svojstva silicijuma Poluprovodnička Z. Prijić predavanja Univerzitet u Nišu, Elektronski fakultet Katedra za mikroelektroniku

Transcript

1 svojstva Univerzitet u Nišu, Elektronski fakultet Katedra za mikroelektroniku Z. Prijić predavanja svojstva

2 Semiconductors svojstva Materijali čija se vrednost specifične električne i nalazi izme du izolatora i provodnika nazivaju se poluprovodnici. mogu biti hemijski elementi ili jedinjenja. Elementi pripadaju IV-oj grupi periodnog sistema, dok se jedinjenja tipično formiraju kao dvokomponentna, od elemenata iz III i V ili II i VI grupe, iako mogu biti i trokomponentna. Za sve poluprovodnike karakteristično je da im se specifična električna može povećati primenom tehnoloških postupaka kojima se modifikuje njihov hemijski sastav.

3 IIB 5 B Grupa IIIA IVA VA VIA Al Si P S svojstva Perioda Zn Ga Ge As Se Cd In Sn Sb Te Hg Tl Pb Bi

4 Poluprovodničke svojstva koje su napravljene na bazi poluprovodničkih materijala nazivaju se poluprovodničke (Semiconductor Devices). Iz ekonomskih i tehnoloških razloga za proizvodnju poluprovodničkih komponenata se najviše koristi silicijum (Si).

5 Atomska struktura Silicijum je, posle gvož da, drugi element po rasprostranjenosti u Zemljinoj kori i učestvuje u sastavu većine stena koje čine njenu površinu. Atom sastoji se od jezgra koje u sebi sadrži 14 protona i isto toliko neutrona, oko koga kruži 14 elektrona. Četiri elektrona koja su najudaljenija od jezgra predstavljaju valentne elektrone. Ovi elektroni učestvuju u stvaranju kovalentnih veza izme du atoma. Svaku vezu čini par elektrona, unutar koje po jedan elektron pripada po jednom od dva susedna atoma. Kovalentnih veza ima četiri, tako da se formiraju strukture u obliku tetraedra. svojstva

6 Simbolički prikaz me dusobne povezanosti atoma : atomi su predstavljeni sferama, a kovalentne veze cilindrima. svojstva

7 Kristalna rešetka svojstva Svaki atom povezan je sa četiri susedna atoma. Ovakav raspored atoma omogućava konstrukciju zamišljene kocke koja čini jediničnu ćeliju kristalne rešetke. Stranica kocke se naziva konstanta rešetke. Translacijom jedinične ćelije za konstantu rešetke duž prostornih osa (x, y i z) dobija se kristalna rešetka.

8 Kristalna rešetka svojstva

9 Tipovi svojstva U zavisnosti od uniformnosti kristalne rešetke, mogu se razlikovati tri tipa : monokristalni kristalna rešetka je uniformna na makroskopskom nivou; polikristalni kristalna rešetka je uniformna na mikroskopskom nivou; amorfni kristalna rešetka nije uniformna. Sva tri tipa se koriste u proizvodnji poluprovodničkih komponenata. Na dalje će se razmatranja odnositi samo na monokristalni silicijum.

10 Slobodni nosioci naelektrisanja svojstva Osnovni uslov za električnu bilo kog materijala predstavlja postojanje slobodnih nosilaca naelektrisanja u tom materijalu. Teorijski posmatrano, na temperaturi apsolutne nule svi elektroni učestvuju u kovalentnim vezama, pa se silicijum ponaša kao izolator. Porast temperature izaziva vibracije atoma unutar kristalne rešetke, što deluje kao pobuda koja omogućava pojedinim elektronima da raskinu kovalentnu vezu i oslobode se od matičnog atoma. Na taj način oni postaju slobodni nosioci naelektrisanja.

11 Elektroni i šupljine, koncentracija nosilaca, termička ravnoteža Kada se elektron oslobodi od matičnog atoma, on za sobom ostavlja šupljinu (hole) koja se, u električnom smislu, može posmatrati kao pozitivno naelektrisanje po apsolutnoj vrednosti jednako naelektrisanju elektrona. Uobičajeno je da se broj slobodnih nosilaca naelektrisanja izražava po jedinici zapremine (cm 3 ) pa se tako uvodi pojam koncentracija nosilaca. Termička ravnoteža je stanje u kome na poluprovodnik ne deluje nikakva spoljašnja pobuda (električno i magnetno polje, gradijent temperature, itd.). svojstva

12 Kretanje šupljina svojstva Atom teži da upotpuni nepotpunu kovalentnu vezu (predstavljenu šupljinom). Zbog toga oni izvlači elektron iz kovalentne veze nekog od susednih atoma, pomoću koga popunjava šupljinu. Na mestu izvučenog elektrona susednog atoma ostaje nova šupljina. Nova šupljina se popunjava na ekvivalentan način. Kretanje šupljina kroz kristal je prividno, jer se u stvari kreću elektroni koji ih popunjavaju (ostavljajući pri tome za sobom nove šupljine).

13 Kretanje šupljina svojstva

14 Koncentracija sopstvenih nosilaca (Intrinsic Carrier Concentration) U hemijski čistom (intrinsic) silicijumu, u termičkoj ravnoteži, koncentracija slobodnih elektrona n 0 jednaka je koncentraciji šupljina p 0 : n i = n 0 = p 0 (cm 3 ). (1) n 0 p 0 = n 2 i (2) Na sobnoj temperaturi T= 300K koncentracija sopstvenih nosilaca je n i = cm 3. Zbog toga silicijum poseduje specifičnu električnu na sobnoj temperaturi i ona iznosiσ Ω 1 cm 1. Ova vrednost specifične i je za više redova veličine manja u odnosu na i metala, pa se silicijum svrstava u poluprovodnike. svojstva

15 Zavisnost koncentracije sopstvenih nosilaca u silicijumu od temperature n i (cm -3 ) T(K) svojstva

16 Energetske zone, valentna zona Svaki elektron unutar materijala poseduje odre denu diskretnu vrednost energije koja se naziva energetski nivo. Skup po vrednosti bliskih može se predstaviti kao područje koje se naziva energetska zona. Skup energija valentnih elektrona (onih koji učestvuju u stvaranju kovalentnih veza izme du atoma) odre duje područje valentne zone (valence band), a maksimalna vrednost energije koju neki od njih može imati odre duje energiju vrha valentne zone E v. Teorijski posmatrano, na temperaturi apsolutne nule svi valentni elektroni imaju energije koje se nalaze u opsegu energija valentne zone. svojstva

17 Pojednostavljeni model energetskih zona u silicijumu. svojstva E provodna zona zabranjena zona valentna zona E g E c E v

18 Provodna i zabranjena zona Da bi elektron postao slobodan potrebna mu je dodatna energija čiji izvor može biti temperatura ili neka druga vrsta pobude. Skup energija slobodnih elektrona čini područje provodne zone (conduction band), a minimalna vrednost energije koju neki od njih može da ima odre duje energiju dna provodne zone E c. Minimalna energija koju je potrebno dodati elektronu da bi prešao iz valentne u provodnu zonu jednaka je razlici dna provodne i vrha valentne zone. Ovim se definiše zabranjena zona (bandgap) energetske širine E g : E g = E C E V. (3) svojstva

19 Zavisnost širine zabranjene zone od temperature E g (ev) T (K) Sa porastom temperature smanjuje se energija koju je potrebno dodati elektronu da bi prešao iz valentne u provodnu zonu koncentracija sopstvenih nosilaca raste. svojstva

20 Generacija i rekombinacija Proces osloba danja elektrona iz kovalentnih veza i prelazak iz valentne u provodnu zonu naziva se generacija slobodnih nosilaca naelektrisanja. Na ovaj način, u električnom smislu, nastaje par elektron šupljina. Slobodni elektroni se nasumično kreću unutar kristalne rešetke i tom prilikom dolaze u blizinu šupljina. Tada bivaju privučeni od strane šupljina i ovaj proces se naziva rekombinacija. Rezultat rekombinacije je nestanak para elektron šupljina. U termičkoj ravnoteži su neto koncentracije elektrona i šupljina jednake i ne zavise od vremena, što je posledica činjenice da se procesi generacije i rekombinacije odvijaju istim brzinama. svojstva

21 Generacija i rekombinacija svojstva

22 Generacija i rekombinacija pod dejstvom spoljašnje pobude svojstva Parovi elektron šupljina mogu biti stvoreni i pod dejstvom spoljašnje pobude. Na primer, poluprovodnik može biti izložen elektromagnetnim talasima u vidu svetlosti tako da u njega prodiru fotoni energije hν koja je veća od energije E g. U tom slučaju upadni foton predaje svoju energiju elektronu i prebacuje ga iz valentne u provodnu zonu, čime se stvara par elektron šupljina. Tako nastaju natkoncentracije (excess) elektrona i šupljina. Neto koncentracije elektrona i šupljina su tada uvećane u odnosu na ravnotežne.

23 Silicijum n i p tipa svojstva se može povećati ugradnjom atoma drugih hemijskih elemenata u njegovu kristalnu rešetku. Atomi koji se ugra duju se nazivaju primesni atomi (impurities), a sam proces ugradnje se naziva dopiranje (doping). se može izvršiti tako da se poveća koncentracija slobodnih elektrona ili šupljina. U prvom slučaju se dopirani silicijum naziva silicijum n-tipa, a u drugom silicijum p-tipa.

24 Silicijum n tipa, donori Povećanje koncentracije slobodnih elektrona u silicijumu postiže se ugradnjom atoma iz V grupe periodnog sistema (npr. fosfora) u njegovu kristalnu rešetku. Ovi elementi imaju po 5 valentnih elektrona, od kojih 4 učestvuju u kovalentnim vezama sa susednim atomima. Peti valentni elektron se praktično može smatrati slobodnim. Svaki primesni atom dodaje po jedan slobodni elektron silicijumu pa se ovakvi atomi nazivaju donori. svojstva

25 Model kristalne rešetke sa donorskim primesama. donorski atom slobodni elektron svojstva

26 Silicijum p tipa, akceptori svojstva Povećanje koncentracije šupljina u silicijumu postiže se ugradnjom atoma iz III grupe periodnog sistema (npr. bora) u njegovu kristalnu rešetku. Ovi elementi imaju po 3 valentna elektrona i svi učestvuju u kovalentnim vezama sa susednim atomima. Jedna kovalentna veza, zbog nedostatka četvrtog elektrona, ostaje neformirana, pa se može smatrati da na tom mestu postoji šupljina. Svaki primesni atom oduzima po jedan elektron silicijumu pa se ovakvi atomi nazivaju akceptori.

27 Model kristalne rešetke sa akceptorskim primesama. akceptorski atom šupljina svojstva

28 Specifična električna otpornost svojstva

29 Većinski i manjinski nosioci naelektrisanja Specifična električna otpornost se može promeniti unošenjem primesnih atoma (donora ili akceptora). Silicijum n tipa ima višak elektrona. Elektroni su većinski, a šupljine manjinski nosioci naelektrisanja. Silicijum p tipa ima višak šupljina. Šupljine su većinski, a elektroni manjinski nosioci naelektrisanja. Treba primetiti da primesni atomi značajno utiču na povećanje koncentracije slobodnih nosilaca naelektrisanja u silicijumu u odnosu na koncentraciju sopstvenih nosilaca. Tipično, silicijum se dopira primesnim atomima u opsegu koncentracija cm 3. svojstva

30 Koncentracije većinskih i manjinskih nosilaca naelektrisanja u termodinamičkoj ravnoteži svojstva Ako je koncentracija primesnih atoma u silicijumu n tipa N D, onda je broj slobodnih elektrona n 0 N D : n 0 p 0 = N D p 0 = n 2 i (4) Ako je koncentracija primesnih atoma u silicijumu p tipa N A, onda je broj slobodnih šupljina p 0 N A : n 0 p 0 = n 0 N A = n 2 i (5)

31 Koncentracije većinskih i manjinskih nosilaca naelektrisanja u termodinamičkoj ravnoteži - primer Na T= 300K je n i cm 3. Ako je N D = cm 3, onda je broj šupljina: p 0 = n2 i N D = = cm 3 Ako je N A = cm 3, onda je broj elektrona: n 0 = n2 i N A = = cm 3 svojstva

32 Dejstvo spoljašnjeg napona Pod dejstvom spoljašnjeg napona, unutar se uspostavlja električno polje, koje stvara usmereno kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanja. svojstva Kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanja unutar pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja naziva se drift (drift).

33 Driftovske brzine elektrona i šupljina, pokretljivost Unutra elektroni i šupljine se, pod dejstvom električnog polja E, kreću driftovskim brzinama: v dn = µ n E, (6) v dp =µ p E. (7) Veličineµ n iµ p predstavljaju pokretljivost (mobility) elektrona i šupljina, respektivno. Jedinica za pokretljivost je cm 2 V 1 s 1. Pokretljivost generalno opada sa porastom temperature i koncentracije primesa. Pokretljivost šupljina je, za istu koncentraciju primesa i temperaturu, tipično 2 3 puta manja od pokretljivosti elektrona! svojstva

34 Specifična električna otpornost i Omov zakon Specifična električna otpornost je: 1 ρ= q(µ n n+µ p p) (Ω cm), (8) pri čemu su n i p koncentracije slobodnih elektrona i šupljina, respektivno (q= C). Jačina struje kroz silicijum I je proporcionalna spoljašnjem naponu V: I S = 1 ρ V l, (9) pri čemu je S poprečni presek, a l dužina komada. svojstva

35 pn (ili p-n) Junction Dva komada koji su uniformno dopirani akceptorskim i donorskim primesama koncentracija N A i N D, respektivno. svojstva Neka je N A > N D.

36 Metalurški spoj (Metalurgical Junction) Silicijum p tipa i silicijum n tipa se spajaju. svojstva Zamišljena linija dodira predstavlja metalurški spoj.

37 negativni akceptorski joni p-oblast I Diff metalurški spoj I Drift x p 0 x n n-oblast pozitivni donorski joni svojstva osiromašena oblast Wd

38 Formiranje osiromašene oblasti Elektroni iz n-oblasti prelaze u p-oblast, ostavljajući za sobom pozitivno naelektrisane donorske jone. Unutar p-oblasti elektroni se rekombinuju sa šupljinama, tako da se formiraju negativno naelektrisani akceptorski joni (ovaj proces se električno može posmatrati kao da su šupljine prešle iz p-oblasti u n-oblast, ostavljajući za sobom negativno naelektrisane akceptorske jone). Joni su fiksirani unutar kristalne rešetke i električno predstavljaju razdvojena naelektrisanja. Zbog toga se u okolini p-n formira električno polje. Električno polje je usmereno tako da se suprotstavlja daljem kretanju elektrona iz n-oblasti u p-oblast. svojstva

39 Difuzija, ugra deno polje Kretanje elektrona i šupljina na u nastaje usled gradijenta koncentracije (koncentracija elektrona je veća u n oblasti negou u p oblasti; koncentracija šupljina je veća u p oblasti nego u n oblasti) Kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanja usled postojanja gradijenta koncentracije naziva se difuzija (diffusion). Oblast u kojoj su ostali samo joni naziva se osiromašena oblast (depletion region), jer u njoj nema slobodnih nosilaca naelektrisanja. Električno polje na osiromašenoj oblasti naziva se ugra deno polje. svojstva

40 Difuzona i driftovska struja Kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanja usled postojanja gradijenta koncentracije stvara difuzionu struju I Diff. Unutar osiromašene oblasti dešava se termalna generacija slobodnih nosilaca naelektrisanja: unutar p oblasti generišu se elektroni; pod dejstvom ugra denog električnog polja oni prelaze u n oblast. unutar n oblasti generišu se šupljine; pod dejstvom ugra denog električnog polja one prelaze u p oblast. Kretanje termalno generisanih slobodnih nosilaca naelektrisanja usled postojanja ugra denog električnog polja stvara driftovsku struju I Drift. Sistem ulazi u termičku ravnotežu kada je: svojstva I Diff = I Drift

41 Ugra deni napon (Built in Voltage) Ugra deno električno polje stvara na osiromašenoj oblasti potencijalnu barijeru, koja se može izraziti kao napon: V bi = kt ND q ln N A ND N A n 2 = V t ln i n 2. (10) i Napon V bi naziva se ugra deni napon pn. Napon V t naziva se termički napon: V t = kt q, (11) pri čemu je k= J K 1 Bolcmanova konstanta. Na T= 300K je V t 26mV. svojstva

42 Širina osiromašene oblasti svojstva Osiromašena oblast nije simetrična u odnosu na metalurški spoj. Šira je na onoj strani na kojoj je koncentracija primesnih atoma manja. Ukupna širina osiromašene oblasti je: 2ǫ s 1 W d = + 1 V bi, (12) q N A N D gde jeǫ s =ǫ 0 ǫ Si = F cm 1 dielektrična konstanta (ǫ 0 = F cm 1 dielektrična konstanta vakuuma, aǫ Si = 11, 8 relativna dielektrična konstanta ).

43 Silicijumski supstrat svojstva Ingot Homogeno je dopiran primesama (npr. n tipa).

44 Oksidacija svojstva d ox SiO 2 n-supstrat Sloj silicijum dioksida (SiO 2 ) na supstratu.

45 Fotolitografija svojstva fotorezist ekspozicija fotomaska fotorezist SiO 2 n-supstrat SiO 2 n-supstrat Nanošenje fotorezista (levo) i maskiranje i ekspozicija (desno).

46 Fotolitografija fotorezist SiO 2 n-supstrat fotorezist SiO 2 n-supstrat svojstva Nagrizanje fotorezista (levo) i silicijum dioksida (desno).

47 Fotolitografija svojstva SiO 2 n-supstrat Struktura nakon završenog fotolitografskog postupka.

48 Jonska implantacija snop jona svojstva SiO 2 n-supstrat sloj implantiranih jona Proces ubacivanja primesa u obliku jona u silicijum.

49 Difuzija svojstva SiO 2 x j p-difuzija n-supstrat x 0,7x j p-n spoj Tokom procesa difuzije dolazi do redistribucije primesnih atoma koji su uneti jonskom implantacijom u dubinu supstrata.

50 Profil primesa na u Koncentracija primesa (cm -3 ) p n neto koncentracija fosfor (n-supstrat) bor (p-difuzija) svojstva x j 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 x (µm)

51 Metalizacija svojstva metal SiO 2 n-supstrat n + p-difuzija metal

52 Pasivizacija svojstva SiO 2 metal CVD oksid n-supstrat n + p-difuzija metal CVD Chemical Vapour Deposition.

53 Pločica (wafer) nakon procesiranja svojstva

54 Enkapsulacija svojstva

55 Sortiranje prema električnim karakteristikama. Obeležavanje. Grupno pakovanje. Na osnovu rezultata testova se sortiraju u podgrupe i obeležavaju na odgovarajući način, tipično sufiksom u nazivu (npr. bipolarni tranzistor BC547 se pojavljuje kao BC547A, BC547B i BC457C). Glavna razlika izme du podgrupa je u opsegu vrednosti pojedinih kritičnih električnih parametara. Što je opseg širi, to je veće rasipanje parametara (manufacturing spread) unutar jedne podgrupe, tj. komponenta je, uslovno rečeno, manje prihvatljiva za zahtevnije primene. Tipičan primer je klasifikacija mikroprocesora u računarskoj industriji. svojstva

56 Dodatna literatura svojstva Studenti se upućuju na rukopis pod naslovom: "Uvod u poluprovodničke i njihovu primenu". Mole se studenti prve godine da pročitaju Predgovor ovog rukopisa, u kome je naznačeno koji deo materijala se odnosi na predmet ELEKTRONSKE KOMPONENTE.