Лекции для студентов

Физика полупроводников. Лекция 1

Введение

Исторические этапы развития физики полупроводников.

Физика полупроводников является основой твердотельной и микроэлектроники, является базовой дисциплиной для большинства других специальностей электронно-технического профиля. Она изучает процессы явления и эффекты, протекающие в полупроводниках и определяющие принципы работы полупроводниковых приборов. Физики полупроводников будет содержать научные знания, которые необходимы для понимания других специальных курсов.

Эпоха насчитывает более 100 лет. Еще в первой половине 19 века Фарадей обнаружил, что электропроводность некоторых тел растет по экспоненциальному закону с ростом температуры. Электропроводность большинства проводников уменьшается с ростом температуры по линейному закону. Спустя несколько лет Беккерель обнаружил что электропроводность “плохих” проводников, которых изучал Фарадей, увеличивается при их освещении, в них появляется ЭДС. В 1906 Браун обнаружил явление выпрямления переменного электрического тока на контакте свинца и феррита (FeS₂). Эти плохие проводники, имеющие к тому времени загадочные свойства назвали полупроводниками. В 1879 г. Холл открыл явление электрического поля в проводнике с током помещенным в поперечное магнитное поле (эффект Холла).

Исследование полупроводников активизировались в начале 20 века после создания квантовой механики. Квантовая механика позволила создать зонную теорию твердых тел. Квантовая теория объясняет поведение электронов в твердых телах. Согласно этой теории электроны в кристаллах не могут иметь любую энергию. Разрешенные значения энергии образуют определенные интервалы, которые получили названия разрешенных зон. Разрешенные зоны отделены промежутками запрещенных значений энергии.

Зонная теория твердых тел указала строгий критерий их разделения на металлы, диэлектрики и полупроводники. Если самая верхняя зона, содержащая электроны при Т = 0⁰ K заполнена не полностью, а частично то такое твердое тело обладает высокими проводящими свойствами. Если самая верхняя зон содержащая электроны при Т = 0⁰ K полностью заполнена, а следующая за ней зона полностью пуста и разделена небольшим промежутком запрещенных энергий ΔЕg, то такое твердое тело относят к полупроводникам, а если ΔЕg велико, то это диэлектрик. (ΔЕg ≥ 2 эВ). Сама верхняя зона называется валентной (V — зона), а следующая за ней пустая зона называется зоной проводимости (С — зона).

При возбуждении полупроводника электроны из V — зоны могут переходить в С — зону и в ней они будут участвовать в переносе электрического тока. В этом случае в V — зоне остается свободное место (дырки). Эта вакансия будет также участвовать в переносе электрического тока, она будет положительной. Выяснилось, что можно создать полупроводники, у которых носителями заряда будут являться только электроны, такие полупроводники называются электронного типа или n — типа. Также можно создать полупроводники, у которых основными носителями будут являться дырки p — тип.

Зонная теория твердых тел позволила раскрыть к концу 30-х годов 20 века природу явлений на контакте полупроводника n и p типа, т.е. физическую теорию выпрямления. В связи с этим были созданы p-n переходы — важнейшие приборы твердотельной электроники. В 1948 г. были созданы транзисторы n-p-n и p-n-p переходов. Сегодня полупроводники определяют прогресс в целом ряде отраслей народного хозяйства развитых стран.

Началом широкого производства полупроводниковых приборов можно считать середину 50-х годов. На этом этапе создавались новые виды дискретных p-n переходов и транзисторов. Однако к концу 50-х годов наряду с дискретной твердо тельной электроникой начала развиваться интегральная электроника. Это стало возможным благодаря разработке планарной технологии, она представляет собой высокопроизводительный метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Основой планарной технологии является нанесение тонкой диэлектрической пленки на поверхность полупроводникового кристалла или полупроводниковой пленки. Затем производится удаление этой пленки с отдельных участков полупроводника методом фотолитографии. Рисунок, отражающий схему расположения элементов на кристалле проецируется на него световым или электронными лучами. После этого через незащищенные диэлектрической пленкой участки полупроводника вводится специальная примесь (лигатура) переводит в n или p тип. В результате этих операций образуется области с p-n переходами.

На протяжении достаточно длительного времени наблюдается тенденция экспоненциального увеличения степени интеграции твердотельных микросхем. Возможны 3 пути ее роста: 1) Связан с уменьшением топологического размера и соответственно повышением плотности упаковки и элементов на кристалле. 2) Увеличение площади кристалла. Однако получение бездефектных кристаллов большой площади сложная технологическая задача. Наличие дефектов в кристалле снижает процент выхода интегральных схем. 3) Оптимизация компоновки элементов на кристалле. Расчеты показывают, что на монолитном кристалле кремния может быть достигнута степень интеграции 10⁷ элементов на кристалле.

Использование в технологии полупроводниковых приборов лучевых методов, ионно-лучевых, рентгеновских позволяет получать приборы до 10-25 нм (нано электроника).