Введение в физику полупроводников

Строение полупроводников.

Полупроводники относятся к твердым телам и имеют кристаллическое строение. Атомы полупроводника, взаимодействуя между собой посредством валентных электронов, слабо связанных с ядром атома, создают пространственную структуру, называемую кристаллической решеткой. При ее образовании основную роль играют парпоэлектропные, или ковалентные, связи между атомами, благодаря которым внешние валентные электроны оказываются принадлежащими одновременно нескольким атомам. На рис. 2.1, а показаны ковалентные связи атома кремния с четырьмя соседними атомами. Образуя ковалентную связь, каждый из четырех атомов отдает в пользование свой ва;

Рис. 2.1. Образование ковалентных связей (а) и кристаллической решетки кремния (б).

лентный электрон и одновременно приобретает электрон соседнего атома. Оба электрона движутся по общей орбите вокруг атомов. В результате каждый из атомов, образующих кристалл, достраивает свою внешнюю оболочку до 8 электронов, создавая устойчивую структуру. На рис. 2.1, б приведена кристаллическая решетка кремния в виде плоской модели. Ковалентная связь между атомами отображена линией с двумя электронами.

Таким образом, кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек, простейшей из которых является куб с ребром 0,4—0,6 нм. Связь атомов в кристаллической решетке полупроводника обусловлена силами, возникающими в результате попарного объединения валентных электронов смежных атомов. При ковалентной связи каждый из атомов остается нейтральным. Периодичность структуры кристалла приводит к анизотропии, г. е. зависимости его свойств от направления. Направление в кристаллической решетке задают с помощью кристаллографических осей и перпендикулярных им кристаллографических плоскостей, которые обозначают трехзначными индексами Миллера: [100], [ 110], [111],… — для соответствующих осей и (111), (100),… — для плоскостей. При изготовлении транзисторов и интегральных схем (ИС) пластины шлифуют точно по заданной кристаллографической плоскости, поскольку она определяет многие свойства и параметры кристалла.

Структура кристалла не бывает идеальной ни в объеме, ни на поверхности. Среди нарушений структуры выделяют:

• • дефекты точечного типа в виде пустого узла (дефект по Шоттки), когда отсутствующий атом располагается на поверхности кристалла, или совокупности пустого узла и между узел ьного атома (дефект по Френкелю). Каждый примесный атом также относят к точечному дефекту решетки. Примесные атомы могут располагаться либо между узлами решетки, либо в самих узлах вместо основных атомов (более распространенный вариант);
• • дислокации, представляющие собой смещения плоскостей решетки. Наличие дислокаций приводит к неконтролируемым размерам и профилям элементов ИС. Поэтому количество дислокаций на пластине полупроводника строго ограничивают. Допустимая плотность дислокаций для кремниевых пластин имеет порядок 1—5 мм^-2.

Полупроводниковые пластины для изготовления ИС имеют приповерхностный слой толщиной несколько нанометров. Его структура отличается от структуры основного объема кристалла. Это связано с тем, что у атомов, расположенных на поверхности кристалла, часть ковалентных связей нарушена из-за отсутствия соседей по другую сторону границы раздела. Например, может оказаться оборванной одна из четырех связей. Количество нарушенных связей зависит от кристаллографической ориентации поверхности. Нарушение ковалентных связей влечет за собой нарушение энергетического равновесия на поверхности, которое может быть сохранено (восстановлено):

• • изменением расстояния между атомами в приповерхностном слое, что приводит к изменению структуры элементарных ячеек кристалла;
• • путем захвата (адсорбции) чужеродных атомов из окружающей среды, что позволяет полностью или частично восстановить оборванные связи;
• • образованием химических соединений (например, оксидов Si0₂), не имеющих незаполненных связей на поверхности, и т. п.

Поэтому поверхность кристаллов имеет сложную структуру. Так как электрофизические параметры приповерхностного слоя отличаются от параметров объема полупроводника, граничный слой (или граница) играет важную роль и рассматривается как особая область кристалла.