БСЭ. Большая Советская Энциклопедия (ПО)

⁶раз и более превышать ток в др. направлении), и способность к инжекции дырок в n-область (или электронов в р-область) при включении напряжения в направлении пропускания тока через р-n-переход. Свойства, близкие к свойствам р-n-перехода, имеет барьер Шотки, обладающий вентильными свойствами (односторонней проводимостью), но не обладающий способностью к инжекции. И р-n-переход, и барьер Шотки обладают электрической ёмкостью, изменяющейся по нелинейному закону с изменением напряжения. При превышении внешним обратным напряжением определённой величины в них развиваются явления пробоя. Сочетание двух р-n-переходов, расположенных близко в одном кристалле полупроводника, даёт транзисторный эффект: эффект управления током запертого перехода с помощью тока отпертого перехода. Три р-n-перехода в одном кристалле, разделяющие четыре области попеременно электронной и дырочной проводимости, образуют тиристор.Решающее значение для П. э. имеет транзисторный эффект: именно на его основе работают ПП приборы основного типа - транзисторы,которые определили коренные изменения в радиоэлектронной аппаратуре и ЭВМ и обеспечили широкое применение систем автоматического управления в технике.

  К физическим явлениям, которые в начале 70-х гг. 20 в. стали использовать в П. э., относится и акустоэлектрический эффект в диэлектрических и ПП материалах. На основе этого эффекта оказалось возможным создавать усилители электрических колебаний, активные электрические фильтры, линии задержки с усилением сигнала, что привело к появлению нового направления П. э. - акустоэлектроники.

  Одна из наиболее общих черт развития П. э. - тенденция к интеграции самых различных физических эффектов в одном кристалле. П. э. начинает смыкаться с электроникой диэлектрических материалов (см. Диэлектрическая электроника ) ,магнитных материалов и т.д., превращаясь постепенно в электронику твёрдого тела в самом широком смысле этого слова.

  ПП технология.Главные технологические задачи П. э. - получение полупроводниковых материалов (в основном монокристаллических) с требуемыми свойствами, реализация сложных ПП структур (прежде всего р-n-переходов) и разработка методов изготовления полупроводниковых приборов,в которых ПП слои сочетаются с диэлектрическими и металлическими. Образование р-n-переходов сводится к введению в полупроводник необходимого количества нужных примесей в строго определённых областях. В настоящее время (1975) распространены 3 способа получения р-n-переходов: сплавление, диффузия и ионное внедрение (имплантация).

  При сплавлении на поверхность пластины из полупроводника, обладающего одним типом проводимости (например, на n-Ge, богатый донорами ) ,помещают кусочек металла, проникновение атомов которого в полупроводник способно придавать ему проводимость др. типа (например, кусочек In, атомы которого служат в Ge акцепторами ) ,и нагревают пластину. Т. к. температура плавления In значительно ниже температуры плавления Ge, то In расплавляется, когда Ge ещё остаётся в твёрдом, кристаллическом состоянии. Ge растворяется в капельке расплавленного In до насыщения. При последующем охлаждении растворённый Ge начинает выделяться из расплава и кристаллизоваться вновь, восстанавливая растворившуюся часть кристалла. В процессе кристаллизации атомы Ge захватывают с собой атомы In. Образовавшийся слой Ge оказывается обогащенным In и приобретает проводимость дырочного типа. Т. о., на границе этого слоя и нерастворившейся части кристалла Ge образуется р-n-переход.

  При диффузии, например, из газовой фазы пластина полупроводника, обладающего, скажем, электронной проводимостью, помещается в пары вещества, придающего полупроводнику дырочный характер проводимости и находящегося при температуре на 10-30% ниже температуры плавления полупроводника. Атомы вещества-диффузанта, совершая хаотическое тепловое движение, бомбардируют открытую поверхность полупроводника и проникают в глубь его объёма. Максимальная концентрация их создаётся в приповерхностном слое. Этот слой приобретает дырочную проводимость. По мере удаления от поверхности концентрация акцепторов падает и в некотором сечении становится равной концентрации доноров. Это сечение будет соответствовать положению р-n-перехода. В слоях, расположенных более глубоко, преобладают доноры, и полупроводник остаётся электронным. Распространены также и др. методы диффузии: диффузия из тонких слоев диффузанта, нанесённых непосредственно на поверхность полупроводника, из стекловидных слоев, содержащих диффузант, в потоке инертного газа, смешанного с парами диффузанта, и т.д. В качестве диффузанта могут использоваться не только чистые доноры или акцепторы, но и их соединения. Метод диффузии - основной метод получения р-n-переходов.

  Ионное внедрение является одним из способов получения р-n-переходов, дополняющим и частично заменяющим диффузию ( рис. 1 ).

  Исключительно важную роль в развитии П. э. сыграло появление и быстрое распространение планарной технологии. Большое значение планарной технологии определяется тем, что она обеспечила: широкий переход к групповому методу изготовления ПП приборов (одновременно на одной ПП пластине изготовляется несколько тысяч приборов); существенное повышение точности и воспроизводимости конфигурации элементов приборов и связанное с этим повышение воспроизводимости электрических параметров; резкое уменьшение размеров элементов и зазоров между ними - до микронных и субмикронных - и создание на этой основе СВЧ усилительных и генераторных транзисторов ( рис. 2 ); реализацию т. н. полевых приборов, в том числе полевых транзисторов;возможность создания на одном ПП кристалле законченного электронного устройства - ПП интегральной схемы,включающей в себя необходимое число отдельных ПП приборов (диодов, транзисторов и др.), резисторов, конденсаторов и соединений между ними. Главное достоинство планарной технологии в том, что именно она сделала возможным интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, привела к исчезновению грани между изготовлением деталей и элементов электронной техники и изготовлением радиоэлектронной аппаратуры. Последовательные процессы изготовления ПП материалов, затем - ПП приборов и, наконец, устройств, ранее значительно разнесённые во времени и разобщённые в пространстве, оказались совмещенными в одном технологическом цикле.

  Особенности ПП производства.Большая сложность изделий П. э., их весьма высокая чувствительность к микроскопическим дозам загрязнений и невозможность исправления брака выдвигают исключительно высокие требования к качеству материалов, точности работы оборудования и условиям производства. Во многих случаях речь идёт о предельно достижимых (на современном уровне техники) требованиях, существенно превосходящих требования, выдвигаемые др. отраслями техники.

  Материалы П. э. должны иметь строго заданные состав и структуру, нередко - обладать исключительно высокими чистотой и совершенством структуры. Так, например, Ge высокой чистоты характеризуется содержанием неконтролируемых примесей < 10 ^-10.

  О требованиях к точности работы оборудования можно получить представление на примере оптико-механических установок. Для создания на поверхности пластины диаметром 30-80 ммсотен тыс. элементов различной формы и размеров применяют шаблоны, при помощи которых последовательно проводят несколько диффузионных процессов, наносят металлические плёнки и т.д. При изготовлении фотошаблонов и совмещении очередного шаблона с рисунком, ранее нанесённым на ПП пластину, точность работы оптико-механического оборудования должна составлять десятые доли мкм.Поэтому оптическая часть оборудования, разработанного специально для нужд П. э., характеризуется сверхвысокой разрешающей способностью, достигающей более 1000 линий на мм(у применяемых фотоматериалов она ещё выше - 1500 линий на мм) ,и не имеет аналогов в др. областях техники. Уменьшение размеров элемента до 1 мкми переход к субмикронным размерам создают значительные трудности, обусловленные главным образом явлением дифракции.Их преодоление - в переходе от световых лучей к электронным, которые могут быть сфокусированы до десятых и сотых долей мкм.В этом случае минимальный размер элемента будет определяться диаметром электронного луча. Механическая обработка ПП пластин должна осуществляться по 14-му классу чистоты обработки поверхности, с отклонениями от плоскости (плоскостностью), не превышающими 1 мкм.Особые требования выдвигаются также и по отношению к термическому оборудованию: точность установки и поддержания температуры на уровне 1000-1300 °С должна быть не хуже ± 0,5 °С.

  Очень жёсткие требования предъявляются к условиям производства изделий П. э. Газовая среда, в которой проходят некоторые, наиболее важные технологические процессы, должна подвергаться тщательной осушке и обеспыливанию. Содержание в ней влаги измеряется долями процента и оценивается по температуре газа, при которой наступает конденсация влаги (по точке росы). Если в цеховой атмосфере поддерживается т. н. комфортная влажность (соответствующая относительной влажности 50-60%), то в специальные боксы (скафандры), в которых осуществляется, например, сборка изделий ( рис. 3 ), подаётся воздух, азот или аргон, осушенный до точки росы, равной - (50-70) °С. Один из наиболее серьёзных врагов ПП производства - пыль. Одна пылинка размером в несколько мкм,попавшая на поверхность пластины в ходе процессов фотолитографии,почти всегда приводит к неисправимому браку. В зависимости от сложности изделия и некоторых др. требований запылённость воздуха на рабочем месте возле обрабатываемой ПП пластины должна составлять не более 4000 пылинок на м ³.Столь низкий уровень запылённости обеспечивается оборудованием внутри цехов т. н. чистых комнат, доступ в которые разрешается только ограниченному кругу лиц. Персонал, работающий в чистых комнатах, переодевается в специальную одежду и проходит к рабочему месту через герметичные шлюзы, где производится обдув одежды и удаление пыли. В чистых комнатах до 300 раз в час совершается полный обмен воздуха с пропусканием его через соответствующие фильтры. Совершенно обязательно соблюдение персоналом требований личной гигиены: регулярное и тщательное мытьё рук, ношение специальной одежды, перчаток, шапочек и косынок и т.д. Все эти меры являются совершенно необходимым условием для обеспечения высоких экономических показателей и качества выпускаемой продукции, в том числе надёжности изделий.

  Совершенствование радиоэлектронной аппаратуры(на базе достижений П. э.). Считается, что аппаратура на электронных лампах - это первое поколение электронной аппаратуры, на дискретных ПП приборах - второе поколение, на интегральных микросхемах - третье поколение. Появление плоскостных диодов и транзисторов дало возможность перейти к замене электровакуумных приборов полупроводниковыми. Это позволило в десятки раз уменьшить массу и габариты аппаратуры, понизить потребляемую ею мощность, повысить надёжность её работы. Практическим пределом миниатюризации электронной аппаратуры с помощью дискретных элементов стала микромодульная конструкция (см. Микромодуль ) .Дальнейшее уменьшение габаритов аппаратуры путём уменьшения размеров дискретных деталей и элементов привело бы к значительному росту трудоёмкости сборки и, что особенно опасно, к резкому снижению надёжности аппаратуры за счёт ошибок и недостаточно высокого качества соединений. Переход к интегральной микроэлектронике явился качественным скачком, открывшим возможность дальнейшего уменьшения габаритов и повышения надёжности электронного оборудования; появилась возможность включать в состав интегральной микросхемы различные электропреобразовательные приборы, приборы оптоэлектроники,акустоэлектроники и приборы др. классов.

  Новые принципы изготовления электронных устройств, развившиеся, с одной стороны, из техники печатного монтажа (гибридные интегральные микросхемы) и, с др. стороны, из техники группового изготовления многих элементов на одном кристалле (монолитные или ПП интегральные микросхемы), увеличили эквивалентную плотность упаковки элементов (транзисторов, диодов, резисторов) до нескольких тысяч и десятков тысяч элементов в см ².Так началась микроминиатюризация электронной аппаратуры. Интегральная микросхема потребовала решения задач схемотехники. П. э .в своём развитии вступила в фазу микроэлектроники.

 Развитие микроэлектроники характеризуется быстро нарастающим уровнем интеграции: от нескольких эквивалентных диодов и транзисторов в одном корпусе к изготовлению больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем. Число функциональных элементов в них может составлять несколько тысяч и даже несколько десятков тысяч ( рис. 4 ). Т. н. многокристальные СБИС могут объединять в одном корпусе несколько кристаллов БИС и дискретных бескорпусных диодов и транзисторов, образующих, например, всю электронную часть вычислительной машины, включая и электронную память. При создании таких сложных устройств электронной техники приходится решать уже не только схемотехнические задачи, но и задачи системотехники.Увеличение степени интеграции привело к реализации тех или иных свойств, присущих дискретным приборам, например усилительных (как у транзистора), выпрямляющих (как у диода), в объёмах кристалла, имеющих размер всего лишь несколько десятков или сотен межатомных расстояний. Намечается переход к использованию свойств, распределённых по объёму кристалла, т. е. переход от интеграции электронных приборов с функциями, сосредоточенными в каком-либо объёме, к интеграции функций, распределённых по всему объёму кристалла. Так зарождается четвёртое поколение электронной аппаратуры.

  Продукция П. э. Номенклатура ПП приборов исключительно широка, она насчитывает десятки тыс. типов приборов, в основном кремниевых. Мировая промышленность выпускает (1974) свыше 10 млрд. дискретных ПП приборов и более 1 млрд. интегральных микросхем в год. Развитие микроэлектроники не отразилось существенным образом на темпах роста выпуска дискретных ПП приборов; потребность в них, по-видимому, будет сохраняться ещё длительное время. Появление разнообразнейших ПП приборов позволило осуществить сложные, зачастую принципиально новые электронные устройства и создать самостоятельную отрасль электронной промышленности-промышленность, производящую дискретные ПП приборы и интегральные микросхемы.

  Выпускаемые промышленностью изделия П. э. характеризуются высокими эксплуатационными свойствами: они могут работать в диапазоне температур от -60 до +200 °С, выдерживать значительные механические и климатические нагрузки (вибрации, удары, постоянные ускорения, циклические изменения температуры, воздействие влаги и т.д.); они характеризуются интенсивностью отказов ~10 ^-6-10 ^-9отказа в час в реальных условиях эксплуатации.

  Перспективы развития. Развитие П. э. происходит в направлении быстрого возрастания степени интеграции, которая часто достигает 10-20 тыс. ПП приборов на одном кристалле (1975), а также в направлении повышения мощности и частоты электромагнитных колебаний, преобразуемых в одном ПП приборе (до сотен вти десятков Ггц) ,в том числе создания ПП генераторов и усилителей миллиметрового диапазона. Наряду с интеграцией большого числа сходных приборов развивается также интеграция в одной микросхеме приборов, использующих различные физические принципы. При этом, помимо физических процессов в полупроводниках, используют процессы в диэлектриках, сверхпроводниках (например, Джозефсона эффект ) ,магнитных плёнках и т.д. ПП элементы, например холодные катоды с полупроводниковыми гетеропереходами,ПП аноды с p-n-переходом, в котором происходит умножение тока, матричные мишени видиконов,содержащие 0,5-1 млн. фотодиодов, проникают также в вакуумную электронику, позволяя существенно усовершенствовать некоторые типы электровакуумных приборов.

  Лит.:Иоффе А. Ф., физика полупроводников, [2 изд.], М. - Л., 1957; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, М., 1970; Интегральные схемы, пер. с англ., М., 1970; Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, М., 1973; Кремниевые планарные транзисторы, под ред. Я. А. Федотова, М., 1973.

  А. И. Шокин.

Рис. 4. Большая интегральная микросхема для электронных часов. В кристалле кремния с активной площадью около 3 мм ²создано 1438 n- и р-канальных полевых транзисторов, образующих посредством двухслойной системы связей микро-ЭВМ, которая ведёт отсчёт текущего времени суток (секунд, минут, часов), дней недели, дат; расходуемая мощность не более 10 мквт.

 Рис. 1. Универсальная ионнолучевая установка «Везувий-1» (СССР) с энергией ионов до 200 кэв, позволяющая осуществлять ионное легирование полупроводниковых материалов практически любыми примесями: 1 - пульт управления; 2 - источник и ускоритель ионов; 3 - магнитный сепаратор ионов; 4 - камера легирования.

Рис. 3. Участок цеха, в котором производится чистая сборка полупроводниковых приборов.

Рис. 2. Структура мощного СВЧ кремниевого транзистора, позволяющего получить мощность 5 втна частоте 2 Ггц(фотография; увеличено). Транзистор содержит 234 эмиттера с размерами 1,5ґ30 мкми 18 стабилизирующих резисторов; 18 алюминиевых проволочек соединяют кристалл прибора с выводами.

Полупроводниковые материалы

Полупроводнико'вые материа'лы, полупроводники,применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике используют главным образом кристаллические П. м. Большинство из них имеет кристаллическую структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры алмаза.

 Значительную роль в развитии полупроводниковой техники сыграл селен:селеновые выпрямители долгое время оставались основными полупроводниковыми приборами, получившими массовое применение.

  В начале 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые П. м. - кремний и германий.Обычно их изготовляют в виде массивных монокристаллов,легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10 ^-3-10 ⁴ омЧ смполучают преимущественно методом вытягивания из расплава (по Чохральскому), а легированные монокристаллы Ge с удельным сопротивлением 0,1-45 омЧ смполучают, кроме того, зонной плавкой.Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, Al, Ga, In) - дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов, транзисторов,интегральных микросхем и т.д.

  Большую группу П. м. составляют химические соединения типа A ^IIIB ^V(элементов III группы с элементами V группы) - арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb, AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Синтез и выращивание монокристаллов обычно производят в замкнутых сосудах из высокотемпературных химически инертных материалов, обладающих высокой прочностью, поскольку давление насыщенного пара над расплавом таких элементов, как Р и As, сравнительно велико. Примеси элементов II группы придают этим П. м., как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы - электронную. П. м. этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах, Ганна диодах, фотоэлектронных умножителях,в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн.

  П. м. типа A ⁱⁱB ^viиз которых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преимущественно с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих П. м. определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия ) .Использование П. м. этого типа связано главным образом с их оптическими свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в фоторезисторах, фотоэлементах,электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения (см. Модуляция света ) и т.д.

  К П. м. относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Te, и оксидные системы, например V ₂O ₅- P ₂O ₅- R _xO _y ,где R - металлы I - IV групп, х -число атомов металла и у -число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении.

Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов

Элемент, тип соедине- ния	Наиме- нование материа- ла	Ширина запрещенной зоны, эв	Подвижность носителей заряда, 300 K, см 2/(вЧ сек)	Кристал-лическая структура	Постоян- ная решётки,	Темпера- тура плавле- ния, °С	Упругость пара при темпера- туре плавле- ния, атм
при 300 К	при 0 К	элек- троны	дырки
Элемент	С (алмаз)	5,47	5,51	1800	1600	алмаз	3,56679	4027	10 -9
Ge	0,803	0,89	3900	1900	типа алмаза	5,65748	937
Si	1,12	1,16	1500	600	»	5,43086	1420	10 -6
a-Sn		~0,08			»	6,4892
IV-IV	a-SiC	3	3,1	400	50	типа сфалерита	4,358	3100
III-V	AISb	1,63	1,75	200	420	типа сфалерита	6,1355	1050	<0,02
BP	6				»	4,538	>1300	>24
GaN	3,5				типа вюртцита	3,186 (по оси a) 5,176 (по оси с)	>1700	>200
GaSb	0,67	0,80	4000	1400	типа сфалерита	6,0955	706	<4Ч10 -4
GaAs	1,43	1,52	8500	400	то же	5,6534	1239	1
GaP	2,24	2,40	110	75	»	5,4505	1467	35
InSb	0,16	0,26	78000	750	»	6,4788	525	<4Ч10 -5
InAs	0,33	0,46	33000	460	»	6,0585	943	0,33
InP	1,29	1,34	4600	150	»	5,8688	1060	25
II-VI	CdS	2,42	2,56	300	50	типа вюртцита	4,16 (по оси a) 6,756 (по оси с)	1750
CdSe	1,7	1,85	800		типа сфалерита	6,05	1258
ZnO	3,2		200		кубич.	4,58	1975
ZnS	3,6	3,7	165		типа вюртцита	3,82 (по оси a) 6,26 (по оси с)	1700
IV-VI	PbS	0,41	0,34	600	700	кубич.	5,935	1103
PbTe	0,32	0,24	6000	4000	то же	6,460	917

  П. м. в широких пределах изменяют свои свойства с изменением температуры, а также под влиянием электрических и магнитных полей, механических напряжений, облучения и др. воздействий. Этим пользуются для создания различного рода датчиков.

 П. м. характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик П. м., например ширина запрещенной зоны и эффективная масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации химических примесей и степени совершенства кристаллической решётки. Но многие параметры практически полностью определяются концентрацией и природой химических примесей и структурных дефектов. Некоторые физические свойства важнейших П. м. приведены в таблице.

  В электронных приборах П. м. используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических слоев (толщиной от долей мкмдо нескольких сотен мкм) ,нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки (см. Микроэлектроника ) .В таких устройствах П. м. должны обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств П. м. в пределах монокристалла или слоя, а также степень совершенства их кристаллической структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).

  В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству структуры П. м. технология их производства весьма сложна и требует высокой стабильности технологических режимов (постоянства температуры, расхода газовой смеси, продолжительности процесса и т.д.) и соблюдения специальных условий, в частности т. н. полупроводниковой чистоты аппаратуры и помещений (не более 4 пылинок размером свыше 0,5