Большая Советская Энциклопедия (ПО)
Шрифт:
Краткая историческая справка. Основные вехи развития П. э. — открытие фотоэффекта в селене (У. Смит, США, 1873), открытие односторонней проводимости контакта металла с полупроводником (К. Ф. Браун , 1874), использование кристаллических полупроводников, например галенита (PbS), в качестве детекторов для демодуляции радиотелеграфных и радиотелефонных сигналов (1900—05), создание меднозакисных (купроксных) и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920—26), использование кристаллических детекторов для усиления и генерирования колебаний (О. В. Лосев , 1922), изобретение транзистора (У. Шокли , У. Браттейн , Дж. Бардин , 1948), создание планарной технологии (1959), появление интегральной электроники и переход к микроминиатюризации электронного оборудования (1959—61). Большой вклад в создание П. э. внесли советские учёные — физики и инженеры (А. Ф. Иоффе ,
Физические основы П. э. Развитие П. э. стало возможным благодаря фундаментальным научным достижениям в области квантовой механики , физики твёрдого тела и физики полупроводников .
В основе работы полупроводниковых (ПП) электронных приборов и устройств лежат следующие важнейшие свойства полупроводников и электронные процессы в них: одновременное существование носителей заряда двух знаков (отрицательных — электронов проводимости и положительных — дырок); сильная зависимость величины и типа электропроводности от концентрации и типа примесных атомов; высокая чувствительность к воздействию света и тепла, чувствительность к действию магнитного поля и механических напряжений; эффект односторонней проводимости при протекании тока через запирающий слой электронно-дырочного перехода (р—n– перехода) или Шотки барьера, нелинейность вольтамперных характеристик таких слоев, введение (инжекция) неосновных носителей, нелинейная ёмкость р—n– перехода; туннельный переход носителей сквозь потенциальный барьер (см. Туннельный эффект ); лавинное размножение носителей в сильных электрических полях; переход носителей из одного минимума энергетической зоны в другой с изменением их эффективной массы и подвижности и др.
Один из эффектов, наиболее широко используемых в П. э., — возникновение р—n– перехода на границе областей полупроводника с различными типами проводимости (электронной — в n– области, дырочной — в р– области); его основные свойства — сильная зависимость тока от полярности напряжения, приложенного к переходу (ток в одном направлении может в 106 раз и более превышать ток в др. направлении), и способность к инжекции дырок в n– область (или электронов в р– область) при включении напряжения в направлении пропускания тока через р—n– переход. Свойства, близкие к свойствам р—n– перехода, имеет барьер Шотки, обладающий вентильными свойствами (односторонней проводимостью), но не обладающий способностью к инжекции. И р—n– переход, и барьер Шотки обладают электрической ёмкостью, изменяющейся по нелинейному закону с изменением напряжения. При превышении внешним обратным напряжением определённой величины в них развиваются явления пробоя. Сочетание двух р—n- переходов, расположенных близко в одном кристалле полупроводника, даёт транзисторный эффект: эффект управления током запертого перехода с помощью тока отпертого перехода. Три р—n– перехода в одном кристалле, разделяющие четыре области попеременно электронной и дырочной проводимости, образуют тиристор . Решающее значение для П. э. имеет транзисторный эффект: именно на его основе работают ПП приборы основного типа — транзисторы , которые определили коренные изменения в радиоэлектронной аппаратуре и ЭВМ и обеспечили широкое применение систем автоматического управления в технике.
К физическим явлениям, которые в начале 70-х гг. 20 в. стали использовать в П. э., относится и акустоэлектрический эффект в диэлектрических и ПП материалах. На основе этого эффекта оказалось возможным создавать усилители электрических колебаний, активные электрические фильтры, линии задержки с усилением сигнала, что привело к появлению нового направления П. э. — акустоэлектроники.
Одна из наиболее общих черт развития П. э. — тенденция к интеграции самых различных физических эффектов в одном кристалле. П. э. начинает смыкаться с электроникой диэлектрических материалов (см. Диэлектрическая электроника ), магнитных материалов и т.д., превращаясь постепенно в электронику твёрдого тела в самом широком смысле этого слова.
ПП технология. Главные технологические задачи П. э. — получение полупроводниковых материалов (в основном монокристаллических) с требуемыми свойствами, реализация сложных ПП структур (прежде всего р—n– переходов) и разработка методов изготовления полупроводниковых приборов , в которых ПП слои сочетаются с диэлектрическими и металлическими. Образование р—n– переходов сводится к введению в полупроводник необходимого количества нужных примесей в строго определённых областях. В настоящее время (1975) распространены 3 способа получения р—n– переходов: сплавление, диффузия и ионное внедрение (имплантация).
При сплавлении на поверхность пластины из полупроводника, обладающего одним типом проводимости (например, на n– Ge, богатый донорами ), помещают кусочек металла, проникновение атомов которого в полупроводник способно придавать ему проводимость др. типа (например, кусочек In, атомы которого служат в Ge акцепторами ), и нагревают пластину. Т. к. температура плавления In значительно ниже температуры плавления Ge, то In расплавляется, когда Ge ещё остаётся в твёрдом, кристаллическом состоянии. Ge растворяется в капельке расплавленного In до насыщения. При последующем охлаждении растворённый Ge начинает выделяться из расплава и кристаллизоваться вновь, восстанавливая растворившуюся часть кристалла. В процессе кристаллизации атомы Ge захватывают с собой атомы In. Образовавшийся слой Ge оказывается обогащенным In и приобретает проводимость дырочного типа. Т. о., на границе этого слоя и нерастворившейся части кристалла Ge образуется р—n– переход.
При диффузии, например, из газовой фазы пластина полупроводника, обладающего, скажем, электронной проводимостью, помещается в пары вещества, придающего полупроводнику дырочный характер проводимости и находящегося при температуре на 10—30% ниже температуры плавления полупроводника. Атомы вещества-диффузанта, совершая хаотическое тепловое движение, бомбардируют открытую поверхность полупроводника и проникают в глубь его объёма. Максимальная концентрация их создаётся в приповерхностном слое. Этот слой приобретает дырочную проводимость. По мере удаления от поверхности концентрация акцепторов падает и в некотором сечении становится равной концентрации доноров. Это сечение будет соответствовать положению р—n– перехода. В слоях, расположенных более глубоко, преобладают доноры, и полупроводник остаётся электронным. Распространены также и др. методы диффузии: диффузия из тонких слоев диффузанта, нанесённых непосредственно на поверхность полупроводника, из стекловидных слоев, содержащих диффузант, в потоке инертного газа, смешанного с парами диффузанта, и т.д. В качестве диффузанта могут использоваться не только чистые доноры или акцепторы, но и их соединения. Метод диффузии — основной метод получения р—n– переходов.
Ионное внедрение является одним из способов получения р—n– переходов, дополняющим и частично заменяющим диффузию (рис. 1 ).
Исключительно важную роль в развитии П. э. сыграло появление и быстрое распространение планарной технологии. Большое значение планарной технологии определяется тем, что она обеспечила: широкий переход к групповому методу изготовления ПП приборов (одновременно на одной ПП пластине изготовляется несколько тысяч приборов); существенное повышение точности и воспроизводимости конфигурации элементов приборов и связанное с этим повышение воспроизводимости электрических параметров; резкое уменьшение размеров элементов и зазоров между ними — до микронных и субмикронных — и создание на этой основе СВЧ усилительных и генераторных транзисторов (рис. 2 ); реализацию т. н. полевых приборов, в том числе полевых транзисторов ; возможность создания на одном ПП кристалле законченного электронного устройства — ПП интегральной схемы , включающей в себя необходимое число отдельных ПП приборов (диодов, транзисторов и др.), резисторов, конденсаторов и соединений между ними. Главное достоинство планарной технологии в том, что именно она сделала возможным интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, привела к исчезновению грани между изготовлением деталей и элементов электронной техники и изготовлением радиоэлектронной аппаратуры. Последовательные процессы изготовления ПП материалов, затем — ПП приборов и, наконец, устройств, ранее значительно разнесённые во времени и разобщённые в пространстве, оказались совмещенными в одном технологическом цикле.
Особенности ПП производства. Большая сложность изделий П. э., их весьма высокая чувствительность к микроскопическим дозам загрязнений и невозможность исправления брака выдвигают исключительно высокие требования к качеству материалов, точности работы оборудования и условиям производства. Во многих случаях речь идёт о предельно достижимых (на современном уровне техники) требованиях, существенно превосходящих требования, выдвигаемые др. отраслями техники.
Материалы П. э. должны иметь строго заданные состав и структуру, нередко — обладать исключительно высокими чистотой и совершенством структуры. Так, например, Ge высокой чистоты характеризуется содержанием неконтролируемых примесей < 10– 10 .
О требованиях к точности работы оборудования можно получить представление на примере оптико-механических установок. Для создания на поверхности пластины диаметром 30—80 мм сотен тыс. элементов различной формы и размеров применяют шаблоны, при помощи которых последовательно проводят несколько диффузионных процессов, наносят металлические плёнки и т.д. При изготовлении фотошаблонов и совмещении очередного шаблона с рисунком, ранее нанесённым на ПП пластину, точность работы оптико-механического оборудования должна составлять десятые доли мкм. Поэтому оптическая часть оборудования, разработанного специально для нужд П. э., характеризуется сверхвысокой разрешающей способностью, достигающей более 1000 линий на мм (у применяемых фотоматериалов она ещё выше — 1500 линий на мм ), и не имеет аналогов в др. областях техники. Уменьшение размеров элемента до 1 мкм и переход к субмикронным размерам создают значительные трудности, обусловленные главным образом явлением дифракции . Их преодоление — в переходе от световых лучей к электронным, которые могут быть сфокусированы до десятых и сотых долей мкм. В этом случае минимальный размер элемента будет определяться диаметром электронного луча. Механическая обработка ПП пластин должна осуществляться по 14-му классу чистоты обработки поверхности, с отклонениями от плоскости (плоскостностью), не превышающими 1 мкм. Особые требования выдвигаются также и по отношению к термическому оборудованию: точность установки и поддержания температуры на уровне 1000—1300 °С должна быть не хуже ± 0,5 °С.