Полупроводник называется

В полупроводниковой технике широко используются свойства контактов между твердыми телами, обладающими разными значениями работы выхода. В полупроводниковой технике и микроэлектронике находят праменение различные сочетания контактов: металл — металл, металл — полупроводник, металл — диэлектрик, полупроводник — полупроводник, полупроводник — диэлектрик.

При температуре Т > О К поверхность твердого тела испускает (эмиттирует) электроны. Эмиссия может происходить в вакуум или другую среду, например плазму, полупроводник, диэлектрик, однако в последних трех случаях процессы токопрохождения существенно усложняются. Процесс термоэлектронной эмиссии аналоги-с ^ чен испарению частиц с поверхности жидко-

4.8. Модели зеркального (а) и диффузного (б) рассеяния электронов в тонких пленках; скачкообразное перемещение электронов в магнитном поле при зеркальном отражении их от поверхности (в); график зависимости а(Н) (г); пленочная структура полупроводник — диэлектрик — полупроводник (д); иллюстрация квантовых размерных эффектов в случае: расположения дискретных энергетических уровней в зонах проводимости полупроводниковых пленок при eU = 0 (e), eU <. %2 — %^ (ж),

Одним из проявлений квантовых размерных эффектов является резонансное туннелирование электронов сквозь тонкую диэлектрическую пленку в системе полупроводник — диэлектрик — полупроводник ( 4.8, д).

Для МДП-структур более точные вычисления емкости слоя объемного заряда с учетом влияния основных носителей заряда приводят к результатам, которые справедливы вплоть до границы раздела полупроводник — диэлектрик и включают случай плоских зон.

Многие электрофизические свойства твердых тел определяются взаимным расположением зоны проводимости и валентной зоны. В частности, именно от этого фактора зависит значение электрического сопротивления вещества и, соответственно, его тип (проводник, полупроводник, диэлектрик).

Если валентная зона и зона проводимости отделены запрещенной зоной AW0 (а таковы зонные структуры многих твердых тел), то эти твердые тела относят к диэлектрикам и полупроводникам.

Разница между диэлектриками и полупроводниками, с точки зрения зонной теории, заключается в ширине запрещенной зоны: условно принято считать, что если ширина запрещенной зоны AW0 = 0,05 -н 3 эВ, то материал является полупроводником ( 1.3,б), а если значение AWo > 3 эВ, материал относится к диэлектрикам ( 1.3,в).

достигает 10'4—10асм 2, т.е. составляет величину порядка концентрации поверхностных атомов или ионов кристалла. При таком поверхностном состоянии полупроводниковой подложки формирование МДП-структур оказалось бы принципиально невозможным. Это нетрудно показать, если учесть, что максимальная плотность состояний, индуцируемая на поверхности полупроводника и определяемая напряженностью пробоя диэлектрика (106—107В/см), не превышает 10" — 102см~2. Следовательно, влияние индуцируемого заряда на модуляцию проводимости слоя полупроводника является пренебрежимо малым. Однако рассмотренный случай может иметь место лишь в условиях, близких к идеальным. В обычных условиях поверхность полупроводника покрыта толстым слоем оксидных соединений, а также слоями адсорбированных атомов и молекул. В результате искусственного окисления поверхности полупроводника или каких-либо других химических реакций можно получить диэлектрические слои с контролируемыми электрофизическими свойствами. Существенным является то, что поверхность, покрытая таким диэлектрическим слоем, имеет значительно меньшую плотность состояний, чем атомарно чистая поверхность. Этому можно дать сравнительно простое качественное объяснение, если учесть, что поверхностные состояния обусловлены обрывом валентных связей в кристаллической решетке, вследствие чего поверхностные атомы или ионы кристалла находятся в иных условиях по сравнению с атомами или ионами, расположенными в его глубине. При окислении или других поверхностных реакциях поверхностные атомы или ионы кристалла образуют химические связи с чужеродными атомами, например с атомами кислорода или азота. Вследствие этого для поверхностных атомов полупроводника и атомов, находящихся в глубине кристалла, различия становятся менее значительными. Этому способствует влияние ориентирующего поля полупроводникового кристалла, благодаря которому первые слои наращиваемого диэлектрика повторяют структуру полупроводника. В результате плотность поверхностных состояний на границе раздела полупроводник — диэлектрик уменьшается по сравнению с открытой поверхностью полупроводника.

В режиме обеднения ( 3.6, б) энергетические зоны вблизи границы раздела полупроводник — диэлектрик изгибаются вверх. Следовательно, концентрация электронов у поверхности полупроводника ниже, чем в объеме, и приповерхностный положительный связанный заряд QB будет обусловлен нескомпенсированными ионами донорной примеси. В предположении, что обедненная область полностью лишена подвижных носителей заряда и отделена от объема полупроводника резкой границей, распределение плотности заряда имеет прямоугольную форму, как показано на 3.6, б. Для одномерной модели напряженность электрического поля является линейной функцией, а электростатический потенциал и энергия электронов — параболическими функциями расстояния от границы раздела диэлектрик — полупроводник. Заряд Q«, возникающий в обедненной области протяженностью хп,

Приборы с зарядовой связью (ПЗС), как отмечалось в гл. 3, являются весьма перспективными для современной микроэлектроники. По своей физической сущности они относятся к функ циональной микроэлектронике. Информация в ПЗС представляется в виде зарядовых пакетов неосновных носителей, которые могут кратковременно храниться в потенциальных ямах и передвигаться по информационному каналу вдоль границы раздела полупроводник ••— диэлектрик, при подаче на электроды ПЗС определенной последовательности тактирующих импульсов.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником л-типа, а соответствующая примесь — донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный" электрон - знаком минус.

Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется "дырка". Для образования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захватил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т. д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь —акцепторной. На 10.2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником и-типа, а соответствующая примесь - донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный' электрон - знаком минус.

Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется "дырка". Для образования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захватил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т. д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь -акцепторной. На 10.2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником и-типа, а соответствующая примесь — донорной. На 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника и-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный электрон — знаком минус.

Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется "дырка". Для образования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захватил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т. д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь —акцепторной. На 10.2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.

Беспримесный, химически чистый полупроводник называется собственным. При температуре Т = О К в собственном полупроводнике нет свободных носителей заряда, его электрическая проводимость а = 0.

Если это условие выполняется, полупроводник называется невырожденным, если, наоборот, не выполняется — вырожденным

Беспримесный, химически чистый полупроводник называется собственным. При температуре Т=0 К в собственном полупроводнике нет свободных носителей заряда, его электрическая проводимость а=0.

Если это условие выполняется, полупроводник называется невырожденным, если, наоборот, не выполняется — вырожденным.

Близость локальных уровней к зоне проводимости приводит к тому, что уже при небольшом нагреве атомы примеси ионизируются, отдают дополнительный электрон, при этом число свободных электронов увеличивается. Образование свободных электронов при ионизации донорной примеси сопровождается появлением в узлах кристаллической решетки неподвижных положительных зарядов — ионов примеси. Обмен электронами между атомами примеси невозможен, так как атомы примеси удалены друг от друга и при комнатной температуре все ионизированы. Таким образом, ионизация атомов примеси не приводит к увеличению концентрации дырок, которые образуются только при разрыве связей между атомами полупроводника. Поэтому при введении донорной примеси концентрация свободных электронов оказывается значительно больше концентрации дырок и электропроводность определяется в основном электронами. В этом случае электроны называют основными носителями (их концентрация обозначается пп), дырки— неосновными (концентрация рп), а такой полупроводник называется полупроводником п-типа. Несмотря на преобладание в примесном полупроводнике подвижных носителей одного знака, полупроводник в целом электрически нейтрален, так как избыточный заряд подвижных носителей компенсируется зарядом неподвижных ионов примесей. Для полупроводника n-типа справедливо следующее равенство концентрации отрицательных и положительных зарядов: