1.3. Физические явления, используемые в интегральной микроэлектронике

Условно их можно разделить на две группы (рис. 1.4). Как видно из схемы, явления и процессы группы I не только определяют физические возможности реализации конкретной функции ИС, но и позволяют математически описать принципы работы ИС и их элементов. Что же касается группы II, то перечисленные методы определяют возможность технологической реализации ИС.

1. Туннельный эффект, эффект сильного поля

2. Эффект Ганна

3. Эффект Холла

4. Эффект Пельтье

5. Эффект Зеебека

6. Эффект Джозефсона

1. Перенос носителей заряда

2. Контактные явления

3. Электронные процессы на поверхности

4. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

5. Размерные эффекты

6. Физические явления в ферромагнитных плёнках

Рис. 1.4. Схема физических явлений, процессов и методов,

используемых в микроэлектронике

1.4. Процессы и явления, определяющие функционирование интегральных схем (ис)

Кинетические явления в общем случае характеризуют движение носителей заряда в полупроводниках, которое обусловлено двумя процессами: диффузией под действием градиента концентрации и дрейфом под действием градиента электрического потенциала. Поскольку в микроэлектронике используют примесные полупроводники с двумя типами носителей заряда – дырками, электронами, то полный ток J будет определяться выражением

J = (J_p)_диф + (J_p)_дрейф + (J_n)_диф + (J_n)_дрейф , (1.1)

где индексы n и р – электронные и дырочные составляющие тока.

Плотности дрейфовых составляющих тока пропорциональны градиенту электрического потенциала .

Поскольку - напряжённость электрического поля, то для одномерной модели

; ,

(1.2)

; ,

где q – заряд дырки или электрона; μ_р, μ_n – подвижности дырок и электронов; D_p, D_n – коэффициенты диффузии дырок и электронов, n и р – концентрации электронов и дырок.

Подвижность дырок и электронов зависит от температуры и концентраций примесей.

, (1.3)

где – температурный потенциал;k – константа Больцмана, Т – температура (например, при Т = 300 К, ≈ 0,026 В)

С учётом уравнений (1.1) и (1.2) получим уравнение плотности тока

. (1.4)

Концентрации p и n являются функциями двух переменных – координаты x и времени t: p(x,t) n(x,t).

Эти функции являются решениями уравнений непрерывности

(1.5)

где р₀ и n₀ - равновесные значения концентраций дырок и электронов, ;– избыточные концентрации;,– среднее время жизни носителей заряда.

1.5. Контактные явления в микроэлектронных структурах

Контактные явления в микроэлектронных структурах играют исключительно важную роль. Все электрические контакты можно разделить на:

• линейные (омические). Такие контакты имеют малое сопротивление, не искажают форму сигнала, имеют линейную вольт-амперную характеристику;

• нелинейные. Этот вид контактов имеет место, например, в процессах выпрямления, детектирования, генерирования частоты;

• инжектирующие (асимметричные). Данный вид контактов реализуется в биполярных транзисторах, где происходит инжекция неосновных носителей заряда в одном направлении.

В микроэлектронике наибольшее распространение получили следующие структуры контактов:

• металл-металл;

• металл-полупроводник;

• металл-диэлектрик;

• полупроводник-полупроводник;

• полупроводник-диэлектрик.

Контакты “металл-полупроводник” могут быть как омическими, так и нелинейными. Омические контакты “металл-полупроводник” широко применяют в активных и пассивных ИС полупроводникового типа, а также в активных элементах гибридных ИС. Обеспечение омического контакта, характеризуемого низким сопротивлением, зависит от соотношения работ выхода электронов из металла и полупроводника.

Тем не менее в микроэлектронике наиболее часто встречаются плавные несимметричные переходы p-n, для которых >> или >> .

Для таких переходов полная концентрация N(x) = N_d - N_a = ax , где a – градиент концентрации примеси; N_d – донорная примесь; N_a – акцепторная примесь; x – координата (или толщина материала).

Графически распределение примесей в области такого перехода можно изобразить следующим образом:

Для донорной и акцепторной примесей

Для разности концентраций донорной и акцепторной примесей

Рис. 1.5. Распределение донорных и акцепторных примесей

в области несимметричных переходов

В результате разности работ выхода электронов в n- и p- областях возникает диффузионный поток электронов и аналогичный поток дырок, направленный в противоположную сторону. Уход электронов и дырок из приконтактных областей создаёт область объёмного заряда, обусловленного неподвижными ионизированными атомами донорно-акцепторной примеси.

При этом концентрации неосновных носителей p_n и n_p по сравнению с равновесными значениями ибудут возрастать по закону:

, (1.6)

где U – подведённое внешнее напряжение к p-n-переходу.

Таким образом, имеем процесс нагнетания избыточных неосновных носителей заряда – инжекцию. Процесс же удаления неосновных носителей заряда есть экстракция.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода описывается следующим выражением:

^{, (1.7)}

где – плотность тока насыщения, аL_n и L_p – диффузионные длины электронов и дырок.

Из (1.7) следует, что в прямом направлении ток возрастает по экспоненциальному закону с повышением напряжения, а в обратном – стремится к току насыщения J_s, который не зависит от внешнего напряжения U.

В случае резкого асимметричного перехода (<<) плотность тока насыщения будет иметь следующий вид:

. (1.8)