Фізичні процеси в мікроелектронних структурах метал-напівпровідник

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет електроніки та інформаційних технологій

 

 

Кафедра прикладної фізики

 

 

 

 

 

Комплексна курсова робота

 

Фізичні процеси в мікроелектронних структурах метал-напівпровідник

 

 

 

 

 

 

Студент гр. ЕП – 81        Ю. С. Єрьоменко

 

Науковий керівник,

асистент          О. П. Ткач

 

 

 

 

Суми 2012

РЕФЕРАТ

Об’єктом дослідження  курсової роботи є фізичні явища та процеси в напівпровідниках, і утворюваних з ними структурах типу метал-напівпровідник.

Метою роботи є дослідження властивостей твердотільних компонент бар’єрної структури метал-напівпровідник різної фізико-хімічної природи та їх впливу на характеристики структури в цілому.

Структури з бар’єром Шотткі в контакті метал-напівпровідник (МН) знаходять широке застосування як у  мікроелектроніці, так і в оптоелектроніці. Оскільки важливою складовою частиною поверхнево-бар’єрних структур на основі контакту МН є тонка металева плівка, то інформація про її стан, оптичні  параметри та їх зміну з часом, має суттєве значення для прогнозування  роботи електронних приладів і контролю їх деградації.

У результаті проведених досліджень встановлено, що на межі поділу між напівпровідником та металом виникають потенціальні бар’єри, що є наслідком перерозподілу концентрацій рухомих носіїв заряду між контактуючими матеріалами,а електричні властивості граничного шару залежать як від величини, так і від напрямку зовнішньої напруги, яка прикладається.

Робота викладена на 38 сторінках, у тому числі включає 17 рисунків, 1 таблицю та список цитованої літератури із 22 джерел.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ, СТРУКТУРА МЕТАЛ-НАПІВПРОВІДНИК, БАР’ЄР ШОТТКІ,ДІОД ШОТТКІ,ТРАНЗИСТОР ШОТТКІ, ФІЗИЧНІ ЯВИЩА.

 

ЗМІСТ

Вступ 4

Розділ 1 Класифікація і характеристика напівпровідникових матеріалів 5

1.1. Поняття напівпровідник 5

1.2. Структура напівпровідників 7

1.3. Класифікація напівпровідників 11

1.4. Власна електронна та діркова електропровідність. Рухливість носіїв заряду…………………………………………………………………………………..14

Розділ 2 Типи контактних структур і фізичні процеси в них 18

2.1 Контактні явища у  мікроелектронних структурах……………………………...18

2.2 Контакт метал-напівпровідник 20

2.3 Ефект Шотткі…………………………………………………………………………………28

Розділ 3 Прилади, побудовані на основі контакту метал-напівпровідник………..…31

3.1 Транзистори Шотткі………………………………………………………………31

3.2 Діод Шотткі………………………………………………………………………..34

Висновки 36

Список використаних джерел 37

 

 

 

 

ВСТУП

 

Перші відкриття фізичних ефектів  напівпровідникових структур, на яких ґрунтується дія багатьох напівпровідникових приладів пов’язані з діяльністю видатного українського фізика Вадима Євгеновича Лашкарьова (1903 - 1974). Він по праву мав би одержати Нобелiвську премiю з фiзики за вiдкриття транзисторного ефекту, якої в 1956 р. були удостоєнi американськi вченi Джон Бардин, Вiльям Шоклi, Уолтер Браттейн.

Ще в 1941 р. В.Є. Лашкарьов надрукував статтю "Дослiдження запiрних шарiв методом термозонда" i у спiвавторствi з К.М. Косоноговою - статтю "Вплив домiшок на вентильний фотоефект у закису мiдi". Вiн встановив, що сторони "запiрного шару", розташованi паралельно границi подiлу мiдь - закис мiдi, мали протилежнi знаки носiїв струму. Це явище одержало назву p-n переходу (p - вiд positive, n - вiд negative). В.Є. Лашкарьов розкрив також механiзм iнжекцiї - найважливiшого явища, на основi якого дiють напiвпровiдниковi дiоди i транзистори. [1].

У напівпровідникових приладах використовуються явища, що виникають  на границі розділу як між напівпровідниками, так і між цими напівпровідниками  й діелектриками, а також металами.

Метою роботи стало дослідження властивостей твердотільних компонент бар’єрної структури метал-напівпровідник різної фізико-хімічної природи та їх впливу на характеристики структури в цілому.

У першому розділі представлена класифікація і характеристика напівпровідникових матеріалів, основні типи напівпровідників та їх властивості.  У другому розглянуто типи контактних структур і фізичні процеси в них. Третій розділ містить в собі інформацію про прилади на основі мікроелектронних структурах метал-напівпровідник. 

РОЗДІЛ 1

Класифікація  і характеристика напівпровідникових матеріалів 

Всі речовини в природі  по електрофізичних властивостях можуть бути розділені на три великі класи: метали, напівпровідники і діелектрики. Найпростіше, здавалося б, класифікувати  речовини по питомому електричному опору. У металів він знаходиться  в межах 10^-6 - 10^-4 Ом•см (наприклад, питомий опір срібла при кімнатній температурі складає 1,58•10^-6 Ом•см, сплав ніхром має питомий опір 1,05•10^-4 Ом•см). Речовини з питомим опором від 10^-4 до 10¹⁰ Ом•см були віднесені до напівпровідників (наприклад, питомий опір сірчистого кадмію при кімнатній температурі залежно від технології його виготовлення лежить в межах від 10^-3 до 10¹² Ом•см, а германію - від 10^-4 до 47 Ом•см). Нарешті, речовини з питомим опором більше 10¹⁰ Ом•см вважаються діелектриками (наприклад, при 200 °С питомий опір слюди залежно від її складу має 10¹³ - 10¹⁶Ом•см, скла - 10⁸ - 10¹⁵ Ом•см).

 

1.1. Поняття напівпровідник 

 

Напівпровідники - це речовини,що займають проміжне значення провідності між провідниками та діелектриками, залежну в значній мірі від структури речовини, вигляду і кількості домішок і від зовнішніх умов: температури, тиску, освітлення, опромінювання ядерними частинками, електричного і магнітного полів. При кімнатній температурі мають питому провідність в інтервалі від 10^-10 до 10⁴ См    (Ом^-1·см ^-1).

Характерна особливість  напівпровідників - зростання електропровідності  при зростанні температури, причому в широкому інтервалі температур це зростання відбувається експоненціально:

 

,     (1.1)

де - провідність при температурі Т→∞;- енергія активації електропровідності; k – постійна Больцмана. Формула (1.1) означає, що електрони в напівпровідниках зв’язані з атомами енергією зв’язку порядку E_A. З підвищенням температури тепловий рух починає розривати зв’язки електронів, і їх частина стає вільними носіями заряду. На (рис. 1.1) показана залежність провідності власного напівпровідника від температури. Знаючи α, можна визначити величину EA - енергію активації електропровідності. Для домішкових напівпровідників температурна залежність електропровідності має більш складний вигляд. Зв’язок електронів може бути розірваним не лише тепловим рухом, а й зовнішніми факторами: світлом, радіоактивним випромінюванням, потоком швидких частинок, сильним електричним полем та іншим.[2]

Тож у першому наближенні напівпровідники виділяють з  інших речовин за значенням питомого електричного опору. Така суто кількісна  класифікація досить умовна, особливо стосовно до напівпровідників і діелектриків, між якими по суті немає принципових  відмінностей. Що стосується напівпровідників і металів, то головна відмінність  між ними полягає в тому, що в  металів питомий опір із зростанням температури зростає, а у напівпровідників - падає. З числа напівпровідників найбільш підходящим для виготовлення інтегральних схем виявився кремній. Він швидко витіснив германій. Але останнім часом все більшу кількість ІС виготовляється з арсеніду галію. [3]

 

Рис. 1.1. Температурна залежність власного напівпровідника [2]

 

 

1.2. Структура напівпровідників

Площа сучасних ІС порядку 10-500 мм², площі їх елементів порядку 10^-2 -10^-4 мм², а лінійні розміри окремих електродів доходять до 0,1 мкм. Ясно, що в межах таких площ і відстаней вихідна напівпровідникова пластина повинна бути досить однорідною і володіти контрольованими властивостями. Якщо ж є дефекти і неоднорідності, то вони повинні бути локалізовані і їх повинно бути досить мало. Тоді в брак піде обмежена кількість ІС, які виявилися розташованими на цих дефектних ділянках. Тому однорідності і бездефектності напівпровідників в мікроелектроніці приділяється дуже велика увага. [19]

Для напівпровідників характерна кристалічна будова, тобто закономірне  й упорядковане розташування їхніх  атомів у просторі. У кристалах  зв'язані між собою атоми розташовуються строго певним чином і на однакових  відстанях один від одного, у результаті чого утворюються своєрідні ґрати  з атомів, що прийнято називати кристалічною решіткою твердого тіла. Між атомами  кристалічних решіток існують зв'язку. Вони утворюються валентними електронами, що взаємодіють не тільки з ядром  свого атома, але і з сусідніми. У кристалах германія зв'язок між  двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами - по одному від кожного атома. Такий зв'язок між атомами називається двохелектронний, або ковалентний. [20]

 Характерна риса двохелектронних зв'язків полягає в тому, що при їхньому утворенні електрони зв'язку належать вже не одному, а відразу обом, зв'язаним між собою атомам, тобто є для них загальними. У результаті зовнішня орбіта кожного з атомів має як би по вісім електронів і стає цілком заповненою.

Кристалічна решітка складається з безлічі повторюваних і прилеглих один до одного елементарних осередків тієї чи іншої форми і розміру. У разі найпростішої кубічної решітки ребро елементарної комірки - куба - є постійна решітки а. (0,4-0,6 нм). Кубічна решітка типу алмазу складається з тетраедрів (рис. 1.2); відстань між суміжними атомами близько 0,25 нм. [3]

 

Рис. 1.2. Структура кристалічної решітки типу алмазу [3]

 

Зв'язок атомів у кристалічній решітці кремнію та ряду інших  напівпровідників обумовлений специфічними обмінними силами, що виникають в результаті попарного об'єднання валентних електронів у суміжних атомів. Такий зв'язок (при якому кожен з атомів залишається нейтральним) називається ковалентним або просто валентним. Регулярність (періодичність) структури кристала призводить до залежності його властивостей від напрямку в кристалічній решітці - до анізотропії.

Оцінювати напрям, тобто  «орієнтуватись» в кристалічній решітці прийнято за допомогою кристалографічних  площин. Ці площини позначають тризначними  індексами Міллера. Для позначення індекси Міллера укладають в  круглі дужки: (111), (100) і т.п.

Для різних кристалографічних  площин виявляються різними багато властивостей і параметри кристала: оптичні властивості, швидкість  травлення та інше. Тому пластини для виготовлення ІС шліфують точно по заздалегідь заданій кристалографічній площині.

Дефекти решітки можуть мати вигляд порожнього вузла (дефект по Шотткі) або сукупності порожнього вузла і міжузельного атома (дефект по Френкелю). Це - дефекти точкового типу (рис 1.3. а, б)

 

Рис. 1.3. Точкові дефекти кристалічної решітки: а - дефект по Шотткі; б - дефект по Френкелю; в - домішкові дефекти [3]

 

Будь-який реальний напівпровідник містить домішки - або паразитні, від яких не вдається позбутися при  очищенні, або корисні, які вводяться  спеціально для отримання потрібних  властивостей кристала. Кожен домішковий (тобто чужорідний) атом рівносильний точкового дефекту решітки. Домішкові  атоми (рис. 1.3, в) можуть розташовуватися або в міжузелля решітки (домішка впровадження - 2), або в самих вузлах - замість основних атомів (домішка заміщення - 2). Останній варіант більш поширений.

Дислокації, тобто зміщення площин решітки, бувають лінійні (крайові) і гвинтові (спіральні). Перші - результат  неповного (не по всій глибині) зсуву  решітки: з'являється незакінчена  напівплощина атомів (рис. 1.4, а). Другі - результат повного (по всій глибині) зсуву деякого ділянки решітки (рис. 1.4, б).

Наявність дислокацій призводить до дефектів ІС. Тому кількість дислокацій на пластині напівпровідника обмежують.

Граничним випадком безладних  дислокацій можна вважати полікристал, що складається з безлічі монокристалічних зерен (мікрокристалів), з різною орієнтацією, тісно примикають один до одного. У полікристалах відсутній регулярна структури і властива їй анізотропія властивостей. Тому полікристали не стали основою для найбільш відповідальних - активних елементів ІС і грають в мікроелектроніці допоміжну роль.[6]

 

 

Рис 1.4. Дислокації в кристалічній решітці: а- лінійні; б-гвинтові [3]

 

Крім полікристалічних (зернистих) твердих тіл, існують аморфні, тобто  абсолютно однорідні, безструктурні. Через погану відтворюваності і  стабільності властивостей аморфні напівпровідники на практиці знаходять лише вузькоспеціальне застосування.

Крім дислокацій, в пластинах  напівпровідника мають місце  макроскопічні дефекти: мікротріщини, пори (бульбашки) і т.п. Все це - потенційні причини браку в ІС.

Поверхня кристала. У атомів, розташованих на поверхні кристала, частина  ковалентних зв'язків неминуче порушується  через відсутність «сусідів»  по інший бік кордону розділу. Кількість порушених зв'язків  залежить від кристалографічної  орієнтації поверхні. Наприклад, для  кремнію в площині (111) виявляється  обірваної одна з чотирьох зв'язків, а в площині (100) - дві (рис. 1.5).

 

Рис. 1.5. Порушення ковалентних зв'язків на поверхні кристала: а - в площині (100), б - в площині (111) [3]