Полупроводниковый материал имеет значение электропроводности, падающее между электродом проводника, таким как медь, золото и т. Д., И изолятором, таким как стекло. Их сопротивление уменьшается по мере увеличения их температуры, что является поведением, противоположным поведению металла. Их проводящие свойства могут быть изменены полезными способами путем преднамеренного контролируемого введения примесей («легирования») в кристаллическую структуру. В тех случаях, когда в одном и том же кристалле существуют две области, легированные допированием, создается полупроводниковый переход. Поведение носителей заряда, которые включают электроны, ионы и электронные дыры на этих переходах, является основой диодов, транзисторов и всей современной электроники.

Полупроводниковые приборы могут отображать ряд полезных свойств, таких как пропускание тока более легко в одном направлении, чем другое, с указанием переменного сопротивления и чувствительности к свету или теплу. Поскольку электрические свойства полупроводникового материала могут быть модифицированы путем легирования или путем применения электрических полей или света, устройства, изготовленные из полупроводников, могут использоваться для усиления, переключения и преобразования энергии.

Проводимость кремния увеличивается за счет добавления небольшого количества пятивалентных (сурьмы, фосфора или мышьяка) или трехвалентных (бор, галлий, индий) атомов (часть 108). Этот процесс известен как легирование, и полученные полупроводники известны как легированные или внешние полупроводники.

Современное понимание свойств полупроводника опирается на квантовую физику для объяснения движения носителей заряда в кристаллической решетке. Допинг значительно увеличивает количество носителей заряда в кристалле. Когда легированный полупроводник содержит в основном свободные дырки, он называется «р-типом», а когда он содержит в основном свободные электроны, он известен как «n-тип». Полупроводниковые материалы, используемые в электронных устройствах, легируются в точных условиях для контроля концентрации и областей примесей p- и n-типа. Один полупроводниковый кристалл может иметь много p- и n-типов областей; p-n-переходы между этими областями отвечают за полезное электронное поведение.

Хотя некоторые чистые элементы и многие соединения обладают полупроводниковыми свойствами, кремний, [лучший источник] германий, а соединения галлия наиболее широко используются в электронных устройствах. Элементы вблизи так называемой «металлоидной лестницы», где металлоиды расположены на периодической таблице, обычно используются в качестве полупроводников.

Некоторые свойства полупроводниковых материалов наблюдались в течение середины 19-го и первых десятилетий 20-го века. Первым практическим применением полупроводников в электронике было создание в 1984 году детектора кошачьего вискера, примитивного полупроводникового диода, широко используемого в ранних радиоприемниках. Развитие квантовой физики в свою очередь позволило разработать транзистор в 1947 году и интегральную схему в 1958 году.

свойства

Переменная проводимость
Полупроводники в своем естественном состоянии являются плохими проводниками, потому что ток требует потока электронов, а полупроводники имеют заполненные валентные полосы, что препятствует входному потоку новых электронов. Существует несколько разработанных методов, позволяющих полупроводниковым материалам вести себя как проводящие материалы, такие как легирование или стробирование. Эти модификации имеют два результата: n-тип и p-тип. Они относятся к избытку или нехватке электронов, соответственно. Несбалансированное количество электронов приведет к протеканию тока через материал.

Гетеропереходы
Гетеропереходы возникают, когда два по-разному легированных полупроводниковых материала соединены вместе. Например, конфигурация может состоять из p-допированного и n-легированного германия. Это приводит к обмену электронами и дырками между по-разному легированными полупроводниковыми материалами. N-легированный германий будет иметь избыток электронов, а p-легированный германий будет иметь избыток дырок. Передача происходит до тех пор, пока равновесие не достигнет процесса, называемого рекомбинацией, что приводит к тому, что мигрирующие электроны из n-типа соприкасаются с мигрирующими отверстиями из р-типа. Продуктом этого процесса являются заряженные ионы, которые приводят к электрическому полю.

Возбужденные электроны
Разница в электрическом потенциале на полупроводниковом материале привела бы к тому, что он оставит тепловое равновесие и создаст неравновесную ситуацию. Это вводит электроны и дырки в систему, которые взаимодействуют через процесс, называемый амбиполярной диффузией. Когда тепловое равновесие нарушается в полупроводниковом материале, число дырок и электронов изменяется. Такие нарушения могут возникать в результате разности температур или фотонов, которые могут войти в систему и создать электроны и дырки. Процесс, который создает и уничтожает электроны и дырки, называется генерацией и рекомбинацией.

Светоизлучение
В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут расслабиться, испуская свет вместо того, чтобы выделять тепло. Эти полупроводники используются при построении светоизлучающих диодов и флуоресцирующих квантовых точек.

Преобразование тепловой энергии
Полупроводники имеют большие термоэлектрические коэффициенты мощности, что делает их полезными в термоэлектрических генераторах, а также высокие термоэлектрические показатели достоинства, что делает их полезными в термоэлектрических охладителях.

материалы
Большое количество элементов и соединений обладает полупроводниковыми свойствами, в том числе:

Некоторые чистые элементы находятся в группе 14 периодической таблицы; наиболее коммерчески важными из этих элементов являются кремний и германий. Здесь эффективно используются кремний и германий, поскольку они имеют 4 валентных электрона в своей внешней оболочке, что дает им возможность одновременно получать или потерять электроны.
Бинарные соединения, особенно между элементами в группах 13 и 15, такими как арсенид галлия, группы 12 и 16, группы 14 и 16 и между различными элементами группы 14, например карбидом кремния.
Некоторые тройные соединения, оксиды и сплавы.
Органические полупроводники, изготовленные из органических соединений.

Наиболее распространенными полупроводниковыми материалами являются кристаллические твердые вещества, но также известны аморфные и жидкие полупроводники. К ним относятся гидрированный аморфный кремний и смеси мышьяка, селена и теллура в различных пропорциях. Эти соединения разделяют с более известными полупроводниками свойства промежуточной проводимости и быстрое изменение проводимости с температурой, а также случайное отрицательное сопротивление. Такие неупорядоченные материалы не имеют жесткой кристаллической структуры обычных полупроводников, таких как кремний. Они обычно используются в тонкопленочных структурах, которые не требуют материала с более высоким электронным качеством, относительно нечувствительного к примесям и радиационным повреждениям.

Подготовка полупроводниковых материалов
Практически во всех современных электронных технологиях используются полупроводники, наиболее важным аспектом которых является интегральная схема (IC), которая находится в ноутбуках, сканерах, сотовых телефонах и т. Д. Полупроводники для ИС выпускаются серийно. Чтобы создать идеальный полупроводниковый материал, химическая чистота имеет первостепенное значение. Любое небольшое несовершенство может оказать существенное влияние на то, как ведет себя полупроводниковый материал из-за масштаба, на котором используются материалы.

Также требуется высокая степень кристаллического совершенства, поскольку дефекты в кристаллической структуре (такие как дислокации, двойники и дефекты штабелирования) мешают полупроводниковым свойствам материала. Кристаллические неисправности являются основной причиной дефектных полупроводниковых приборов. Чем больше кристалл, тем труднее достичь необходимого совершенства. В современных процессах массового производства используются кристаллические слитки диаметром от 100 до 300 мм (3,9 и 11,8 дюйма), которые выращиваются в виде цилиндров и нарезаются в вафли.

Существует комбинация процессов, которые используются для получения полупроводниковых материалов для ИС. Один процесс называется термическим окислением, которое образует диоксид кремния на поверхности кремния. Это используется в качестве изолятора затвора и оксида. Другие процессы называются фотомасками и фотолитографией. Этот процесс является тем, что создает шаблоны в цикле в интегральной схеме. Ультрафиолетовый свет используется вместе с слоем фоторезиста для создания химического изменения, которое генерирует схемы для схемы.

Травление — это следующий процесс, который требуется. Часть кремния, которая не была покрыта слоем фоторезиста с предыдущего этапа, теперь может быть вытравлена. Основной процесс, который обычно используется сегодня, называется плазменным травлением. Плазмовое травление обычно включает травильный газ, закачиваемый в камеру низкого давления для создания плазмы. Общим травильным газом является хлорфторуглерод или более известный фреон. Высокое радиочастотное напряжение между катодом и анодом создает плазму в камере. Силиконовая пластина расположена на катоде, что приводит к ее удару положительно заряженными ионами, которые высвобождаются из плазмы. Конечным результатом является кремний, который протравлен анизотропно.

Последний процесс называется диффузией. Это тот процесс, который дает полупроводниковому материалу требуемые полупроводниковые свойства. Он также известен как допинг. Этот процесс вводит в систему нечистый атом, который создает pn-переход. Чтобы получить нечистые атомы, внедренные в кремниевую пластину, пластину сначала помещают в камеру размером 1100 градусов Цельсия. Атомы впрыскиваются и в конечном итоге диффундируют с кремнием. После того, как процесс завершен, и кремний достиг комнатной температуры, процесс легирования осуществляется, и полупроводниковый материал готов к использованию в интегральной схеме.

Физика полупроводников

Энергетические полосы и электропроводность
Полупроводники определяются их уникальным электропроводящим поведением, где-то между проводником и изолятором. Различия между этими материалами можно понять с точки зрения квантовых состояний для электронов, каждый из которых может содержать нуль или один электрон (по принципу исключения Паули). Эти состояния связаны с электронной зонной структурой материала. Электропроводность возникает из-за присутствия электронов в состояниях, которые делокализуются (распространяются через материал), однако для транспортировки электронов состояние должно быть частично заполнено, содержащее электрон только часть времени. Если состояние всегда занято электроном, то оно инертно, блокируя прохождение других электронов через это состояние. Энергии этих квантовых состояний являются критическими, так как состояние частично заполняется, только если его энергия находится вблизи уровня Ферми (см. Статистику Ферми-Дирака).

Высокая проводимость в материале исходит из того, что он имеет много частично заполненных состояний и большую делокализацию состояния. Металлы — хорошие электрические проводники и имеют много частично заполненных состояний с энергией вблизи их уровня Ферми. Напротив, изоляторы имеют несколько частично заполненных состояний, их уровни Ферми находятся в пределах полос пробелов с несколькими энергетическими состояниями. Важно отметить, что изолятор можно проводить, увеличивая его температуру: нагрев обеспечивает энергию для продвижения некоторых электронов по запрещенной зоне, индуцируя частично заполненные состояния как в полосе состояний под запрещенной зоной (валентной зоной), так и в полосе состояний выше полоса пропускания (зона проводимости). (Собственный) полупроводник имеет ширину запрещенной зоны, которая меньше, чем ширина изолятора, и при комнатной температуре значительное число электронов может возбуждаться для пересечения запрещенной зоны.

Чистый полупроводник, однако, не очень полезен, так как он не является ни очень хорошим изолятором, ни очень хорошим проводником. Однако одной важной особенностью полупроводников (и некоторых изоляторов, известных как полуизоляторы) является то, что их проводимость может быть увеличена и контролироваться путем легирования примесями и стробированием электрическими полями. Допинг и стробирование перемещают либо зону проводимости, либо валентную зону, значительно приближенную к уровню Ферми, и значительно увеличивают количество частично заполненных состояний.

Некоторые полупроводниковые материалы с более широкой полосой иногда называют полуизоляторами. Когда они нелегированы, они имеют электрическую проводимость ближе к электрическим изоляторам, однако они могут быть легированы (что делает их полезными как полупроводники). Полу-изоляторы находят нишевые приложения в микроэлектронике, такие как подложки для HEMT. Примером общего полуизолятора является арсенид галлия. Некоторые материалы, такие как диоксид титана, могут даже использоваться в качестве изоляционных материалов для некоторых применений, будучи обработанными как широкозонные полупроводники для других применений.

Носители заряда (электроны и дырки)
Частичное заполнение состояний на дне зоны проводимости можно понимать как добавление электронов к этой полосе. Электроны не остаются бесконечно (из-за естественной тепловой рекомбинации), но они могут перемещаться в течение некоторого времени. Фактическая концентрация электронов обычно очень разбавлена, и поэтому (в отличие от металлов) можно представить электроны в зоне проводимости полупроводника как своего рода классический идеальный газ, где электроны свободно летают, не подвергая принцип исключения Паули. В большинстве полупроводников полосы проводимости имеют параболическое дисперсионное соотношение, и поэтому эти электроны реагируют на силы (электрическое поле, магнитное поле и т. Д.) Так же, как в вакууме, но с другой эффективной массой. Поскольку электроны ведут себя как идеальный газ, можно также думать о проводимости в очень упрощенных терминах, таких как модель Друде, и вводить такие понятия, как электронная подвижность.

Для частичного заполнения в верхней части валентной зоны полезно ввести понятие электронного дырки. Хотя электроны в валентной зоне всегда движутся, полностью полная валентная зона является инертной, не проводя никакого тока. Если электрон выведен из валентной зоны, то траектория, которую обычно проводил электрон, теперь не имеет своего заряда. В целях электрического тока эта комбинация полной валентной зоны, минус электрона, может быть преобразована в картину полностью пустой полосы, содержащей положительно заряженную частицу, которая движется так же, как электрон. В сочетании с отрицательной эффективной массой электронов в верхней части валентной зоны мы приходим к картине положительно заряженной частицы, которая реагирует на электрические и магнитные поля так же, как нормальная заряженная частица будет делать в вакууме, снова с некоторым положительным эффективная масса. Эта частица называется дырой, а набор дырок в валентной зоне может быть снова понят в простых классических терминах (как и для электронов в зоне проводимости).

Генерация и рекомбинация несущей
Когда ионизирующее излучение поражает полупроводник, оно может возбуждать электрон из своего энергетического уровня и, следовательно, покидать дырку. Этот процесс известен как генерация электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары постоянно генерируются из тепловой энергии, в отсутствие какого-либо внешнего источника энергии.

Электронно-дырочные пары также склонны к рекомбинации. Сохранение энергии требует, чтобы эти события рекомбинации, в которых электрон теряет количество энергии, большую ширины запрещенной зоны, сопровождаются испусканием тепловой энергии (в виде фононов) или излучением (в виде фотонов).

В некоторых состояниях генерация и рекомбинация электронно-дырочных пар находятся в равновесии. Число электронно-дырочных пар в установившемся состоянии при данной температуре определяется квантовой статистической механикой. Точные квантовомеханические механизмы генерации и рекомбинации определяются сохранением энергии и сохранением импульса.

Поскольку вероятность того, что электроны и дырки совпадают, пропорциональна произведению их чисел, произведение находится в стационарном состоянии, почти постоянном при данной температуре, при условии, что нет значительного электрического поля (которое может «смывать» носители обоих типов, или перемещать их из соседних областей, содержащих больше их, чтобы встречаться вместе) или генерация пары с внешней стороны. Продукт зависит от температуры, так как вероятность получения достаточной тепловой энергии для получения пары возрастает с температурой, приблизительно равной exp (-EG / kT), где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, а EG — запрещенная зона ,

Вероятность встречи увеличивается за счет ловушек-носителей или дислокаций, которые могут захватывать электрон или дыру и удерживать ее до тех пор, пока пара не будет завершена. Такие несущие ловушки иногда специально добавляются, чтобы сократить время, необходимое для достижения устойчивого состояния.

Легирование
Проводимость полупроводников может быть легко изменена путем введения примесей в их кристаллическую решетку. Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как легирование. Количество примеси или легирующей добавки, добавленной к внутреннему (чистому) полупроводнику, меняет свой уровень проводимости. Допированные полупроводники называются внешними. Путем добавления примеси к чистым полупроводникам электропроводность может варьироваться в тысячах или миллионах.

Образец 1 см3 металла или полупроводника имеет порядок 1022 атомов. В металле каждый атом жертвует по меньшей мере один свободный электрон для проведения, поэтому 1 см3 металла содержит порядка 1022 свободных электронов, тогда как образец чистого германия 1 см3 при 20 ° С содержит около 4,2 × 1022 атомов, но только 2,5 × 1013 свободных электронов и 2,5 × 1013 дырок. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает еще 1017 свободных электронов в том же объеме, а электропроводность увеличивается в 10 000 раз.

Материалы, выбранные в качестве подходящих легирующих примесей, зависят от атомных свойств как легирующей примеси, так и материала, подлежащего легированию. Как правило, присадки, которые производят желаемые контролируемые изменения, классифицируются как акцепторы электронов или доноры. Полупроводники, легированные донорскими примесями, называются n-типом, а те, которые легированы акцепторными примесями, известны как p-тип. Обозначения типа n и p указывают, какой носитель заряда выступает в качестве основного носителя материала. Противоположный носитель называется неосновным носителем, который существует из-за теплового возбуждения при гораздо меньшей концентрации по сравнению с основным носителем.

Например, чистый полупроводниковый кремний имеет четыре валентных электрона, связывающих каждый атом кремния со своими соседями. В кремнии наиболее распространенными присадками являются элементы группы III и группы V. Элементы группы III содержат три валентных электрона, заставляя их функционировать как акцепторы при использовании для легирования кремния. Когда акцепторный атом заменяет атом кремния в кристалле, создается вакантное состояние («дыра» электрона), которое может перемещаться вокруг решетки и функционировать как носитель заряда. Элементы группы V имеют пять валентных электронов, что позволяет им действовать как донор; замена этих атомов на кремний создает дополнительный свободный электрон. Поэтому кристалл кремния, легированный бором, создает полупроводник p-типа, тогда как один из легированных фосфором материалов приводит к образованию n-типа.

Во время производства присадки могут диффундировать в полупроводниковый корпус при контакте с газообразными соединениями желаемого элемента, или ионная имплантация может использоваться для точного позиционирования легированных областей.

Ранняя история полупроводников
История понимания полупроводников начинается с экспериментов по электрическим свойствам материалов. Свойства отрицательного температурного коэффициента сопротивления, выпрямления и светочувствительности наблюдались начиная с начала 19 века.

Томас Иоганн Зеебек первым заметил эффект, вызванный полупроводниками, в 1821 году. В 1833 году Майкл Фарадей сообщил, что сопротивление образцов сульфида серебра уменьшается, когда они нагреваются. Это противоречит поведению металлических веществ, таких как медь. В 1839 году Александр Эдмонд Беккерел сообщил об обнаружении напряжения между твердым и жидким электролитом при ударе света, фотогальваническим эффектом. В 1873 году Уиллоуби Смит заметил, что селеновые резисторы демонстрируют снижение сопротивления, когда на них падает свет. В 1874 году Карл Фердинанд Браун наблюдал проводимость и ректификацию в металлических сульфидах, хотя этот эффект был обнаружен намного раньше Питером Мунком и Розеншолдом (sv), который писал для Annalen der Physik und Chemie в 1835 году, и Артур Шустер обнаружил, что слой оксида меди на провода имеют ректификационные свойства, которые прекращаются при чистке проводов. Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс отмечали фотогальванический эффект в селене в 1876 году.

Единому объяснению этих явлений требовалась теория физики твердого тела, которая значительно развивалась в первой половине 20-го века. В 1878 году Эдвин Герберт Холл продемонстрировал отклонение плавных носителей заряда приложенным магнитным полем — эффектом Холла. Открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 г. побудило теории электроносной проводимости в твердых телах. Карл Baedeker, наблюдая эффект Холла с обратным знаком, что в металлах, предположил, что йодид меди имеет положительные носители заряда. Йохан Кенигсбергер классифицировал твердые материалы как металлы, изоляторы и «переменные проводники» в 1914 году, хотя его ученик Йозеф Вайс уже в 1910 году представил термин «Halbleiter» (полупроводник в современном значении) в диссертации. Феликс Блох опубликовал теорию движения электронов через атомную решетки в 1928 году. В 1930 году Б.Гудден заявил, что проводимость в полупроводниках обусловлена ​​незначительными концентрациями примесей. К 1931 году зонная теория проводимости была установлена ​​Аланом Херрисом Уилсоном, и была разработана концепция полосовых разрывов. Уолтер Х. Шоттки и Невилль Фрэнсис Мотт разработали модели потенциального барьера и характеристик соединения металл-полупроводник. К 1938 году Борис Давыдов разработал теорию медно-оксидного выпрямителя, идентифицируя влияние p-n-перехода и важность неосновных носителей и поверхностных состояний.

Согласование теоретических предсказаний (основанных на развитии квантовой механики) и экспериментальных результатов иногда было низким. Позднее это объяснил Джон Бардин из-за экстремального «структурно-чувствительного» поведения полупроводников, свойства которого резко меняются на основе крошечных количеств примесей. Коммерчески чистые материалы 1920-х годов, содержащие различные пропорции следовых загрязнителей, дали разные экспериментальные результаты. Это стимулировало разработку усовершенствованных технологий переработки материалов, кульминацией которых стали современные полупроводниковые нефтеперерабатывающие заводы, производящие материалы с чистотой деталей на триллион.

Приборы, основанные на полупроводниках, сначала были построены на основе эмпирических знаний, прежде чем теория полупроводников послужила руководством для построения более надежных и надежных устройств.

Александр Грэм Белл использовал светочувствительное свойство селена для передачи звука по лучу света в 1880 году. Рабочий солнечный элемент с низкой эффективностью был построен Чарльзом Фриттом в 1883 году с использованием металлической пластины, покрытой селеном, и тонким слоем золото; устройство стало коммерчески полезным в фотографических измерителях света в 1930-х годах. В 1904 году Джагадиш Чандра Бозе использовал выпрямители из СВЧ-детектора с точечным контактом, изготовленные из сульфида свинца; детектор кошачьего вискера с использованием естественной галениты или других материалов стал общим устройством в развитии радио. Тем не менее, это было несколько непредсказуемо в работе и требовало ручной регулировки для лучшей производительности. В 1906 году HJ Round наблюдал излучение света, когда электрический ток проходил через кристаллы карбида кремния, принцип светоизлучающего диода. Олег Лосев наблюдал аналогичное свечение в 1922 году, но в то время эффект не имел практического применения. Выпрямители мощности, использующие оксид меди и селен, были разработаны в 1920-х годах и стали коммерчески важными в качестве альтернативы вакуумным трубчатым выпрямителям.

В годы, предшествовавшие Второй мировой войне, инфракрасные устройства обнаружения и связи побудили исследовать материалы свинца-сульфида и свинца-селенида. Эти устройства использовались для обнаружения кораблей и самолетов, инфракрасных дальномеров и систем голосовой связи. Точечный контактный кристаллический детектор стал жизненно важным для микроволновых радиосистем, поскольку имеющиеся устройства вакуумной трубки не могли служить в качестве детекторов выше 4000 МГц; усовершенствованные радиолокационные системы полагались на быструю реакцию кристаллических детекторов. Во время войны произошли значительные исследования и разработки в области кремниевых материалов для разработки детекторов постоянного качества.

Детектор и выпрямители мощности не могли усилить сигнал. Много усилий было предпринято для создания твердотельного усилителя и были успешны в разработке устройства, называемого точечным контактным транзистором, который мог бы усиливать 20 дБ или более. В 1922 году Олег Лосев разработал двухконтактные, отрицательные усилители сопротивления для радио, и он погиб после блокады блокады Ленинграда. В 1926 году Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал устройство, напоминающее современный полевой транзистор, но это было непрактично. R. Hilsch и RW Pohl в 1938 году продемонстрировали твердотельный усилитель с использованием структуры, напоминающей контрольную сетку вакуумной трубки; хотя на устройстве отображается коэффициент усиления мощности, он имеет частоту отсечки одного цикла в секунду, слишком низкую для любых практических приложений, но эффективное применение имеющейся теории. В Bell Labs Уильям Шокли и А. Холден начали исследовать твердотельные усилители в 1938 году. Первое p-n-соединение в кремнии наблюдалось Расселом Олом в 1941 году, когда образец оказался светочувствительным, с резкой границей между примесью p-типа на одном конце и n-типом — с другой. Срезы, вырезанные из образца на границе p-n, развивали напряжение при воздействии света.

Во Франции во время войны Герберт Матаре наблюдал усиление между соседними точечными контактами на базе германия. После войны группа Mataré анонсировала свой усилитель Transistron только вскоре после того, как Bell Labs анонсировала «транзистор».