Глава 4. Физика и химия кремния

В сверхчистом (полупроводниковом) кремнии между высшими занятыми энергетическими уровнями (валентная зона) и низшими свободными (зона проводимости) существует запрещенная зона. Как схематично показано на рис.4 а, валентная зона полностью занята, зона проводимости свободна, уровень Ферми E_F (энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна 1/2) располагается приблизительно посередине между ними, и вещество при комнатной температуре является изолятором. Если кремний легирован элементом 15-й группы (Р, As или Sb), каждый атом легирующей добавки вносит «избыточный» электрон; эти электроны могут быть переведены в зону проводимости посредством термического возбуждения или за счет поглощения фотонов (рис.4 б): вещество является полупроводником n-типа с энергией активации ΔЕn (n обозначает носители отрицательного заряда, т.е. электроны). Напротив, легирование элементами 13-й группы (В, Аl или Ga) приводит к появлению акцепторных уровней, которые могут служить ловушками для возбужденных электронов из заполненной валентной зоны (рис.4 в): вещество является полупроводником р-типа, носителями заряда служат положительные дырки в валентной зоне.

Если полупроводник n-типа на основе Si соединить с полупроводником р-типа, то образующийся p-n-переход имеет общий уровень Ферми (рис.4 г): электроны начинают переходить от п- к р-образцу, а дырки в обратную сторону, и таким образом из-за пространственного разделения зарядов возникает разность потенциалов V₀. следовательно, р-п-переход может действовать как диод для выпрямления переменного тока, так как ток в одном направлении проходит легче, чем в другом. На практике большие p-n-переходы могут достигать 10 мм², в то время как в интегральных схемах их площадь не превышает 10 мм² (т.е. квадрат со стороной 10 мкм).

Транзистор, или n-p-n-переход состоит из двух частей n-полупроводника на основе Si, разделенных тонким слоем слабого р-полупроводника (рис.4 д). Если эмиттер смещен на небольшой потенциал в прямом направлении, а коллектор на больший потенциал в обратном направлении, это устройство работает как триод-усилитель. Соответствующая диаграмма энергетических уровней схематично показана на рис.4 е.

Промышленное производство мельчайших, устойчивых в работе транзисторов на основе монокристаллов — это триумф методов твердотельного химического синтеза. Последовательность стадий этого процесса показана на рис.5.

1. Маленькую пластинку монокристаллического кремния n-типа окисляют путем нагревания в О₂ или парах Н₂О, при этом на поверхности образуется тонкий слой SiO₂ (рис.5 а).

2. Этот оксидный слой покрывают фоточувствительной пленкой, называемой фоторезистом (рис.5 б).

3. На фоторезист помещают маску и подвергают его облучению ультрафиолетом, при этом облучению подвергается только открытая часть фоторезиста; облученный фоторезист затем удаляют действием кислоты, в результате остается требуемая часть прочного оксидного покрытия (рис.5 в).

4. Незащищенные участки Si подвергают травлению плавиковой кислотой (HF), оставшийся фоторезист также удаляется (рис. 5 г).

5. Поверхность обрабатывают парами элемента 13-й группы, примесные атомы диффундируют в незащищенные участки и образуют слой Si р-типа (рис. 5 д).

6. Стадии 1-5 повторяют с другой маской, и новые участки обрабатывают парами элемента 15-й группы, при этом образуется слой Si n-типа.

7. Наконец, поверхность подвергается повторному окислению с новой маской и затем повторному травлению, на образующиеся открытые участки осаждают металл, чтобы соединить п- и р-участки в интегральную схему.

Этим методом можно производить невероятно маленькие p-n-диоды и n-p-n-транзисторы. Например, в запоминающих устройствах компьютеров микрочип может хранить свыше 10⁵ бит информации.