Файл: Комов, А. Н. Физические основы микроэлектроники учеб. пособие.pdf

к — (постоянная Больцмана;

F — электрическое поле у контакта с металлом; В — постоянная Ричардсона.

Из уравнения видно, что характерной особенностью шоттковской эмиссии является ее сильная зависимость от температуры

Принципиальное отличие тока Шоттки от туннельного заключа­ ется в том. что шоттковский ток возникает в результате прохожде­ ния электронов над барьером, а не просачивания их сквозь барь­ ер, как для туннельного тока.

Выражение для эмиссионного шоттковского тока в случае струк­ туры с полупроводниковым слоем, толщина которого достаточна для формирования области пространственного заряда, фактически не меняется. Однако зависимость электрического поля у выпрямляю­ щего контакта от напряжения уже не такая простая, как в случае с диэлектриком. Показано, что для потенциального барьера Шот­

Ѵь — диффузионный потенциал. В свою очередь, d зависит от при­ ложенного напряжения смещения U:

2е (U + Ц„) qNd

где Na — концентрация ионизированных донорных примесей в по лупроводнике п-типа.

В результате получаем, что F ~ (U + UbV , а « (U+) Шь)1/*. Видно, что для достаточно больших U (U > > U b) ток через барь­ ер пропорционален И1!*.

С ростом температуры и толщины диэлектрического слоя значе­ ние шоттковской эмиссии увеличивается.

Токи в тонких диэлектрических слоях, ограниченные пространственными зарядами (ТОПЗ)

Проводимостью диэлектрического слоя, так же как и вакуумно-

. го промежутка, можно управлять посредством инжекции в него носителей заряда. Однако реальные диэлектрики существенно от­ личаются от вакуумных. В запрещенной зоне Диэлектрика могу г находиться электрические активные примесные уровни доноров, ак­ цепторов и многочисленные центры захвата (ловушки) свободных носителей тока.

При контакте диэлектрика с металлическим электродом, если контактный барьер достаточно мал, происходит инжекция носите­ лей тока из металла в диэлектрик, и при подаче внешнего напря­

153

жения в системе металл-диэлектрик-металл идет электрический токПри этом ток через диэлектрик переносится в основном инжек­ тированными из электродов носителями тока. Возможны два слу­ чая: 1 ) только один из электродов инжектирует носители тока (ка­ тод инжектирует электроны или же анод инжектирует дырки), при этом ток через Диэлектрик переносится носителями одного знака, 2 ) оба электрода инжектируют в ди^тектрик носители тока проти­ воположных знаков — двойная инжекция.

Вследствие существования в диэлектрике ловушек часть инжек­ тированных носителей тока захватываетсяЗахваченные носители не переносят тока, а создают лишь неподвижный пространствен­ ный заряд. Этот пространственный заряд определяет характер про­ текания токов через диэлектрик. Такие токи получили название токов, ограниченных пространственными зарядами (ТОПЗ).

Вольтамперную характеристику можно определить, зная кон­ центрацию ловушек, заполненных электронами, размеры диэлект­ рического слоя. При низких внешних напряжениях уравнение для вольтамперной характеристики имеет вид

где а, ß, Ѳ — постоянные,

d — размер диэлектрического слоя между металлическими электродами,

V — падение напряжения на диэлектрическом слое, ип — подвижность свободных носителей.

В случае двойной инжекции вольтамперная характеристика, описанная уравнением (Х-5) изменяет вид. Основными процессами, протекающими в этом случае являются взаимная нейтрализация пространственного заряда носителей разных знаков и рекомбина­ ция электронов и дырок. Если преобладает первый процесс, то вольтамперная характеристика для двойной инжекции носителей заряда практически описывается соотношением (Х-5). В том, слу­ чае, когда превалирует рекомбинация электронов и дырок, на вольтамперной характеристике появляется область отрицательного сопротивления-

На основе токов, ограниченных пространственными зарядами, в диэлектрических слоях, разрабатываются аналоговые твердотель­ ные приборы.

Проводимость по примесям в полупроводниках

В сильно легированных полупроводниках электрический ток мо­ жет переноситься вследствие туннельных переходов носителей тока между электрически активными локальными центрами. Этот про­ цесс играет важную роль при достаточно низких температурахДля этих температур концентрация носителей тока в зоне проводи­ мости и валентной зоне очень мала. В полупроводнике возникает

154

«прыжковая» проводимость, то есть для п-типа полупроводника электрон переходит с занятого донорного центра на свободный. Туннельный переход возможен, так как существует малое, но ко­ нечное перекрытие волновых функций электрона, находящегося на двух расположенных рядом локальных центрах. Этот процесс, про­ исходящий без перехода электрона в зону проводимости и называ­ ется проводимостью по примесям. Таким образом, для существова­ ния проводимости по примесям необходимо присутствие свободных локальных центров, а для этого необходима компенсация примесью другого типа. Действительно, в результате компенсации акцеп­ торной примесью полупроводника п-типа появляется некоторое ко­ личество свободных донорных уровней (электроны с них перешли на акцепторы) и становится возможной проводимость по примесям.

волновых функций электронов соседних центров становится велико ц появляется металлическая проводимость по примесям- В этой области концентраций уже не нужна компенсация как необходимое условие проводимости.

Экспериментально проводимость по примесям наблюдалась в области 2—10° К в таких полупроводниках: Ge, CdS, Si, p-InSb, n-InSb и некоторых других.

Явление проводимости по примесям может, вероятно, иметь мес­ то и в некоторых системах, представляющих интерес для микро­ электроникиНапример, для многих пленочных систем, особенно применяющихся для диэлектрических диодов, характерно присут­ ствие ловушек носителей тока в очень больших концентрациях.

Существуют условия, когда захваченные носители заряда созда­ дут ток посредством механизма «прыжковой» проводимости между центрами захвата. В этом случае компенсация не нужна. Необхо­ димым условием для прыжковой проводимости является наличие инжектированных носителей и достаточно глубокие ловушки с большой концентрацией.

Прохождение горячих электронов через тонкие металлические слои

При наложении сильного электрического поля на полупроводник наблюдается отступление от закона Ома, то есть нарушение линей­ ной зависимости тока от напряжения. В полупроводнике нарушает­ ся тепловое равновесие между электронами и решеткой. Темпера­ тура электронного газа в результате увеличения их скорости под действием электрического поля увеличивается, и происходит ра­ зогрев носителей тока. Это явление нашло применение в построе­

1$5

нии таких приборов, как триоды с металлической базой или пленоч­ ные эмиттеры горячих электронов. Энергетическая диаграмма та­ ких систем представлена на рис70.

и — уровень Ферми, q — заряд электрона, Пь П2 — 'полупроводник,

М — металл.

Рис. 70 Потенциальная энергия электрона в системе металл-диэлектрик-металл.

d—толщина пленки, ср—напряжение смещения.

На рис70 показана энергетическая диаграмма для модели, где в качестве контактных материалов используются полупроводники. Но, в принципе, можно использовать с одной или даже с обеих Сто­ рон тонкие пленки диэлектрика.

§ 4. Магнитные пленки

Тонкая магнитная пленка представляет собой слой ферромаг­ нитного материала толщиной порядка десятых долей микрона, на­ несенный на немагнитную подложку. Для всех ферромагнитных ма­ териалов (типичным представителем которых является железо), характерен доменный механизм намагничивания, заключающийся в том, что образец ферромагнетика состоит из ряда областей, на­ зываемых долинами. Для каждой 'области намагниченность равна намагниченности насыщения. На рис. 71а показаны такие области, где стрелками обозначены результирующие магнитные моменты до­ лины. На рис. 716 схематически представлен мелкокристалличе­ ский образец с нулевой результирующей намагниченностью-

Величина результирующей намагниченности может изменяться под действием внешнего поля. При этом, в ферромагнетике возмож­ ны процессы увеличения объемов тех доменов, у которых ориекта-

156

ция векторов намагниченности совпадает с направлением прило­ женного поля (рис. 726), а также их поворот в направлении внеш­ него поля (рис. 72в).

Для слабых внешних магнитных полей’

ного слоя доменов- В этом случае размагничивающий фактор в на­ правлении нормали к плоскости пленки намного больше размагни­ чивающего фактооа в плоскости пленки, что обеспечивает располо-

Рис. /2. Схема, иллюстрирующая процессы измерения намаг­ ничивания в доменах.

а) ненамгтниченное состояние, б) процесс смещения гргницы, в) процесс вращения.

і

жение вектора намагниченности пленки в ее плоскости. Время перемагничивания таких пленок составляет величину порядка 1 0 ~ 9 сек, при этом не происходит заметного перегревания пленки и не возникают вихревые токи практически до сверхвысоких частот. Основное применение ферромагнитные пленки получили в вычисли­ тельной технике, где принцип работы их основан на том, что вектор намагничивания пленки имеет два устойчивых состояния, которые обеспечиваются путем искусственного создания в плоскости пленки оси предпочтительного (легкого) намагничивания. Параллельно этой оси стремится установиться вектор намагничивания пленки. Ось, лежащая в плоскости пленки и перпендикулярная легкой оси, называется осью тяжелого (трудного) намагничивания. Они полу­ чили такое название в зависимости от величины, затраченной энер-

157

гии, требующейся для намагничивания пленки до насыщения. Для намагничивания пленки в направлении легкой оси требуется мини­ мальная энергия, а в направлении тяжелого намагничивания —

максимальная, т. е. пленки характеризуются одноосной магнитной анизотропией.

h

п р о ц е с с ы >

Ьрощгмщ /

Процессы >

НСООрФі

но го сме-і uteни/г

грошц

Процессы ‘о&'/гоюимсго I

с / ч е щ с н и я ір с гм а ц

Рис. 73. Типичные кривые намагничивания:

/— намагниченность.

Величина энергии, характеризующая одноосную анизотропию, определяется видом

Ek ^=K sin2 ф,

где К — константа анизотропии, <р — угол отклонения вектора намагниченности от легкой оси.

Одноосную анизотропию можно создать в процессе изготовле­ ния пленки путем приложения постоянного магнитного поля парал­ лельно плоскости подложки.

Область применения магнитных пленок с каждым годом расши­ ряется, т- к. на их основе возможно изготовление высоконадежных устройств с большой плотностью упаковки элементов.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.«Пленочная микроэлектроника», под редакцией Л. Холлэнда. Изд-во

«Мир», М„ 1968.

2.«Введение в микроэлектронику» под редакцией И. П. Степаненко. Изд-во «Советское радио», М., 1968.

3.«Вопросы пленочной электроники» (сборник статей). Изд-во «Советское радио», 1966.

4.Г. И. Е II и ф а н о в. «Физические основы микроэлектроники». Изд-во «Со­

ветское радио», 1971.

5.И. А. А п о к и II и Г. Ф. К ип а р е н ко. «Тонкие магнитные пленки в вы­ числительной технике». Изд-во «Энергия», М., Л., 1964.

158

/

О Г Л А В Л Е Н И Е

159