Мал полупроводник, да дорог

Вспомним, что каждый электрон располагается в атоме на своей оболочке, означающей разрешенный энергетический уровень. Чем ближе электрон к ядру, тем меньше его энергия. Электрон можно перевести на наружную энергетическую оболочку, сообщив ему квант энергии (например, облучив светом). Возбужденный электрон возвращается на прежнюю орбиту, и при этом атом излучает квант энергии.

При затвердении расплавленного алюминия или кремния происходит сближение громадного числа атомов - примерно 10²²-10²³ на 1 см³ вещества. Энергетические уровни изолированных атомов немного смещаются, и на низком уровне возникает энергетическая полоса (зона уровней). Внешняя зона валентных электронов называется валентной зоной. Снаружи ее находится незаполненный энергетический уровень, или зона проводимости.

Возможны два основных варианта взаимоотношения этих зон. В алюминии зона проводимости и валентная зона перекрывают друг друга. Электрон попадает в наружную зону без затраты энергии и свободно по ней перемещается. Таковы проводники электрического тока. В кремнии между валентной зоной и зоной проводимости имеется энергетический зазор. Для перемещения электрона в наружную зону необходимо сообщить ему квант энергии, равный энергетическому зазору. Так ведут себя полупроводники.

Алюминий проводит электрический ток при любой температуре. Кремний же при О К проводить не может. Однако, если его нагреть или облучить, отдельные электроны могут перескочить в зону проводимости. Их места в атоме кремния остаются незаполненными (они называются дырками). Легко сообразить, что дырка заряжена положительно, поскольку электрон отрицателен. В электрическом поле электрон движется в сторону положительного полюса, а дырка - в противоположном направлении. В кусочке кремния концентрация электронов n равна концентрации дырок р. Это понятно, так как с перескоком электронов в зону проводимости в валентной зоне остается ровно столько же положительных дырок.

Абсолютно чистых веществ в природе не бывает. Так и в кремнии всегда присутствуют следы других элементов. Возьмем, например, кремний со следами мышьяка. Атом мышьяка содержит на 1 электрон больше, чем атом кремния. При комнатной температуре мышьяк будет легко отдавать в зону проводимости лишний электрон. Подобные примесные полупроводники называются электронными и обозначаются буквой n, например: n-Si.

Следы примеси бора придают кремнию иные свойства, так как атом бора содержит на 1 электрон меньше. Теперь в валентной зоне полупроводника образуются положительные дырки. Такой полупроводник называется дырочным и обозначается буквой р, например: p-Si.

У братьев Стругацких есть веселая сказка "Понедельник начинается в субботу". В ней наряду с другими сказочными персонажами упомянуты демоны Максвелла. Вот как сами авторы объясняют этот термин: "Демон Максвелла - важный элемент мысленного эксперимента крупного английского физика Максвелла. Предназначался для нападения на второй принцип термодинамики. В мысленном эксперименте Максвелла демон располагается рядом с отверстием в переборке, разделяющей сосуд, наполненный движущимися молекулами. Работа демона состоит в том, чтобы выпускать из одной половины сосуда в другую быстрые молекулы и закрывать отверстие перед носом медленных. Идеальный демон способен таким образом без затраты труда создать очень высокую температуру в одной половине сосуда и очень низкую - в другой, осуществляя вечный двигатель второго рода".

Всем известно, что вечных двигателей быть не может, следовательно, нет и демонов Максвелла. Зато в полупроводниковой технике существует эффект Пельтье. Он работает ничуть не хуже демона. При нагревании полупроводниковых термопар с одной стороны и при охлаждении с другой в них возникает электрический ток. Это понятно. А что если пропустить через них постоянный ток? Тогда они с одной стороны нагреются, а с другой охладятся. Получится бытовой прибор, который одной своей стороной может согревать комнату, как радиатор, а с другой стороны в нем можно хранить продукты, как в холодильнике.

Зависимость электропроводности полупроводника от температуры применяется в приборах, названных термисторами. С их помощью можно определять температуру в куче зерна, в глубине почвы, в стеблях растений, в кровеносных сосудах, в отдельных участках ракетных двигателей. Чувствительность некоторых термисторов настолько велика, что они могут за несколько километров уловить тепловое излучение от горящей спички или "увидеть" за облаками самолет.

Пластинку кремния со следами мышьяка срастим с такой же пластинкой, содержащей микропримесь бора. Мы получили электронно-дырочный полупроводник. При его нагревании из электронного слоя в дырочный начнут перемещаться электроны, оставляя в атомах пустые места - дырки. В дырочном же слое вновь пришедшие электроны проваливаются в дырки, уменьшая их количество. Вблизи границы раздела с одной стороны получится избыток электронов, а с другой - избыток дырок. Другими словами, в дырочном слое у самой его границы возникнет ряд отрицательных зарядов, а в электронном - ряд положительных зарядов. Эти два ряда образуют запирающий слой, который не пропускает ни электроны, ни дырки (рис. 26, а).

Рис. 26. Схема работы полупроводникового выпрямителя (белые кружочки - электроны, сплошные кружочки - дырки)

Теперь подсоединим этот полупроводник к сети переменного тока, в котором электроны бегут то слева направо, то справа налево с частотой 50 Гц. В первом случае (рис. 26, б) направление электрического поля сети совпадает с направлением внутреннего поля в запирающем слое. Это расширит запирающий слой, и ток через прибор не потечет. Во втором случае (рис. 26, в) поля электросети и запирающего слоя будут направлены в разные стороны. Сильное поле сети переборет слабое поле запирающего слоя, и через прибор потечет ток. В этом и заключается принцип работы полупроводникового выпрямителя тока.

Роль полупроводниковых кристаллов весьма значительна. В 1948 г. американские ученые Д. Вардии, У. Браттейн и У. Шокли создали транзистор. Этот прибор способен усилить самый слабый электрический сигнал во много раз. В первых транзисторах и диодах рабочим элементом был германий. Вскоре ученые столкнулись с рядом трудностей, главная из которых заключалась в недолговечности устройства. Дело в том, что кристаллик германия никак не защищен от окружающей среды. Постоянные контакты с влагой и пылью приводят к изменениям характеристик транзистора. Это обстоятельство в ряде случаев не только затрудняет, но делает невозможным его использование. Ученые пытались разработать маскирующие покрытия, но ни одно из них не оказалось достаточно эффективным.

Роль палочки-выручалочки сыграл кристаллический кремний. Он обладает рядом уникальных свойств (температурная стабильность, прочность на разрыв и сжатие и др.) и сам защищает себя от внешних воздействий, покрываясь тончайшей пленкой кремнезема.

Технология получения полупроводниковых приборов на основе кремния довольно проста. Пластинку электронного полупроводника n-Si помещают в специальную печь. Здесь при температуре 1300-1500 К в токе кислорода образуется аморфная пленка кремнезема требуемой толщины (рис. 27, а). Например, при изготовлении больших интегральных схем (сокращенно - БИС) толщина прочной пленки не превышает 0,2 мкм.

Рис. 27. Технология изготовления полупроводникового прибора: 1 - оксид кремния; 2 - электронный полупроводник n-Si; 3 - дырочный полупроводник p-Si; 4 - металлический алюминий

Затем следует специальный фотографический процесс, именуемый фотолитографией. Цель его - создать в пленке кремнезема "окна" заданной конфигурации (рис. 27, б). Сквозь них в кристаллический кремний диффундирует бор, в результате чего образуется дырочный полупроводник p-Si (рис. 27, в). Далее для создания омических контактов на полупроводник методом термического распыления наносят металлический алюминий (рис. 27, г). Как видно из рис. 27, поверхность вблизи р-n перехода надежно защищена слоем оксида кремния, что способствует стабильной работе всего устройства.

На основе тонкопленочной технологии изготавливают активные элементы вычислительной техники и техники связи, производят БИС. Большая интегральная схема - это пластинка размером в несколько миллиметров, на поверхности которой размещены тысячи элементов: сопротивления, диоды, транзисторы, управляемые емкости и т. п. БИС быстродейственна, так как размеры ее элементов не превышают 10 мкм и расстояния между ними крайне малы. Поэтому основное ее назначение - вычислительная техника. Однако плотная упаковка БИС имеет и отрицательные стороны. Остро встает вопрос об изоляции одного активного элемента от другого, об устранении паразитных ионов внутри пластины. И опять на помощь ученым приходит аморфный кремнезем.

Вы уже заметили, что полупроводниковые транзисторы в основном состоят из металла, оксида и полупроводника. По первым буквам составных веществ их называют МОП-транзисторами. МОП-транзисторы и БИС на их основе широко распространены. На рис. 28 показан так называемый затвор транзистора. В нем толщина изолирующего слоя оксида кремния составляет всего 100 нм. Он нанесен в кварцевом реакторе при температуре 600-700 К в парах силана, кислорода и азота. Несмотря на тонину, пленка оксида полностью обеспечивает надежную работу транзистора.

Рис. 28. Затвор транзистора: 1 - электронный полупроводник n-Si; 2 - аморфный оксид кремния; 3 - металл

Отметим, что устойчивость характеристик МОП-структур определяется свойствами и условиями образования границ между оксидом и металлом, оксидом и полупроводником. Необходимость исследования взаимных реакций этих пленок привела к появлению нового раздела в физике твердого тела. Он называется физикой слоистых многофазных структур.

К сожалению, не всегда удается добиться высокой чистоты аморфного кремнезема. Из-за этого в пленке происходит образование кристаллов кварца и кристобалита, и она теряет защитные свойства. Несмотря на указанный недостаток, ученые не видят подходящей замены для кремния вплоть до 2000 г. Это означает, что вся вычислительная техника, микроэлектроника, системы преобразования солнечной энергии будут базироваться на кремнии и на его неразлучном спутнике - кремнеземе. В перспективе можно ожидать создание интегральных схем нового типа, объединяющих кремниевые цифровые схемы со схемами интегральной оптики на основе арсенида галлия. Это направление - одно из самых новых и перспективных в микроэлектронике. Вместе с тем оно подчеркивает непреходящее значение кремния в новейших областях науки.