Как сделать полупроводниковый кристалл
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 04.10.2024
Физика и технология полупроводников — одна из самых интересных областей компьютерной индустрии. В то же время полупроводниковая тематика достаточно сложная из-за большого количества терминологии и всевозможных нюансов. В этом материале мы постарались рассказать об основных полупроводниковых технологиях максимально простым языком. О кремнии, транзисторах и их производстве — читайте далее.
Большинство из вас наверняка прекрасно представляют и понимают, как устроен транзистор и как он работает. Но более глубокими познаниями могут похвастать немногие. Это неудивительно, поскольку данная тематика достаточно сложная для понимания, и описать максимально простым языком все процессы создания и работы транзисторов и чипов очень тяжело. Тем не менее, мы попытались это сделать. О том, что из себя представляет кремний, о транзисторах и их производстве — читайте далее.
Как это работает. Технологии полупроводников. Часть 1
Кремний — главный полупроводник
Так располагается запрещенная зона (bandgap) в кристалле полупроводника – между зоной валентности (valence band) и зоной проводимости (conduction band)
Уровень Ферми для различных материалов: металлов, полуметаллов, полупроводников и изоляторов
В зонной структуре полупроводников существует такой показатель, как уровень Ферми, который на скриншоте выше обозначен как EF. Он отражает полное количество химической потенциальной энергии для электронов при абсолютном нуле, то есть при температуре 0 градусов по Кельвину. Поэтому если зона располагается над уровнем Ферми, то ее электроны могут отделяться от атомов. Следовательно, они также могут проводить ток. Такая зона называется зоной проводимости. Если же зона располагается ниже уровня Ферми, то ее электроны уже не могут покидать атом. Эта зона носит название зоны валентности.
Положение равновесия в pn-соединении
Транзисторы: MOSFET
Кремний используется в производстве самой главной части любого процессора — транзистора. Существует множество различных методов их изготовления, однако мы остановимся на самой распространенной на сегодня технологии MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, или полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).
MOSFET-транзистор имеет относительно простой дизайн, однако в то же время существуют некоторые сложности в его имплементации. Такой транзистор состоит из четырех основных частей: истока (source), затвора (gate), стока (drain) и базы (body). Остановимся подробнее на взаимодействии первых трех компонентов.
По большому счету, названия этих частей говорят сами за себя. Исток — это место входа тока, а сток — точка его выхода. Что касается затвора, то он отвечает за протекание тока. Это означает, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения (смещения) он может находиться в двух состояниях: включенном (ток протекает) и выключенном (ток не протекает). Здесь также важно отметить, что в зависимости от типа MOSFET-транзистора ток может протекать в обоих направлениях — как из истока в сток, так и наоборот.
Схема MOSFET-транзистора: исток (source), затвор (gate), сток (drain), подложка p-типа (p substrate)
Конечно, транзистор — это не только исток, сток и затвор. В случае с МОП-транзистором n-типа исток и сток — это выводы из области n-типа. Их окружает полупроводниковая подложка p-типа. Ну а в небольшом промежутке между истоком и стоком располагается непосредственно МОП-затвор.
Архитектура затвора в традиционном MOSFET-транзисторе довольно проста. На кремниевую подложку наносится слой диоксида кремния (SiO2), а уже на него накладывается поликремниевый или металлический затвор. Такая структура делает затвор конденсатором, в котором диоксид кремния выступает в роли диэлектрика.
Электроника играет ключевую роль в нашей жизни для передачи информации, развлечений, культуры, а также на войне и в медицине для диагностики, прогноза или хирургических операций. Материалы классифицируются в соответствии с их электропроводностью на проводники , изоляторы и полупроводники.
Материалы
Проводники — это материалы, которыелегкопроводят электричество и тепло, такие как металлы , Изоляторы — это материалы, которые плохо проводят электричество и тепло, такие как дерево и пластик, Полупроводники — это материалы, их проводимость находится между изоляторами и проводниками и характеризуется увеличением их проводимости в зависимости от их температуры. увеличивается, например, кремний и германий.
Чистый полупроводниковый кристалл
Каждый атом кремния (также германия) содержит 4 электрона во внешней оболочке, поэтому каждый атом кремния в кристалле делит 4 электрона с 4 соседними атомами ковалентными связями, чтобы завершить внешнюю оболочку до 8 электронов и достичь стабильного состояния, кристалл является правильное геометрическое расположение атомов в твердом состоянии.
Мы можем различать три типа электронов :
- Электроны на самых внутренних уровнях: они прочно связаны с ядром.
- В валентных электронов : они должны свободно перемещаться по межатомных расстояний.
- Свободные электроны: они движутся беспорядочно и ограничены большим пространством, которым является кристалл.
Тепловая или световая энергия может использоваться для разрыва связей кристалла, где энергия, необходимая для разрыва связи, = энергия, полученная в результате восстановления (рекомбинации) связи.
Способы увеличения проводимости полупроводников
Полупроводники характеризуются своей чувствительностью к теплу, а также к примесям, поэтому проводимость полупроводников можно увеличить одним из двух следующих способов:
- Повышение температуры.
- Легирование (добавление примесей).
Повышение температуры
При низкой температуре (особенно 0 ° K) все связи в кристалле целы (не разорваны) и отсутствуют свободные электроны (изолирующий кристалл). При повышении температуры некоторые связи разрываются, и электроны освобождаются (проводящий кристалл) , Такие электроны оставляют вакансии в разорванной связи , которая называется отверстием.
Мы не называем атом кремния, который теряет электрон из-за своей связи, ионом, потому что достаточно скоро этот атом может захватить свободный электрон или электрон из другой связи, чтобы заполнить свою собственную вакансию. Затем атом возвращается нейтральным.
Поскольку электроны движутся беспорядочно, то же самое происходит и с дырками, поскольку электроны в связи перемещаются беспорядочно, заполняя вакансии, направление движения вакансий противоположно направлению движения электронов.
По мере увеличения температуры количество свободных электронов и дырок увеличивается (увеличивая проводимость ), так что количество свободных электронов равно количеству свободных дырок в чистом полупроводнике до тех пор, пока не будет достигнуто состояние динамического равновесия (так называемое тепловое равновесие) при при котором количество разорванных связей в секунду будет равно количеству восстановленных связей в секунду, так что фиксированное количество свободных электронов и такое же количество дырок остаются постоянными при любой температуре, и этот случай называется динамическим равновесием.
Динамическое равновесие (термическое) чистого кристалла кремния — это случай, когда количество разорванных связей в секунду равно количеству восстановленных связей в секунду, так что фиксированное количество свободных электронов и такое же количество дырок остается постоянным. при любой температуре.
Дырка — это валентность, которую электрон оставляет (положительный заряд) в разорванной связи в кристалле полупроводника. Не рекомендуется нагревать чистый полупроводник для увеличения его электропроводности , потому что увеличение температуры на большую величину приводит к разрыву связей. а также кристалл повредит.
Чистый полупроводник — это полупроводник, в котором концентрация свободных электронов (n) = концентрация дырок (P) при любой температуре.
Характеристики чистого полупроводникового кристалла (чистого кремния)
- Электроны внутренних уровней связаны очень сильной силой притяжения с ядром, в то время как валентные электроны на самых внешних энергетических уровнях могут свободно перемещаться через межмолекулярные расстояния внутри кристалла.
- При очень низкой температуре (особенно при 0 ° К) связи между атомами целы (не разорваны), и внутри кристалла нет свободных электронов, и электропроводность исчезает, и уровень энергии каждого атома полностью заполняется электронами при абсолютном давлении. ноль (ноль Кельвина).
- Когда температура повышается, некоторые связи разрываются, и электроны освобождаются, каждый из этих электронов оставляет после себя вакансию в разорванной связи, которая называется дыркой, но это не считается ионом, этот атом может захватить свободный электрон или электрон из другая связь, чтобы заполнить свою собственную вакансию. Затем атом возвращается в нейтральный.
- При повышении температуры количество свободных электронов и дырок увеличивается, а электропроводность увеличивается.
- Эти электроны движутся в случайном движении внутри кристалла и заполнить вакансии , которые в результате разрыва облигаций .
- Энергия, необходимая для разрыва любой связи = полученная энергия от восстановления (рекомбинации) связи, независимо от того, является ли это тепловой энергией или световой энергией.
- Когда кристалл достигает динамического равновесия, количество разорванных связей в секундах = количество образованных связей в секунду, поэтому количество свободных электронов и дырок является постоянным для каждой температуры.
Проводники ( металлы ): кристалл состоит из положительных ионов и облака свободных электронов, которые беспорядочно перемещаются внутри проводника, и существует сила притяжения между ионами и электронами . Носителями заряда являются электроны . Число электронов не меняется с температурой. электрическое сопротивление увеличивается при повышении температуры.
Полупроводники: кристалл состоит из атомов, соединенных ковалентными связями . Носителями заряда являются электроны и дырки. Число свободных электронов и дырок увеличивается за счет повышения температуры до тех пор, пока кристалл не достигнет теплового динамического равновесия . Электрическое сопротивление уменьшается при повышении температуры. .
Легирование (добавление примесей)
Легирование — это добавление атомов пятивалентного элемента или трехвалентного элемента к чистому кристаллу четырехвалентного элемента для увеличения концентрации свободных электронов или концентрации дырок внутри него. Таким образом, его можно получить на двух типах примесей в полупроводниках путем добавления донорных примесей. или акцепторные примеси:
Донорные примеси
Тип примесного атома: атомы пятивалентного элемента (содержат 4 электрона на крайнем энергетическом уровне), такие как фосфор (P) или сурьма (Sb), и они относятся к элементам пятой группы.
Действие примесного атома: примесный атом делится с четырьмя электронами, образуя связи с четырьмя атомами кремния , в то время как пятый электрон остается слабо связанным с родительским ядром, которое вскоре теряет его, чтобы стать свободным электроном, а родительский атом становится положительным ионом, такой примесный атом называется донорным атомом.
Типа доминирующих носителей заряда свободные электроны, атомы примеси после легирования стали положительными ионами и их концентрацией Н + D .
При тепловом равновесии: сумма положительного заряда = сумма отрицательного заряда
(Где: n — концентрация свободных электронов, p — концентрация дырок, N + D — концентрация донорных примесных ионов, Когда n> p, это будет полупроводник (n-типа)).
Полупроводник (n-типа): полупроводник, легированный примесями пятивалентного элемента, в котором концентрация свободных электронов (n)> концентрации дырок (p).
Акцепторные примеси
Тип примесного атома: атомы трехвалентного элемента (содержит 3 электрона на крайнем энергетическом уровне), например, алюминия (Al) или бора (B), и они относятся к элементам третьей группы.
Действие примесного атома: примесный атом делится с тремя электронами для образования связей и для достижения стабильности (8 электронов на внешней оболочке) он получает электрон от одной из кремниевых связей, оставляя дыру позади, и примесный атом становится отрицательным. иона такой примесный атом называется акцепторным атомом.
Тип доминирующих носителей заряда являются дырки, атомы примеси после легирования стали отрицательными ионами и их концентрации N — A .
При тепловом равновесии: сумма отрицательного заряда = сумма положительного заряда
(Где: n — концентрация свободных электронов, p — концентрация дырок, N — D — концентрация акцепторных примесных ионов, Когда p> n, это будет полупроводник (p-типа)).
Полупроводник (p-типа): полупроводник, легированный примесями трехвалентного элемента, в котором концентрация дырок (p)> концентрации свободных электронов (n).
Легированный кристалл остается электрически нейтральным при легировании кристалла полупроводника примесями трехвалентных или пятивалентных элементов, всегда количество отрицательных зарядов равно количеству положительных зарядов, так что все атомы, будь то атомы полупроводника или атомы примесей, являются нейтральными.
Закон действия масс в полупроводниках
Если n i — концентрация электронов или дырок в чистом кристалле кремния, Тогда: np = n i ².
Закон действия масс: произведение концентрации свободных электронов на концентрацию дырок = постоянное значение для каждой температуры, не зависящее от типа примеси (квадрат концентрации электронов или дырок в чистом кристалле полупроводника на постоянная температура.
Концентрация свободных электронов (n) обратно пропорциональна концентрации дырок (p):
Если попытаться создать рейтинг изобретений 20 века, которые оказали наибольшее влияние на нашу жизнь, полупроводники и полупроводниковые приборы окажутся, если не на первом месте, то в десятке – непременно.
В основе технологий полупроводниковой электроники, как очевидно из названия, лежат полупроводники. В недавней беседе с одним своим знакомым, я был несколько удивлён, когда узнал, что, хотя он и был осведомлён, в принципе, что делают и для чего нужны такие устройства, как диод и транзистор, он понятия не имел, как они устроены, и почему они так работают. Мысленно я поблагодарил его за то, что нашёл тему для своего следующего поста.
И так, давайте рассмотрим первый столп современной электроники – диод.
Это свойство позволяет им формировать идеальные ковалентные связи с соседними атомами, создавая, тем самым, правильную кристаллическую решётку. В случае с углеродом, в зависимости от конфигурации атомов, мы можем получить либо графит, либо алмаз. В случае же с кремнием, его кристаллическая форма выглядит как серебристое вещество с металлическим блеском:
Ад перфекциониста – людям с ОКР теперь требуется соблюдать осторожность при обращении с полупроводниковыми приборами!
Диод в электронике играет роль своего рода клапана, который позволяет проходить току только в одну сторону. Но не стоит обольщаться. Диод, как и любое другое устройство можно испортить. Если подключить по схеме обратного смещения слишком большое напряжение, то диод выйдет из строя и, таки, пропустит через себя ток. К счастью, подобное напряжение в случае нормальной работы электронной схемы возникнуть не должно. Для полупроводников с малой долей примесей величина напряжения пробоя больше, чем для полупроводников с высокой концентрацией легирующих элементов:
Как жили до полупроводников?
Наверное, стоит ещё сказать пару слов о том, как мы жили до эры полупроводников, и какими раньше были диоды. А диоды раньше были тёплыми и ламповыми.
Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.
Общие понятия.
Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.
Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).
По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.
Свойства полупроводников.
Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.
Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.
Строение атомов полупроводников.
Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.
Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.
В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.
Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.
Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.
Электропроводность полупроводника.
Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.
Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.
Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.
Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).
Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.
Электронно-дырочная проводимость.
Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.
Электронная проводимость.
Дырочная проводимость.
Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.
Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.
Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.
На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!
Читайте также: