Первый билет
 Скачать 2.86 Mb.
|
Четвертый билет4.Концентрация носителей заряда в собственном и примесном полупроводнике. В собственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны (собственная концентрация ni).Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы п о л у п р о в о д н и к и с п р е о б л а д а н и е м с в о б о д н ы х э л е к т р о н о в (n – т и п ) и с преобладанием дырок (р – тип). Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью. Чтобы получить полупроводник n–типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы такой примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность. Например, в кремний (число валентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность5).Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами. Такие электроны легко становятся свободными, достигается преобладание свободных электронов[2].Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно на несколько порядков меньше. На рис изображена энергетическая диаграмма полупроводника n-типа  Донорная примесь порождает разрешённые уровни в запрещённой зоне, вблизи дна зоны проводимости. Электроны с таким уровнем энергии становятся свободными при приобретении очень небольшой дополнительной энергии, энергии активации Wакт. Поэтому активация примеси происходит уже при низких температурах, когда термогенерация подвижных носителей самим полупроводником незначительна. Зависимость концентрации свободных электронов n от температуры Т приобретает вид рис.8.  Участок 1 этой зависимости соответствует быстрому росту концентрации за счет активации примеси. Рост прекращается, когда будут активированы все атомы примеси (участок2).В области высоких температур рост возобновляется за счёт усиления термогенерации атомами самого полупроводника(участок3). На этом же рисунке показана экспоненциальная зависимость концентрации ni для собственного полупроводника. По сравнению с ним примесный полупроводник обладает большим достоинством – наличием обширного участка 2 с практически неизменной концентрацией и проводимостью в большом диапазоне температур T1 –T2. Выбирая концентрацию донорной примеси Nд при изготовлении можно получать желательные и стабильные параметры полупроводника в необходимом диапазоне температур. При этом обеспечивается соотношение  Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью 3,имеет меньшую, чем кремний, валентность, что приводит к дефициту валентных электронов. Достигается преобладание дырок. Появление акцепторных атомов приводит к появлению разрешённых уровней в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны  Эти уровни легко заполняются валентными электронами, для чего требуется небольшая дополнительная энергия активации Wакт. Температурная зависимость концентрации дырок такая же, как и у полупроводника n – типа На термостабильном участке выполняется аналогичное(10)соотношение  При утрате одного из пяти валентных электронов донорного атома он превращается в положительно заряженный ион. Суммарный заряд этого иона и порождённого донорным атомом свободного электрона равен нулю, полупроводник остаётся электрически нейтральным. Однако, если свободный электрон исчезнет, например в результате рекомбинации, заряд иона становится «заметным», электрическая нейтральность нарушается. Такие ионы называются нескомпенсированными ионами донорной примеси. Каждый такой ион, как и дырка, имеет заряд +q, однако в отличие от дырки является неподвижным зарядом. Чем больше таких ионов, тем сильнее создаваемое ими электрическое поле, которое влияет на процессы в полупроводнике. Аналогично, при захвате акцепторным атомом недостающего валентного электрона, он превращается в отрицательно заряженный ион. Возникшая при этом дырка уравновешивает заряд иона, однако, если дырка исчезает из окрестности иона, ион становится нескомпенсированным ионом акцепторной примеси с зарядом –q. Суммарное электрическое поле таких ионов также влияет на процессы в полупроводнике. Для определения собственной концентрации заданного полупроводника при заданной температуре :  где NC и NV –эффективные плотности уровней в зоне проводимости и валентной зоне, φЗ –ширина запрещенной зоны, φТ термический потенциал. 19.МДП транзистор с плавающим затвором.Арсенид-галлиевый полевой транзистор. Устройство МДП-транзистора с плавающим затвором изображено на рис.  В таком транзисторе есть два металлических слоя, выполняющих функцию двух затворов. На верхний, обычный затвор, может быть подано внешнее напряжение Uзи в виде короткого импульса, рис. 31. Возникает электрическое поле, которое заряжает внутренний, плавающий затвор. В зависимости от знака поданного Uзи, заряд плавающего затвора будет + Q или –Q. Этот заряд, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, проникающее в полупроводник. При +Q в полупроводнике возникает режим инверсии. Образуется n-канал, транзистор открыт. При отрицательном Uзи плавающий затвор приобретает заряд-Q. Канал исчезает (закрытое состояние). Главное свойство такого транзистора - заряд плавающего затвора не исчезает после отключения Uзи. Благодаря тому, что плавающий затвор со всех сторон окружён высококачественным диэлектриком, пути для тока разряда нет и заряд затвора сохраняется в течение нескольких лет. В течение этого же времени сохраняется открытое или закрытое состояние. Таким образом, МДП-транзистор с плавающим затвором обладает свойствами ячейки памяти, способной хранить 1бит информации. Запись открытого состояния (условно единицы) осуществляется подачей на затвор короткого положительного импульса, рис.31. Стирание прежнего заряда и переход в закрытое состояние (запись нуля)осуществляется подачей короткого отрицательного импульса. МДП-транзисторы с плавающим затвором и их разновидности получили исключительно широкое распространение в современной электронике. На их использовании, в частности, основывается работа флеш-памяти. 34. Диффузия примесей, эпитаксия, напыление.Диффузия примесей через окна в маске осуществляется диффузия примесей в полупроводник в необходимых местах. Для этого кремниевые пластины с будущими ИС помещают в так называемую диффузионную печь. В ней создается атмосфера, содержащая донорную или акцепторную примесь в газообразном состоянии при высокой температуре. Примесь проникает через окна в полупроводник и превращает его в полупроводник n- или p- типа. Концентрация примеси в полупроводнике тем больше, чем больше температура и время такой обработки. Вероятность проникновения атомов примеси вглубь полупроводника уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Существенным недостатком операции диффузии является формирование неоднородных слоёв с убывающей с глубиной концентрацией примеси. Эпитаксия Однородные слои примесного полупроводника, в которых концентрация примеси одинакова по всей толщине примесного слоя, позволяет получить операция «эпитаксия». Эпитаксия использует способность кристаллов расти, когда они захватывают, присоединяют к себе атомы такого же вещества из окружающей среды. Для этого кремниевую подложку помещают в атмосферу, содержащую газообразный атомарный кремний. Атомы кремния оседают на поверхности подложки в строгом порядке, повторяющем кристаллическую структуру подложки. Если в атмосферу газообразного кремния добавлена газообразная донорная или акцепторная примесь, наращенный слой будет полупроводником n- или p- типа. При неизменности условий эпитаксии будет неизменной и концентрация примеси во всем эпитаксиальном слое. Толщина эпитаксиального слоя, как и в случае диффузии примесей, тем больше, чем больше температура и время обработки подложки. Напыление При изготовлении ИС применяется также операция напыления самых различных веществ – металлов, диэлектриков, полупроводников. Для этого напыляемое вещество нагревается в вакууме до температуры испарения. Пары вещества, оседая на всех холодных поверхностях, например, на подложке, конденсируются, т.е. возвращаются в твёрдое состояние. Толщина напыленного слоя зависит, прежде всего, от длительности такой операции. С помощью напыления, в частности, создаются металлические плёнки, образующие контакты металл-полупроводник и проводники между элементами. 49. Ячейки памяти интегральных схем запоминающих устройствПростейшей возможностью записи информации в матричное ЗУ является изготовление в местах пересечений проводников пережигаемых перемычек, рис. 35. Они выполняются в виде предельно тонкого проводника, изготовленного напылением металла на поверхность подложки. При программировании (прошивке) такого ЗУ в соединительные цепочки подаётся ток, достаточный для теплового разрушения, пережигания перемычки. Если ток не подаётся, перемычка остаётся и обеспечивает соединение. Поскольку восстановить разрушенные перемычки нельзя, информацию в таком ЗУ обновить нельзя (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ). Информация в нём сохраняется независимо от подачи энергии, поэтому такое ПЗУ энергонезависимое. В перепрограммируемых ЗУ, в том числе в флеш памяти, роль «перемычки» выполняет МДП транзистор с плавающим затвором, способный сохранять открытое или закрытое состояние. В оперативных ЗУ (ОЗУ) процессы записи и считывания должны быть предельно быстрыми. Наибольшее быстродействие ОЗУ обеспечивается при использовании бистабильных ячеек. На рис. 36 показана схема простейшей бистабильной ячейки на n-канальных МДП транзисторах. Здесь Т1 и Т2 – основные транзисторы ячейки, Т3 и Т4 выполняют функцию МДП- резисторов. Т5 открывает доступ к ячейке. При управляющем напряжении Uупр больше порогового напряжения Т5 он открывается, что делает возможным режим считывания или записи. Когда Т5 закрыт, обеспечивается режим хранения.  Работа бистабильной ячейки основывается на использовании положительной обратной связи (ПОС). Пусть, например, в исходном состоянии Т1 закрыт, а Т2 открыт. При подаче через Т5 короткого положительного импульса (логической единицы) Т1 откроется, появившийся в нем ток создаст на Т3 значительное падение напряжения. В результате напряжение сток-исток Т1 резко упадёт. Это напряжение одновременно является напряжением затвор-исток Т2. Поэтому Т2 закроется, его напряжение сток-исток резко возрастёт. Большое напряжение на выходе ячейки означает, что в неё записана логическая единица. Как исходное, так и установившееся состояния являются абсолютно устойчивыми, чем обеспечивается хранение записанной информации. Изменить состояние можно будет только подачей в ячейку низкого напряжения (записью нуля). Благодаря ПОС процессы изменения состояния происходят очень быстро |