71

Оглавление

1 Границя напівпровідник-діелектрик та її основні електрофізичні властивості. Границя метал-напівпровідник та її властивості. 3

2 Розрахунок положення рівня Фермі в напівпровіднику в залежності від концентрації легуючої домішки та температури. 6

3. p-n перехід та реальний розподіл домішок в ньому. Розрахунок профіля потенціалу в п-н-переході. Розрахунок ВАХ характеристики п-н-переходу. 9

4 Діод Шоткі та його електрофізичні властивості. Формування діоду Шоткі, розрахунок профіля потенціалу в ОПЗ та ємності діода в залежності від прикладеної напруги. Випрямляючі властивості діоду Шоткі. 13

5 Легування,дифузія. Перший та другий закони Фіка та їх використання при виготовленні шарів напівпровідникових приладів.Розподіл домішок отриманий за рахунок дифузії із обмеженого та нескінченного джерела 16

6. Епітаксія та її особливості. Молекулярно-променева епітаксія та її застосування для виготовлення сучасних елементів інтегральних схем. 19

7 Окисленнянапівпровідників. Сухе та вологе окислення кремнію. Фізичні моделі та особливості технологічного процесу окислення кремнію. 20

9. Травлення та техніка масок. Йонне та хімічне травлення. 25

10 Методи нанесення тонких плівок. Металізація. Термічне та катодно напилення. Напилення електронним променем. Розпилення в плазмі різних матеріалів. Плазменна обробка напівпровідників. 29

11а. Аморфні напівпровідники. Виготовлення тонких плівок з аморфних н/п. 35

11.б^* ПОЛІКРИСТАЛІЧНІ НАПІВПРОВІДНИКИ. ОТРИМАННЯ ТОНКИХ ПЛІВОК ПОЛІКРИСТАЛІЧНИХ Н/П. 39

 12. Отримання тонких та товстих плівок в мікроелектронній технології. Гібридні інтегральні мікросхеми та їх особливості. 43

13. Елементи мікроелектроніки N-P-N та Р-N-Р транзистори. Їх властивості та особливості конструкцій. Типові конструкції вертикального та горизонтального транзисторів. Багатоемітерні та багатоколекторні транзистори. 48

14 Особливості ізоляції елементів в мікроелектроніці. Ізоляція V-кананавками. ЕПІК процес. Інші засоби ізоляції елементів в мікроелектроніці. 52

15.Польові транзистори в мікроелектроніці. МДН транзистор-базовнй елемент сучасної мікроелектроніки. їх характеристики. Ефект насичення струму в каналі. Особливості конструкцій МДН транзисторів. Засоби зменшення порогової напруги та покращення швидкодії. НЕМТ транзистори. 54

16 Напівпровідникові резистори. Питомий опір шару. Пінч-резистор, Тонкоплівкові резистори. Напівпровідникові конденсатори в мікроелектроніці. Тонкоплівкові конденсатори в мікроелектроніці. Індуктивність в мікроелектроніці. 59

17   Диференціальний каскад, йогоконструктивні та електрофізичнівластивості. Використаннядиференціальнихкаскадів для створенняонераиійннчпідсилювачів. Використаннядиференціальнихкаскадів для створеннялогічнихелементів та запам'ятовуючихпристроїв. 63

18.Запам'ятовуючі пристрої в мікроелектроніці. Постійні, статичні та динамічні елктектронні запам'ятовуючі пристрої. ППЗЗ та їх конструкція. 66

19. ПЗЗ Принципова будова матриці 69

20. Надійність 71

1 Границя напівпровідник-діелектрик та її основні електрофізичні властивості. Границя метал-напівпровідник та її властивості.

Границя напівпровідник-діелектрик: Приповерхневий шар напівпровідника має кристалічну структуру, містить адсорбовані домішки, характеризується наявністю особливих енергетичних рівнів, власними значеннями рухливості, часу життя та іншими електрофізичними параметрами.

Властивості середовища, з яким межує напівпровідник, впливають на властивості приповерхневого шару. Оскільки поверхня всіх сучасних інтегральних схем захищена оксидним шаром, то розглянемо структуру Si-SiO₂.

Головною особливістю діелектричних (оксидних) шарів кремнія є те, що вони завжди містять домішки донорного типу. Найпоширеніші з них Na, K, H. В плівці SiO₂ на границі з Si утворюється тонкий шар додатньо заряджених донорних атомів, а віддані ними електрони переходять в приповерхневий шар кремнія. В залежності від провідності напівпровідника розрізняють 3 наслідки дії цього переходу.

А) збагачений шар: якщо кремній N-типу, то електрони, що прийшли з оксидної плівки, збагачують його приповерхневий шар основними носіями і утворюється N-канал;

Б),В) якщо кремній P-типу, то електрони, або збіднюють приповерхневий шар (Б), або утворюють поряд із збіднений шаром тонкий інверсійний N-шар (В).

Виникнення незапланованого каналу під SiO₂ в приладах може порушити їх роботу!

Границя напівпровідник-метал: структура та властивості контактів метал-напівпровідник залежать від взаємного розташування рівня Фермі в одному та іншому шарі. На рисунку вгорі показані зонні діаграми розділених шарів, а знизу – відповідні контакти.

Ці контакти називаються випрямляючими.

На рисунку а) показано випадок, коли . Таке співвідношення означає, що заповненість зони провідності у н/п менша, ніж у металі. Тому після з’єднання шарів частина електронів із метала перейде до н/п p-типу. Поява додаткових електронів у шарі н/п спричинить рекомбінацію. В результаті зменшиться кількість основних носіїв – дірок, і поблизу границі з металом будуть некомпенсовані від’ємно заряджені іони акцепторів. Енергетичні рівні становляться викривленими донизу.

На рисунку б) показано випадок, коли . Тут електрони перейдуть із н/п N-типу в метал. Відповідно поблизу границі з металом збіднюються некомпенсовані позитивно заряджені іони донорів, а зони викривляються догори.

Невипрямляючі контакти:

Нехай для н/п P-типу (випадок А), а для н/п N-типу (випадок Б). В першому випадку електрони будуть переходити із н/п в метал - тоді зони викривляться догори, а в другому випадку електрони будуть переходити із металу в н/п – і зони викривляться донизу.

В таких контактах напівпровідники збагачують свої шари основними носіями. Наявність збагачуваного шару означає, що опір системи в цілому визначається нейтральним шаром н/п і не залежить від величини прикладеної напруги. Такі контакти називаються Омічними!

2 Розрахунок положення рівня Фермі в напівпровіднику в залежності від концентрації легуючої домішки та температури.

Зі зростанням температури відбуватиметься подальша іонізація домішок, доки всі вони не будуть іонізовані, і зростання концентрації електронів проходитиме тепер за рахунок іонізації основної речовини. Тому розглядатимемо різні випадки температур. Почнемо з низьких температур.

Нехай у напівпровідник введено домішку одного типу. Для визначеності вважатимемо її донором (ND ≠ 0, а NА = 0). У цьому випадку рівняння електронейтральності матиме такий вигляд

Звідси випливає

Перепишемо це квадратне рівняння у зручному вигляді

звідки

Ми вибрали знак + перед коренем, оскільки тільки позитивні розв'язки мають фізичний сенс. Таким чином, маємо

Звідки

Далі розглянемо випадок високих температур.

Зі зростанням температури концентрація дірок зростає й може зрівнятись із концент­рацією електронів:

для невиродже-ного напівпровідника

Звідси отримуємо квадратне рівняння

Зважаючи на те, що величина п позитивно визначена, маємо розв'язок цього рівняння у вигляді

для концентрації дірок

Оскільки

, то

Підставляємо сюди вираз для концентрації електронів. Маємо

або, записуючи явно концентрацію носіїв у власному напівпровіднику,

Залежність рівня Фермі від температури в напівпровіднику п-типу за різних концентрацій домішок має вигляд:

3. p-n перехід та реальний розподіл домішок в ньому. Розрахунок профіля потенціалу в п-н-переході. Розрахунок ВАХ характеристики п-н-переходу.

Розподіл домішок в p-n-переході:

Розрахунок профіля потенціалу в п-н-переході:

Припустимо ми утворили контакт між двома напівпровідниками різного

типу провідності n i p. Припустимо, що межа поділу між ними різка, тобто при

х > 0 ми маємо напівпровідник n - типу, а при x < 0 напівпровідник р - типу.

При цьому в системі встановився спільний рівень Фермі. Знайдемо хід потенціалу в області межі поділу та його залежність від координати. Будемо розглядати дві області - в напівпровіднику p - типу області шару

просторового заряду - dp, в напівпровіднику n - типу область просторового

заряду -dn. В нашому наближенні рівняння Пуасона розпадеться на два і

система рівнянь матиме вигляд:

Після інтегрування матимемо:

В точці х=0 обидва розв’язки повинні давати однакові значення ϕ(0) і . Прирівнюючи матимемо для

Використовуючи (точно не впевнений чи правильне р-ня використовую) отримаємо

.

Для знаходження вольт-амперної характеристики(ВАХ) р~n-переходу необхідно знайти суму струмів електронів і дірок у будь-якому перерізі р~n-переходу. У тому випадку, коли ширина області просторового заряду (ОПЗ) р~n-переходу(w = w_n + w_p) значно менша ніж дифузійна довжина електронів і дірок (w<<l_p; w<<l_n), рекомбінацією та генерацією електронів і дірок в ОПЗ можна нехтувати. Це означає сталість струмів електронів і дірок у межах ОПЗ, що дозволяє розглядати струм у р~n-переході як суму струму електронів j_n і струму дірок j_p, що розраховувалися для різних перерізів, та записати:j=j_n(-W_p)+j_p(w_n)

В АХ р-п-переходу може бути записана у вигляді: j = j_s(e^qU/kT-1), де j_s=q(n_pD_n/l_n + p_nD_p/l_p); де D_n , D_p - коефіцієнти дифузії відповідно електронів та дірок; п_р, р_п - концентрація електронів у р- області i дірок в n-області

Прямий струмр~n-переходузростає з напругою пропорційно ехр(qU/kT). Така залежність прямого струму від напруги зумовлена тим, що при збільшенні прямої напруги експоненційно збільшується інжекція неосновних носіїв, збільшується градієнт концентрації і, відповідно, дифузійний струм. При зворотних зміщеннях струм р~n-переходу зростає і при │U│>3kT/q наближається до сталої величини j_s.Враховуючи, що (l_n,p )² =D_n,pτ_n,p вираз для j_s = q(l_pn_i²/n_nτ_p + l_nn_i²/n_pτ_n). Таким чином, густина струму визначається кількістю дірок і електронів, які генеруються за одиницю часу відповідно в n-області на відстані l_p і в p-області на відстані l_n від р~n-переходу.