт}}\)) характеризует прочность связи атомов примеси с кристаллической решеткой. Для большинства донорных и акцепторных примесей в кремнии \(\Delta W_{\text{акт}} = 3,45-3,9\) эВ. * Диффузанты: * Твердые, стеклообразные, жидкие и газообразные. * Твердые: элементарные диффузанты, их химические соединения и сплавы (алюминий, золото, индий, серебро). * Тугоплавкие: трудно равномерно нанести на поверхность кремниевой пластины (например, бор, фосфор, сурьма). * Жидкие: растворы, суспензии, содержащие атомы диффундирующих акцепторных или донорных примесей. * Газообразные: соединения легирующих элементов с газами-носителями (водород, аргон, азот). Материалы для сплавления и напыления: * Метод сплавления: зернышко примеси накладывают на кремниевую пластину и нагревают. Поверхностный слой кремния расплавляется и растворяет примесь. При охлаждении происходит рекристаллизация кремния и образуется твердый раствор. * Электродные сплавы: основа и добавки легирующего элемента. Должны хорошо смачивать поверхность кремния, быть химически и коррозионно-стойкими, пластичными, а их коэффициент линейного расширения должен быть согласован с ТКЛ кремния. Процесс изготовления кремниевых микросхем (планарно-эпитаксиальная технология): 1. Используют кремниевые пластины p-типа с удельным сопротивлением \(1-10\) Ом\(\cdot\)см. 2. На них осаждают эпитаксиальный слой n-типа толщиной \(8-12\) мкм и \(\rho = 0,1-1,0\) Ом\(\cdot\)см. 3. На поверхности эпитаксиального слоя выращивают пленку \(\text{SiO}_2\). 4. Методом фотолитографии вытравливают окна в пленке \(\text{SiO}_2\). 5. Через эти окна проводят разделительную диффузию бора на всю толщину эпитаксиального слоя. В результате получают коллекторные области n-типа, разделенные двумя p-n-переходами. 6. Для создания базовых областей транзисторов и диодов проводят локальную диффузию бора на глубину \(2,5-3,5\) мкм. 7. Для получения областей n\(^+\)-типа (эмиттеры транзисторов, катоды диодов) проводят локальную диффузию фосфора на глубину \(0,8-2\) мкм. 8. Внутрисхемные соединения между элементами микросхемы формируют в слое \(\text{SiO}_2\). 9. Напыление сплошной пленки алюминия. 10. Травление пленки алюминия для разделения отдельных проводников. 11. Контроль после каждой операции: фотолитография, очистка, травление, диффузия. Материалы для обработки поверхности кремния: * Механические методы: шлифовка и полировка. Используют абразивные материалы (оксид алюминия, карбиды кремния и бора, синтетические алмазы). * Химические методы: промывка и травление. * Промывка: для очистки поверхности от загрязнений (кислоты, растворители, вода). * Травление: процесс растворения материала за счет окисления или гидратации. Служит для удаления нарушенных слоев и оксидных пленок. Фотолитография: * Используется для создания защитных пленок и для травления пленок различных металлов. * Основной материал — фоторезист. Должен обладать высокой чувствительностью к ультрафиолетовому излучению, высокой разрешающей способностью, устойчивостью к действию травителей, высокой степенью адгезии. * Позитивные фоторезисты: под действием света становятся растворимыми в травителях. * Негативные фоторезисты: под действием света становятся нерастворимыми. Диффузия: * Процесс диффузии — направленное перемещение примесей вследствие их различной концентрации. * Описывается двумя законами Фика. * Коэффициент диффузии \(D\) экспоненциально уменьшается с уменьшением температуры. * Энергия активации примесей \(\Delta W_{\text{акт}}\) характеризует прочность связи атомов примеси с кристаллической решеткой. * Диффузанты: твердые, стеклообразные, жидкие и газообразные. * Методы диффузии: в запаянной ампуле, в открытой трубе с помощью газа-носителя, нанесенных на поверхность полупроводника слоев диффузанта, из рекристаллизованных слоев. § 17.2. Германий Германий (Ge) — элемент IV группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. * Кристаллическая решетка: кубическая, типа алмаза. * Постоянная решетки: \(a = 0,566\) нм. * Число атомов в единице объема: \(4,45 \cdot 10^{28}\) м\(^{-3}\). * Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре: \(\Delta W = 0,75\) эВ. * Рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия ниже, чем на основе кремния, и не превышает \(80^\circ\)C. * Концентрация собственных носителей заряда: \(2,5 \cdot 10^{19}\) м\(^{-3}\). * Удельное сопротивление: \(0,68\) Ом\(\cdot\)м. * Подвижность носителей заряда: для электронов \(0,39\) м\(^2\)/(\(\text{В}\cdot\text{с}\)), для дырок \(0,19\) м\(^2\)/(\(\text{В}\cdot\text{с}\)). * При низких температурах (\(T < 5,4\) К) и высоких давлениях (\(p > 11\) ГПа) германий переходит в сверхпроводящее состояние. * Для видимого света германий не прозрачен, для инфракрасных лучей относительно прозрачен при длине волны более \(1,8\) мкм. * Кристаллический германий: твердый и хрупкий материал с металлическим блеском. * Плотность: \(5360\) кг/м\(^3\). * Температура плавления: \(937^\circ\)C. * На воздухе кристаллический германий устойчив до температуры \(600^\circ\)C, выше которой он окисляется до \(\text{GeO}_2\). * Хорошо растворяется в смеси соляной и азотной кислот, перекиси водорода, в кипящих щелочах. * В расплавленном состоянии практически не взаимодействует с углеродом и кварцем. * С галогенами и серой германий бурно реагирует при высокой температуре. * Может образовывать двухвалентные соединения, например \(\text{GeO}\), но они не устойчивы. * Наибольший интерес представляют \(\text{GeO}_2\) и \(\text{GeCl}_4\). Двуокись германия (\(\text{GeO}_2\)): порошок белого цвета. * Соединение слабо устойчивое, растворяется даже в воде. * Используется как промежуточный продукт при получении германия. Получение и очистка германия: * Германий относится к рассеянным в природе элементам. * Основное сырье: продукты сгорания бурого угля. * Очистка: хлорирование и солянокислотная обработка германиевых продуктов, затем гидролиз \(\text{GeCl}_4\) до \(\text{GeO}_2\), которую восстанавливают в среде водорода при \(650-700^\circ\)C до элементарного поликристаллического германия. * Порошковый германий можно получить разложением \(\text{GeCl}_4\) при высокой температуре в атмосфере паров цинка. * Для получения германия с проводимостью, близкой к собственной, необходимо снизить содержание примесей до \(1 \cdot 10^{19}\) м\(^{-3}\). * Используют метод зонной плавки. * Промышленность выпускает поликристаллический германий марок ГПЗ-1—ГПЗ-3. * Для получения монокристаллического германия используют метод зонной плавки и вытягивание из расплава. * Для получения эпитаксиальных пленок германия широко используют восстановление тетрахлорида германия водородом. Легирующие примеси в германии: * Нейтральные: инертные газы, азот, элементы IV группы (кремний, свинец, олово). * Акцепторные: элементы III группы (галлий, индий, алюминий). * Донорные: элементы V группы (мышьяк, сурьма, висмут, фосфор), а также литий (элемент I группы). * Энергетические уровни в запрещенной зоне германия образуют многие элементы I, II, VI, VII и VIII групп Периодической системы Д. И. Менделеева. * Растворимость этих элементов в германии, как правило, значительно меньше растворимости доноров и акцепторов. * Промышленность выпускает много различных марок германия с электронным и дырочным типом электропроводности. Материалы для обработки германия: * Механическая обработка: те же материалы, что и для кремния. * Травление поверхности: химическое и электрохимическое. * Для электрохимического травления используют водные растворы \(\text{KOH}\) и \(\text{NaOH}\). * Для химического травления используют кислотные, щелочные и пергидролевые травители. Сплавы германия с кремнием (\(\text{Ge-Si}\)): * Позволяют сочетать лучшие свойства обоих полупроводниковых материалов. * Кристаллическая решетка у германия и кремния одинакова, а значения постоянной решетки очень близки (\(0,565\) и \(0,543\) нм). * Это обусловливает способность германия и кремния образовывать твердые растворы в любых пропорциях. * При увеличении содержания кремния ширина запрещенной зоны сплава \(\text{Ge-Si}\) увеличивается. * Используют для датчиков Холла при различных температурах. § 17.3. Простые полупроводники