8. Методы введения примесей

Для создания p-n-переходов может использоваться диффузионный метод введения легирующей примеси. В этом случае примесь в объем вводят либо из газовой фазы, либо из специально нанесенного покрытия, которым может служить, например, в случае кремния, оксидная пленка. Для получения тонких легированных слоев широко используется метод ионной имплантации, позволяющей вводить практически любую примесь и управлять ее концентрацией и профилем ее распределения. Итог Введение легирующих добавок может эффективно влиять на состояние ансамбля собственных точечных дефектов в кристаллах, на особенности поведения в них дислокаций и сопутствующих примесей, что в конечном итоге может привести к существенному расширению возможностей управляемого воздействия на свойства полупроводникового материала и структур на его основе. Так, легирование мелкими примесями управляемо регулирует тип проводимости и концентрацию носителей заряда в полупроводнике, что эффективно используется в полупроводниковом приборостроении. Существенные изменения свойств материалов наблюдаются при легировании нетрадиционными примесями, образующими глубокие уровни в запрещенной зоне_: что позволяет воздействовать на время жизни носителей заряда и регулировать степень компенсации электрически активных центров. Можно предположить, что в ближайшем будущем всё большее значение будут приобретать методы сложного легирования с использованием как традиционных, так и нетрадиционных легирующих примесей. 

Билет 7) Поликристаллический и амфотерный кремний. Особенности энергетического спектра.

Поликристаллический кремний («поликремний») — наиболее чистая форма промышленно производимого кремния — полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.

В настоящее время различают поликремний «электронного» (полупроводникового) качества (более дорогой и чистый) и поликремний «солнечного» качества (более дешёвый и содержащий больше примесей)

Поликристаллический кремний электронного качества преимущественно используется для получения цилиндрических кристаллов для электроники методами Чохральского ибестигельной зонной плавки. Поликристаллический кремний солнечного качества используется для получения прямоугольных мультикристаллических блоков, цилиндрических кристаллов, пластин для солнечной энергетики методами направленной кристаллизации, Степанова, Чохральского. Применяется в основном при изготовлении кристаллических и тонкопленочных фотопреобразователей на основе кремния, ЖК-экранов, подложек и технологических слоев интегральных схем. Большую часть сверхчистого поликремния получают измоносилана, ввиду того, что этот метод себя зарекомендовал как наиболее экономически целесообразный. Подробнее см. статью Кристаллический кремний

Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.

Изначально при промышленном производстве поликремния использовались хлорсиланы. На 2011 год технологии на основе трихлорсилана остаются доминирующими. Идущие на смену хлорсилановым, фторсилановые технологии считаются более дешёвыми, но менее экологичными.

Для восстановления кремния в технологиях, использующих трихлорсилан, в основном применяется Сименс-процесс: в протоке реакционной парогазовой смеси силанов и водорода на поверхности нагретых до 650—1300С кремниевых стержней (либо крошек в кипящем слое) происходит восстановление силана и осаждение свободного кремния. Температурный режим существенно зависит от особенностей конструкции реактора и технологии^[1]. За счёт высокой температуры стержней освобождающиеся атомы кремния сразу встраиваются в кристаллическую решётку образуя кристаллы дендритной структуры. Образующиеся в ходе реакции газообразные продукты уносятся протоком непрореагировавшей парогазовой смеси и после очистки и разделения могут быть использованы повторно.

Стадии получения поликремния в Сименс-процессе^[2]:

Синтез трихлорсилана методом низкотемпературного каталитического гидрирования четыреххлористого кремния:

3SiCl₄ + 2H₂ +Siмет. ↔ 4SiHCl₃

Четыреххлористый кремний преобразуется в трихлорсилан с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ, что снижает себестоимость и устраняет экологические проблемы:

2SiHCl₃ ↔ SiH₂Cl₂ + SiCl₄

2SiH₂Cl₂ ↔ SiH₃Cl + SiHCl₃

2SiH₃Cl ↔ SiH₄ + SiH₂Cl₂

SiH₄ ↔ Si + 2H₂

Выделяющийся при этом водород можно использовать многократно.

EPC Company Group предложила EPC-SCHMID технологию, основанную на диспропорционировании хлорсиланов, очистке и последующем пиролизе моносилана. По уверениям разработчиков^[3][4] по энергоёмкости и материалоёмкости технология выигрывает примерно по 30 % по сравнению с традиционным Сименс-процессом и обеспечивает выход годного продукта на уровне 80% при дополнительной очистке поликремния от бора.

Известны, но пока не получили широкого применения методы получения поликристаллического кремния через аморфную фазу методами гидролиза силанов а также восстановления силанов в плазме ВЧ и СВЧ разрядов в связи с легкой загрязняемостью и сложностью перевода аморфного кремния в кристаллическую фазу. Развиваются Сименс-технологии, например, с использованием белков, полимеров и т. п.

НАЙТИ АМОРФНЫЙ КРЕМНИЙ, ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА

Билет 8­) Арсенид галлия. Кристаллическая структура и химическая связь. Диаграмма фазовых равновесий.

Арсенид галлия имеет структуру кристалла сфалерита (цинковой обманки). Структура сфалерита может рассматриваться как комбинация двух вставленных одна в другую кубических гранецентрированных решеток, смещенных относительно друг друга на четверть диагонали куба и состоящих из одного сорта атомов каждая.

Химическая связь в полупроводниковых соединениях типа А^шВ^v по своей природе является промежуточной между ионной и ковалентной. В случае ковалентной связи каждый атом мышьяка должен отдать один электрон атома галлия для образования атомов с четырьмя валентными электронами. Чисто ионная связь требует, чтобы каждый атом галлия отдал три электрона атомам мышьяка с образованием ионов, удерживаемых в кристалле исключительно электростатическими силами. Нейтральная связь требует сохранения всеми атомами своих валентных электронов. Одним из критериев передачи заряда является общий заряд, связанный с каждым атомом.

Диаграмма плавкости (T - X) арсенида галлия представлена на рис.2.1 Более подробная кривая ликвидуса, характеризующая растворимость мышьяка в жидком галлии в зависимости от температуры, представлена на рис.2.3 При нагреве кристаллы арсенида галлия разлагаются на жидкий галлий и газообразный мышьяк (молекулы As₄). Очень медленный процесс диссоциации начинается примерно с 600° С. Образовавшаяся на поверхности кристалла пленка жидкого галлия находясь в контакте с твердым кристаллом GaAs и паровой фазой, стремится образовать раствор с мышьяком, состав которого при любой температуре определяется кривой ликвидуса рис.2.2 Если нагрев кристалла происходит в герметичной, равномерно нагретой ампуле, то между всеми тремя фазами устанавливается равновесие, для достижения которого происходит растворение кристалла в жидком галлии. При проведении всех технологических операций необходимо

знать температурную зависимость давления паров мышьяка над жидкими растворами галлий - мышьяк.

Экспериментальные определения давления паров мышьяка как над его растворами в галлии, так и над чистым соединением осложняются тем, что паровая фаза состоит не только из молекул As₄, но и из молекул As₂.

Рис. 1.1 Диаграмма плавкости (X - T) арсенида галлия.

Билет 9. Арсенид Галлия. Особенности зонной структуры. Типы точечных дефектов. Отклонение от стехиометрии.

Валентная зона в арсениде галлия состоит из зоны тяжелых дырок, зоны легких дырок и из зоны обусловленной спин-орбитальным взаимодействием.

Эффективная масса носителей заряда и их взаимодействие с решеткой определяют подвижность электронов и дырок. Связь в решетке арсенида галлия сильнее чем, в элементарных полупроводниках, поскольку, помимо ковалентной связи, в них наблюдается небольшая доля ионной связи. Это приводит к ослаблению взаимодействия между носителями заряда и решеткой и к росту подвижности. Однако высокая подвижность электронов в арсениде галлия в первую очередь обусловлена малым значением их эффективной массы в нижней зоне проводимости.

В нелегированном арсениде галлия GaAs могут присутствовать следующие типы собственных точечных дефектов: вакансии мышьяка и галлия — VАs, VGa; междоузельные атомы мышьяка и галлия As_i, Ga_i; антиструктурные дефекты – атом мышьяка в позиции галлия и атом галлия в позиции мышьяка – AsGa, GaAs. В чисто ионных соединениях антиструктурные дефекты практически не встречаются. Особенностью соединений является также образование твердых растворов вычитания при отклонении состава отстехиометрического.

Арсенид галлия имеет зонную структуру, обуславливающую возможность прямых межзонных переходов носителей заряда (прямозонный полупроводник), достаточно широкую запрещённую зону, высокую подвижность электронов. Разработаны технологии получения материала с хорошими изолирующими свойствами и высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра.

Билет 10) Изовалентные твердые растворы на основе полупроводниковых соединений А3В5 . Закономерности изменения свойств от состава.

Твердые растворы позволяют существенно расширить по сравнению с

элементарными полупроводниками и полупроводниковыми соединениями

набор электрофизических параметров, определяющих возможности

применения материалов в конкретных полупроводниковых приборах. Среди

алмазоподобных полупроводников, а том числе соединений типа А

III

В

V

,

распространены твердые растворы замещения. Необходимыми условиями

образования твердых растворов являются кристаллохимическое подобие

кристаллических решеток соединений-компонентов и близость их периодов

идентичности. Наиболее хорошо изучены тройные твердые растворы, в

которых замещение происходит лишь по узлам одной из подрешеток

бинарного соедннения (металлической или металлоидной). Состав таких

твердых растворов принято характеризовать символами АхВ1-хС и АСуD1-y,

где А и В обозначают элементы III группы, а С и D — элементы V группы. В

формуле АхВ1-хС индекс х определяет мольную долю соединения АВ в

твердом растворе. Если твердые растворы существуют во всем диапазоне

концентраций, то х может изменяться от 0 до 1. В тройных твердых

растворах имеет место статистически неупорядоченное распределение

атомов замещаемых компонентов по узлам соответствующей подрешетки. С

изменением состава твердого раствора наблюдается линейное изменение

периода кристаллической решетки. Эта закономерность известна в

кристаллoхимии как закон Вегарда. Она позволяет определять состав

твердого раствора по измерениям периода решетки с помощью дифракции

рентгеновских лучей.

Особый интерес к твердым растворам обусловлен возможностью

плавного управления шириной запрещенной зоны полупроводников путем

изменения их компонентного состава. Возможные варианты этих

зависимостей показаны на рис.35. Зависимость ширины запрещенной зоны

от состава в некоторых системах твердых растворов (GаxIn1-xАs; InРxАs1-у)

очень близка к линейной, но может и существенно отличаться от нее,

проявляя экстремум или излом при определенном соотношении между

компонентами. Конкретный характер зависимости во многом определяется

типом зонной структуры соединений-партнеров, т. е. положением их энергетических долин в пространстве квазиимпульсов (А-пространстве). В

Рис.35. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердых

растворов на основе соединений А

III

В

V

(Т=300 К): а – соединения-

партнеры имеют одинаковую зонную структуру; б - соединения-

партнеры имеют различную зонную структуру

частности, излом зависимости ΔЭ(х) наблюдается в тех системах твердых

растворов, в которых исходные бинарные соединения имеют зонные

структуры различных типов, т. е. различное расположение главных

энергетических минимумов зоны проводимости в k-пространстве.

Изменение ширины запрещенной зоны у твердых растворов со-

провождается соответствующим смещением спектров оптического

поглощения и пропускания, люминесценции и фоточувствительности. С

изменением состава твердого раствора изменяются значения диэлект-

рической проницаемости и показателя преломления, происходит смещение

примесных энергетических уровней. В ряде систем при определенном

соотношении между компонентами можно получить качественно новое

сочетание свойств. Так, в твердых растворах GаАs1-yРу и А1xGa1-xAs (с х и у

порядка 0.3 — 0.4) сочетаются достаточно широкая запрещенная зона

(ΔЭ > 1.7 эВ) с высоким квантовым выходом межзонной излучательной

рекомбинации. Такие материалы используют для создания эффективных

электролюминесцентных источников красного излучения (светодиодов и

лазеров). Твердые растворы GаxIn1-xР х = 0.5 — 0.7 обладают эффективной

люминесценцией в желто-зеленой области спектра.

Твердые растворы открывают широкие возможности создания

гетеропереходов и приборов на их основе. Под гетеропереходом понимают

контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Для получения гетеропереходов со свойствами идеального контакта

необходимо выполнить ряд условий совместимости материалов по механическим, кристаллохимическим и термическим свойствам. Решающим

критерием при выборе материалов контактной пары является соответствие

периодов их кристаллических решеток и температурных коэффициентов

линейного расширения. Если компоненты гетеропары обладают взаимной

растворимостью во всем интервале концентраций, то появляется уникальная

возможность создавать гетеропереходы между химическим соединением АС

и твердым раствором АхВ1-хС на его основе. Это обстоятельство позволяет

плавно изменять свойства материалов на контактной границе, что важно при

изготовлении ряда приборов оптоэлектроники и прежде всего — источников

и приемников излучения. Среди полупроводников типа А

П1

В

V

наилучшими

парами материалов для создания идеальных гетеропереходов являются

системы GаАs — АlxGа1-xАs и GаSb— АlxGа1-xSb. Преимущества указанных

гетеропар заключаются втом, что период решетки твердых растворов АlxGа1-

xАs и АlxGа1-xSb слабо зависит от состава и близок к периоду решеткй

бинарного соединения (соответственно GаАs и GaSb).

Билет 11) Соединения А2В6. Структуры КТР. Основные применения в электронной технике.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ТИПА A

II

B

VI

Строение и химическая связь. К соединениям типа А

II

В

VI

относят

халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды,

селениды и теллуриды. В эту группу не входят окислы указанных металлов.

Являясь алмазоподобными полупроводниками, соединения типа А

II

В

VI

кристаллизуются в структуре цинковой обманки кубического (сфалерит) или

гексагонального (вюрцит) типа, Химическая связь носит смешанный

ковалентно-ионный характер. По сравнению с полупроводниками типа А

III

В

V

в халькогенидах сильнее выражена ионная составляющая связи, что

обусловлено большими различиями в электроотрицательностях элементов,

образующих соединение. Это находит свое отражение в свойствах

соединений, которые систематизированы в табл.5.

Как видно из табл.5, с ростом средней атомной массы во всех трех

гомологичных рядах закономерно уменьшаются ширина запрещенной зоны и

температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность

носителей заряда. Из-за увеличения межатомных расстояний прочность

химических связей падает при переходе от сульфидов к селенидам и далее —

к теллуридам. Теллурид ртути при всех температурах проявляет свойства

полуметаллов.

Большая доля ионной связи в соединениях А

II

В

VI

по сравнению с

полупроводниками А

III

В

V

приводит к большим значениям ширины

запрещенной зоны и заниженным подвижностям носителей заряда в рядах

изоэлектронных аналогов. Изоэлектронными аналогами называют вещества,

имеющие одинаковую кристаллическую структуру и одинаковый

суммарный заряд ядра двух атомов-партнеров. Например, изоэлектронными

аналогами являются Gе, GаАs, ZnSе, а также Sn, InSb, СdТе.

Поведение примесей в соединениях типа А

II

В

VI

в основном под-

чиняется тем же закономерностям, что и в полупроводниках типа А

III

В

V

, т. е.

примеси замещения, имеющие валентность меньшую валентности

вытесняемых атомов, играют роль акцепторов, а примеси с более высокой

валентностью являются донорами. Состояние примесных атомов более

устойчиво, если их вхождение в решетку не сопровождается образованием

больших локальных зарядов. Например, примесные атомы элементов I

группы (Сu, Аg, Аu), замещая Zn или Сd в кристаллической решетке

полупроводника, проявляют акцепторные свойства. При этом, как правило,

они образуют глубокие энергетические уровни. Атомы элементов III группы

(А1, Gа, In), также замещающие катионы, ведут себя как доноры с малыми

энергиями ионизации. Соответственно акцепторные и донорные свойства

проявляют элементы V и VII групп Периодической таблицы, замещающие в

решетке А

II

В

VI

атомы халькогенов.

Важная особенность полупроводников типа А

II

В

VI

состоит в том, что

многие из них проявляют электропроводность лишь одного типа независимо

от условий получения и характера легирования кристаллов. Так, сульфиды и

селениды цинка, кадмия и ртути всегда являются полупроводниками n-типа.

В отличие от них теллурид цинка обладает только дырочной электропроводностью. И лишь СdТе и НgТе могут иметь электропроводность

как n-, так и p-типа, в зависимости от условий изготовления и типа

легирующих примесей. Отсутствие инверсии типа электропроводности

существенно ограничивает возможности практического использования

полупроводников типа А

II

В

VI

.

Проводимость соединений типа А

II

В

VI

может быть значительно (на

несколько порядков) изменена путем термообработки в парах собственных

компонентов. Например, удельная проводимость сульфида кадмия при

термообработке в парах серы может измениться на 10 порядков. Столь

сильное изменение электрических свойств обусловлено нарушениями

стехиометрического состава соединения. Поскольку полупроводники типа

А

П

В

МШ

характеризуются значительной долей ионной связи, нестехиоме-

трические дефекты ведут себя как электрически активные центры, в част-

ности, вакансии в металлоидной подрешетке играют роль доноров, а

вакансии в подрешетке металла ведут себя подобно акцепторам.

Применение. Из всех соединений типа А

II

В

VI

по масштабам

применения выделяются сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS.

Первый является основой для многих промышленных люминофоров, а

второй широко используется для изготовления фоторезисторов, обладающих

высокой чувствительностью в видимой области спектра. До сих пор

люминофоры из ZnS превосходят другие материалы по внутреннему

квантовому выходу. В зависимости от условий синтеза ZnS кристаллизуется

в двух модификациях — высокотемпературной гексагональной и

низкотемпературной кубической. Точка фазового перехода лежит вблизи

1020°С. Предпочтение отдают люминофорам с кубической структурой ввиду

повышенной яркости свечения. Однако практически почти всегда в

сульфидных люминофорах имеется смесь обеих модификаций. Важной

особенностью сульфида цинка является то, что он образует непрерывный ряд

твердых растворов с CdS, CdSе, ZnSе. При этом добавка CdS стабилизирует

гексагональную модификацию, а добавка ZnSе — кубическую.

Недостатком электролюминесцентных устройств на основе сульфида

цинка является относительно высокая скорость деградации приборов

(ухудшения их свойств), обусловленная усилением ионного характера

химической связи, стимулирующим процессы электролиза.

Примеси могут играть существенную роль и в механизме собственной

фотопроводимости полупроводников А

II

В

VI

поскольку от их природы и

концентрации зависит время жизни неравновесных носителей заряда, а оно, в

свою очередь, определяет фоточувствительность и скорость фотоответа. При

этом важен не столько донорный или акцепторный характер примесных

атомов, сколько принадлежность их центрам рекомбинации или ловушкам

захвата. Введением специальных примесей, так называемых центров сенси-

билизации, можно существенно повысить чувствительность собственных

фоторезисторов.

В сульфиде кадмия очувствляющими центрами являются скомпенси-

рованные (т.е. ионизированные) акцепторы, в качестве которых могут выступать вакансии кадмия. Концентрация последних возрастает при

легировании донорами. Соответственно возрастает и собственная

фотопроводимость. Высокой фоточувствительностью обладают также

образцы сульфида кадмия, легированного медью. При сильном легировании

медью доминирующую роль начинает играть примесная фотопроводимость,

что находит отражение в смещении спектральной характеристики (рис.36).

Рис.36. Спектральные характеристики фоторезистивных материалов

Помимо сульфида кадмия для изготовления фоторезисторов, чувст-

вительных к видимому излучению, используют пленки и спеченные

порошкообразные соли CdSе.

Узкозонные полупроводники типа А

II

В

VI

представляют интерес для

создания приемников далекого ИК-излучения. Особое внимание привлекают

твердые растворы CdxHg1-xТе, спектр фоточувствительности которых

перекрывает атмосферное «окно прозрачности» в области 8—14 мкм.

Пленки из селенида и теллурида ртути, благодаря высокой подвижности

электронов, применяют для изготовления высокочувствительных датчиков

Холла. Высокая эффективность излучательной рекомбинации в

полупроводниках типа А

II

В

VI

позволяет использовать монокристаллы этих

соединений в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров,

возбуждаемых электронным пучком.

Билет 12) Основные применения кремния в технике : п-н переход, биполярный транзистор,вентильный фотоэффект, солнечные батареи.

Применение кремния. Кремний является базовым материалом приРис.31. Изоляция элементов интегральной микросхемы с помощью

поликристаллического кремния: 1 – исходная монокристаллическая

подложка; 2 – поликристаллический слой

изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем. Освоение

планарной технологии кремниевых приборов вызвало качественный скачок

в полупроводниковом производстве. Полупроводниковые интегральные

микросхемы, отличающиеся очень малыми размерами и сложной

конфигурацией активных областей, нашли особенно широкое применение в

приемно-усилительной аппаратуре и вычислительной технике.

Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектороники, в

общем объеме выпуска полупроводниковых изделий значительную долю

составляют кремниевые дискретные приборы. Из кремния изготавливают

выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, низкочастотные и

высокочастотные, мощные и маломощные биполярные транзисторы,

полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью. Рабочие частоты

планарных транзисторов достигают 10 ГГц. Кремниевые выпрямительные

плоскостные диоды могут выдерживать обратные напряжения до 1500 В и

пропускать ток в прямом направлении до 1500 А, существенно превосходя

по этим параметрам германиевые диоды. Из кремния изготавливают

большинство стабилитронов и тиристоров. Кремниевые стабилитроны в

зависимости от степени легирования материала имеют напряжение

стабилизации от 3 до 400 В.

Широкое применение в технике нашли кремниевые фоточувстви-

тельные приборы, особенно фотодиоды, отличающиеся высоким быстро-

действием. Спектр фоточувствительности кремниевых фотодетектров

(0.3—1.1 мкм) хорошо согласуется со спектром излучения многих

полупроводниковых источников света. Кремниевые фотоэлементы, слу-

жащие для преобразования солнечной энергии в электрическую, получили

название солнечных батарей. Они используются в системах энергоснабжения космических аппаратов. Их коэффициент полезного

действия в большинстве случаев составляет 13—15%.

Подобно германию, кремний используется для изготовления детек-

торов ядерных излучений, датчиков Холла и тензодатчиков. В последних

используется сильная зависимость удельного сопротивления механических

деформаций. Благодаря тому, что кремний имеет более широкую

запрещенную зону, чем германий, кремниевые приборы могут работать при

более высоких температурах, чем германиевые. Верхний температурный

предел работы кремниевых приборов достигает 180—200°С.

Высокоомный поликристаллический кремний в сочетании с окисным

слоем из SiO2 используется для создания надежной диэлектрической

изоляции мeжду элементами интегральных микросхем. В структуре,

показанной на рис.31 отдельные области монокристаллического кремния

вкраплены в поликристаллическую основу и отделены друг от друга пленкой

окисла. Подобные планарные структуры формируют иа моно-

кристаллической подложке, которую впоследствии удаляют путем

сошлифовки.

Билет 13) Применение Арсенида галлия в свч микроэлектронике( диод Шоттки, полевой транзистор, с барьером Шоттки)

Диоды с барьером Шоттки широко используются в качестве детекторных и смесительных СВЧ диодов, вытесняя традиционные точечные диоды. При этом наилучшее сочетание параметров удается достигнуть при использовании арсенида галлия – материала, характеризующегося большей подвижностью основных носителей заряда по сравнению с кремнием. На рис. 6.3. показана структура СВЧ-диода Шоттки из арсенида галлия. Диоды Шоттки позволяют значительно уменьшить коэффициент шума. В них использован выпрямляющий контакт между полупроводником и металлом, в котором ток переносится основными носителями. Эти диоды обладают наименьшей способностью накопления неравновесных носителей заряда. Серийные образцы диодов Шоттки на частоте 50 ГГц, имеют уровень шумов и потерь менее 5 и 3,5 dB соответственно. Кроме того диоды Шоттки значительно более стойки к выгоранию, чем точечные приборы.

Успехи гибридной технологии (сочетание барьера Шоттки с p-n переходом ) позволили создавать мощные высокочастотные выпрямители, которые широко применяются в малогабаритных и интегральных “бестрансформаторных” источниках питания и солнечных батареях.

 Предельная частота СВЧ-диодов Шоттки доведена до 500 ГГц.

Рис. 6.3. СВЧ-диод с переходом Шоттки на арсениде галлия:

1— SiO2; 2 —омический контакт; 3 — полосковая линия из золота; 4 — n+GaAs;

5 — nGaAs; 6 —контакт перехода Шоттки

Подытоживая сказанное выше, перечислим основные преимущества барьера Шоттки по сравнению с р-п переходом:

1. Относительная простота варьирования высоты потенциального барьера без изменения свойств полупроводника за счет выбора соответствующего металла.

2. Высокая крутизна вольт-амперной характеристики (a≈1, тогда как для p-n переходов на кремнии типично a≈1,5), обусловливающая лучшие детектирующие свойства.

3. Малая инерционность как в детекторном режиме, так и в режиме переключения (на 1—2 порядка меньше, чем у самых «быстрых» легированных золотом кремниевых диодов с p-n переходом).

4. Малый уровень шумов (справедливо вплоть до f ≈∙1012 Гц, тогда как в случае p-n перехода частотная зависимость дробового шума определяется механизмом диффузии и рекомбинации неосновных носителей заряда).

5. Принципиальная возможность получения меньших (по сравнению с приборами с p-n переходами) значений последовательного электрического сопротивления и теплового сопротивления, так как металлический слой по этим свойствам превосходит любой сильно легированный слой полупроводника.

6. Резкое различие оптических свойств металла и полупроводника (значительно более резкое, чем в случае полупроводников n- и p-типов проводимости), позволяющее создавать ряд оригинальных фотоэлектрических приборов.

7. Технологическая простота, сочетающаяся с широтой возможностей (изготовление в однотипных процессах различных — выпрямляющих и омических — контактов).

8. Принципиальная совместимость методов изготовления контактов металл — полупроводник с технологией интегральных схем.

 

Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТ с барьером Шоттки (рис. 9.5). В таких транзисторах в высокоомной подложке 1, выполненной из GаAs, создан эпитаксиальный проводящий канал 2 n-типа. Через невыпрямляющие контакты, образованные n⁺- областями 3 и металлическими пленками 4 и 6, канал 2 подсоединен к выводам истока И и стока C. Между  истоком и стоком расположен затвор 5, у которого на границе с n-каналом образован барьер Шоттки. При подаче напряжения между стоком и истоком через n-канал протекает электронный ток. Отметим, что подвижные носители заряда в ПT     вводятся в n-канал и выводятся из него через невыпрямляющие контакты. Поэтому ПT относят к однополярным (униполярным) полупроводниковым приборам.

Затвор 5 используется в ПT для управления током транзистора с помощью внешнего сигнала. При протекании тока через канал возникает падение напряжения на распределенном сопротивлении канала вдоль его длины. Поэтому часть барьера Шоттки, расположенная ближе к стоку, оказывается сильнее смещенной в обратном направлении, чем остальная часть транзистора. Это приводит к несимметричному расширению слоя обедненного заряда 7 под затвором (на рис. 9.5 область 7 заштрихована). Область обедненного слоя может расширяться до высокоомной подложки 1 и перекрывать проводящий канал. При этом ток транзистора в цепи исток — сток практически перестает зависеть от напряжения стока; наступает режим насыщения тока исток — сток на рабочем участке характеристики транзистора. Характерные размеры БТ: ширина затвора 0,2—2 мм, длина затвора 0,5—2 мкм толщина эпитаксиальной пленки 0,15—0,5 мкм.

  

Рис.   9.5.   Структура  полевого   СВЧ-транзистора   с   затвором   Шоттки   (а), топологическая   схема   транзистора   гребенчатого   типа   (б)   и    транзистора с двумя выводами затвора (в):1-подложка;  2 - канал;  3 - области  n⁺ - вывода истока и стока;4 - исток;  5 - затвор;  6 - сток;  7  -обедненная область

___ Повышение обратного смещения на электроде затвора вызывает увеличение ширины обедненной  области и тем самым сужение n–канала. При этом возрастает сопротивление n-канала и уменьшается ток стока. Таким образом осуществляется модуляция электронного потока в n-канале с помощью внешнего управляющего напряжения.

В соответствии с общим определением граничной частоты транзистора f_гp как частоты, на которой коэффициент передачи входного тока равен единице. Тогда

                                                                                                                             (9.10)

где t_пр - время пролета электронов через канал.

Таким образом, граничная частота определяется временем пролета электронов в канале t_np, минимальное значение которого достигается при движении электронов со скоростью насыщения v_нас и равно

t_пр = L/v_нас.                                                                                                                           (9.11)

где L — длина канала; L = l₁ + l₂ +l₃ ;

Очевидно, что для получения высокочастотных приборов необходимо обеспечить малую  длину канала и большую дрейфовую скорость насыщения. Из этих условий вытекает ряд требований к материалу транзистора и к размерам его электродов. В качестве материала канала в ПT используют преимущественно арсенид галлия GаAs.   Это   объясняется тем,   что   подвижность   электронов   в   этом материале примерно в 6 раз выше, чем в кремнии.

Наибольшее применение полевые транзисторы на GаАs с барьером Шоттки нашли в малошумящих СВЧ усилителях. В диапазоне 4—20 ГГц они являются лучшими по шумовым и усилительным характеристикам, чем другие приборы того же назначения. Большой динамический диапазон и хорошие шумовые характеристики позволяют использовать их в смесителях. В последнее время наметилась тенденция к широкому внедрению полевых транзисторов с барьером Шоттки в усилителях, предназначенных для замены ламп бегущей волны и в параметрических усилителях.

В последнее время значительный интерес проявляется к охлаждаемым усилителям на полевых транзисторах из GаАs с барьером Шоттки. Так как шумы в этих приборах в основном имеют тепловую природу, то охлаждение приводит к существенному, уменьшению коэффициента шума. При этом, в отличие от биполярных транзисторов, коэффициент усиления увеличивается. Трехкаскадный усилитель для спутниковой связи США в диапазоне 11,7—12,2 ГГц имеет при комнатной температуре коэффициент шума 5,3 дБ, а коэффициент усиления 18 дБ. Охлаждение усилителя до 40 К снижает K_ш до 1,6дБ и увеличивает коэффициент усиления до 31 дБ, что сравнимо с параметрами неохлаждаемых параметрических усилителей.

Малошумящие усилители на полевых транзисторах из GаАs с барьером Шоттки по сравнению с параметрическими усилителями характеризуются простотой настройки, высоким постоянством усиления, большой мощностью насыщения.

Билет 14) Особенности зонной структуры арсенида галлия и их использование в приборах на эффекте Ганна

зонная структура гаас

Эффект Ганна может возникнуть в полупроводнике, в котором в зоне Бриллюэна имеется более одного минимума энергии. На рисунке показаны основной минимум, которым определяется ширина запрещённой зоны, и побочный минимум, смещённый на конечный волновой вектор от нуля зоны, имеющий большее расстояние до потолка валентной зоны, чем основной минимум, как например в GaAs, InAs. В полупроводниках, зона проводимости которых имеет более одного минимума энергии, электрон с волновым вектором   соответствующим одному из минимумов, при рассеянии может оказаться в состоянии с волновым вектором   принадлежащим другому минимуму. В результате такого рассеяния будет иметь место переброс электронов из одного минимума зоны проводимости в другой. Такой вид рассеяния получил название междолинного.

Рассмотрим энергетическую структуру GaAs n-типа в направлении [100]. Возможны переходы из минимума А с состоянием   в минимум Б с состоянием  . Минимумы А и Б разделены энергетическим интервалом {{{1}}}. Вблизи минимумов закон дисперсии можно представить в виде параболического с разной кривизной для долин А и Б. Отсюда, эффективные массы электронов в них также различны и равны   и   соответственно. Подвижность лёгких электронов   выше, чем подвижность тяжелых электронов   Плотность состояний в верхней долине примерно в 70 раз выше, чем в нижней.

При малых внешних полях электроны находятся в термодинамическом равновесии с решеткой и, поскольку при обычных температурах   электроны в основном занимают энергетические состояния вблизи минимума А. Плотность тока

определяется концентрацией лёгких электронов и их подвижностью. В этом случае концентрация электронов     Плотность тока будет линейно возрастать с ростом напряжённости поля до некоторого критического значения 

По мере возрастания   средняя энергия и скорость электронов повышается, и при   становится возможным переход электронов в долину Б. Тогда суммарная концентрация электронов будет   Таким образом, с ростом напряженности от   до некоторого значения   будет иметь место уменьшение подвижности электронов, а следовательно, уменьшение   и на вольт-амперной характеристике появится падающий участок. При дальнейшем росте   ( ) все электроны перейдут в минимум Б, и снова установится линейная ВАХ.