Материаловедение полупроводников и диэлектриков

w 

ШТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
ПОПУПРОВОДНМЮВ 
И ДИЭНКТРИКО 

2-е издание, переработанное и дополненное 

Рекомендовано 

Министерством образования Российской Федерации 

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 

«Материаловедение и технология новых материалов», 

и направлению дипломированных специалистов 

иМатериаповедение,технологии материалов и покрытий» 

МОСКВА 
оМИСИСо 

2003 

УДК 537 33133 
ББК 31233 
Г68 
Рецензенты: Московский государственный институт электроники и матема гики (технический университег), кафедра материаловедения электронной техники. Московский институт тонкой химической технологии им М В Ломоносова, кафедра технологии полупроводниковых материалов; акад РАН Ю А Осипьян 

Горелик С. С^ Дашсвский М. Я. 

Гб8 
Материаловедение полупроводников и диэлектриков Учебник для вузов 
- М о МИСИС о, 2003 - 480 с 

ISBN 5-87623-018-7 

Рассмотрены свойства различных полупроводниковых и диэлектрических материалов и частично металлов, используемых в твердотельной электронике Показано влияние природы химических связей, химического и фазового состава, атомной структуры 
и структурных несовершенств на свойства этих материалов Проанализированы различные способы управления этими свойствами, способы легирования полупроводниковых и диэлектрических фаз, процессы распада пересыщенных 1вердых растворов и 
предраспадные явления, процессы геттерирования и другие Рассмотрены фазовые и 
структурные превращения и их механизмы при кристаллизации, получении монокристаллов, поликристаллических и аморфных полупроводников и диэлектриков, пленок 
и многослойных гомо- и гетероэпитаксиальных композиций с заданными свойствами 

Предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Материаловедение и технология новых материалов» и направлению подготовки дипломированных специалистов «Материаловедение, технологии материалов и покрытий» 

Ил 432 Табл 72 Библиогр список 137 назв 

УДК 537 33133 
ББК 31 233 

ISBN 5-87623-018-7 
© С, С. Горелик, М. Я. Дашевский, 2003 

о МИСИС о, 2003 

С0ДЕР}:ШН1ИЕ 

Пред11слош1е 
7 

Введение 
9 

Раздел первый 
Основные представления о хыг.шчесшт связях, строении атомов 
и свойствах элеглентарных полупроводников, дпэлеЕггриков и металлов 
19 

Глава 1. Химические связи, строение атомов и Периодичесшп"! закон Д. И. Менделеева 
20 

§ 1. Химическая связь 
20 

§ 2. Электронное строение ятпмпп 
22 

§ 3. Периодический закон и Периодическая система элементов Д. И. Менделеева 
25 

§ 4. Энергетические зоны валентных электронов 
29 

§ 5. Прочность химических связей 
33 

§ 6. Направленность и насыщаемость химических связей 
38 

Глава 2. Основные свойства полупроводттов, диэлектриков и металлов 
40 

§ 1. Общие положения 
40 

§ 2. Электрические сво11ства 
41 

§ 3. Тепловые свойства 
46 

§ 4. Оптические свойства 
51 

§ 5. Акустические CBoiicTBa 
56 

§ 6. Магнитные свойства 
58 

§ 7. Механические свойства 
65 

Глава 3. Стругпура п свойства веществ с разными типапп хппичесгшх связей 
68 

§ 1. Ионная связь 
68 

§ 2. Ван-дер-ваальсова (поляризационная) связь 
75 

§ 3. Металлическая связь 
76 

§ 4. Ковалевтная связь 
90 

§ 5. Элементарные полупроводники IVB подгруппы Периодической системы элементов 
95 

§ 6, Элементарные полупроводники VB—уПВ подгрупп" 
103 

Контрольные вопросы н задачи к первому разделу 
106 

Раздел второй 
Хиг.знческне связи, стругггура п свойства двойных и тройпьж 
полупроводниковых и диэлектричесшш соединений 
1108 

' Г' 
t 

Глава 4. Двойные полупроводниковые соединения 
109 

§ 1. Закономерности образования двойных полупроводниковых фаз 
109 

§ 2. Двойные алмазоподобные полупроводниковые соединения 
110 

§ 3. Соединения типа А"В^' и твердые растворы на их основе 
~ 124 

§ 4. Соединения типа А'В^" 
128 

§ 5. Обнще замечания о соединениях типа А'^В'" (где N изменяется от 1 до 4) 
129 

§ 6. Соединения типа А"^В^' 
И А^'В" 
134 

§ 7. Соединения типа А^'^В^ 
137 

§ 8. Соединения типа Лг Bj 
139 

§ 9. Соединения фуллеренов 
141 

Глава 5. Тройные полупроподннкопые соединения 
142 

§ 1. Закономерности образования тройных полупроводниковых фач 
142 

§ 2. Тройные полупроводниковые алмазоподобные фазы 
143 

Глава 6. Диэлектрические соединения 
'.. 
148 

§ 1. Основные особенности диэлектрических соединений 
148 

§ 2. Виды и механизмы поляризации в диэлектриках 
150 

§ 3. Важнейнп1е классы активных диэлектриков 
151 

§ 4. Ферриты 
': 
! 
160 

§ 5. Материалы твердотельных оптических квантовых генераторов 
161 

§ 6. Пассивные ди^лекгрики. 
164 

Глава 7. Аморфные полупроводники 
167 

§ 1. Общие представления 
167 

§ 2. Электро1П1ые состояния в аморфных полупроводниках 
170 

§ 3. Аморфные полупроводники с тстраэдричсской координацией 
172 

§ 4. Применение аморфных полупроводников с тетраэдрической координацией 
173 

§ 5. Аморфные (стекловидные) полупроводники с нететраэдрической координацией 
175 

Контрольные вопросы и задачи ко второму разделу 
176 

Раздел третий 
Фазовые равновесия в полупроводнигсовых, диэлегстрпчесгшх 
и металлических системах 
i.. 378 

Глава 8. Некоторые вопросы термодинамики фазовых равновесий 
'. 
179 

§ 1. Основные определения 
179 

§ 2. Фазовые равновесия 
182 

Глава 9. Г—ЛГ-диаграммы фазовых равновесий двойных систем с неогранпченнон 
растворимостыо компонентов 
189 

§ 1. Правила построения фазовых диаграмм в координатах Т—X 
189 

§ 2. Диаграммы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом 
состояниях 
191 

§ 3. Построение и анализ диаграмм с неограниченной растворимостью по данным об изменении 
термодинамического потенциала. Коэффициент распределения 
194 

Глава 10. Г—Л'-диаграммы фазовых равновесий двойных систем 
с ограниченной растворимостыо компонентов 
200 

§ 1. Переход от неограниченной растворимости к 01раничепнои 
200 

§ 2. Диа1раммы фазовых равновесий с эвгектическим превращением 
208 

§ 3. Диаграммы фазовых равновесий с перитектическим превращением 
213 

§ 4. Диаграммы фазовых равновесий с химическими соединениями 
215 

§ 5. Отклонения от равновесного состояния. Роль диаграмм фазовых равновесий 
при выборе условий кристаллизации и термической обработки 
.218 

r.fiaBa П. Г—^-диаграммы фазовых равновесий тройных систем 
222 

§ 1. Основные нредставления, используемые при построении диаграмм фазовых равновесий 
тройных систем. 
., 
„_. 
_. 222 

§ 2. Тройная диа! рамма фазовых равновесий системы с неограниченной растворимостью 
компонентов __»™__--______-_~______-~ 
225 

§ 3. Тройная диаграмма фазовых равновесий системы с моновариантным (трехфазным) 
эвтектическим превращением 
227 

§ 4. Тройная диаграмма фазовых равновесий системы, в которой реализуется нонвариантное 
(четырехфазное) эвтектическое превращение 
229 

§ 5. Тройная диаграмма фазовых равновесий системы с устойчивым (конгруэнтно плавящимся) 
химическим соединением 
233 

§ 6. Тройная диаграмма фазивых равновесий системы с неустойчивым (инкоигруэнтно плавянщмся) 
химическим соединением 
235 

§ 7. Построение Т—Х-диаграмм фазовых равновесий и использование их для расчета 
термодинамических свойств фаз. Применение ЭВМ при построении и анализе диаграмм 
фазовых равновесий 
237 

Глава 12. Р—Т~ и Р—Г—А'-диаграммы фазовых равновесий 
239 

§ 1. Общие сведения 
! 
, 
239 

§ 2. Диаграммы фазовых равновесий в однокомпонснтиых системах, 
построенных в координатах Р—Т 
I 
240 

§ 3. Диаграммы фазовых равновесий, построенные в координатах Р—Т—X 
242 

Контрольные вопросы н задачи к третьему разделу 
247 

Раздел четвертый 
Стругстурные дефекты в твердых телах, примеси, дпййузпя, легирооанпе: 
влияние на свойства 
249 

Глава 13. Структурные деф81ггы в реальных мопо- и поликристалличесгспх твердых телах, 
их типы, источншш образования, поведение, влияние на свойства 
250 

§ 1. Общие понятия о типах дефектов 
250 

§ 2. Точечные дефекты 
251 

§ 3 Линейные несовершенства (дислокации) 
263 

§ 4. Движение дислокации и их влияние на механические и электрофизические свойства 
276 

§ 5. Двухмерные несовершенства 
• 279 

§ 6. Объемные (трехмерные) несовершенства 
286 

Глава 14. Особенности поверхностных явлений в полупроводниковых фазах 
289 

§ 1. Некоторые вопросы термодинамики поверхностных явлений 
289 

§ 2. Физические свойства поверхности полупроводниковых фаз 
293 

§ 3. Поверхностные свойства некоторых алмазоподобпых полупроводников 
296 

Глава 15. Примеси а полупроводниках и диэлектриках 
300 

§ 1. Легирующие примеси 
300 

§ 2. Фоновые примеси 
318 

Глава 16. Диффузия в материалах твердотельной эле1П'роники 
322 

§ 1. Движущие силы и разновидности процессов диффузии 
322 

§ 2. Количественные закономерности диффузии 
323 

§ 3. Частные решсшш второго уравнения диффу ши 
325 

§ 4. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации диффундирутн^еи примеси 
U всп^сства матрицы 
328 

§ 5. Возможные атомные механизмы диффузии в твердых телах 
330 

§ 6. Основные параметры диффузии 
333 

§ 7. Влияние структурных несовершенств, состава, природы матрицы и диффузанта на скорость 
и параметры диффузии 
336 

§ 8. Явления, сопровождаюи;ис диффузию 
345 

Глава П. ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 
ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ И ИОННЫХ ПУЧКОВ 
349 

§ 1. Легирование с использованием ядерных реакций 
349 

^ 2. Легирование методом иопною внедрения (имплантации) 
: 
353 

Контрольные вопросы и задачи к четвертому разделу 
363 

Раздел пятый 
Фазовые и структурные изменения, упругие напршгсения при гфпсталлизации, 
пластической деформации, получение поликристаллпчесшк пленок, 
эпитаксиальных и аморфных слоев и их композищш 
366 

Глава 18. Основные положения общей теории образования фаз 
i.. 367 

§ 1. Образование зародып1сй новой фазы 
1 
369 

§ 2. Рост зародьиисй повой фазы»— 
375 

§ 3. Особенности фаговых превращений в твердых телах 
378 

Глава 19. Кристаллизация полупроводников и диэлеетрпков пз расплавов и растворов 
384 

§ 1. Представления о механизмах роста кристаллов из расплавов и растворов 
384 

§ 2. Распределение примесей между расылавом (раствором) и растущим кристаллом 
387 

§ 3. Выращивание монокристаллов с однородным или заданным распределением примесей 
394 

§ 4. Выращивание совершенных монокристаллов 
399 

Глава 20. Макронапршхенпя н пластическая деформация в слнтках 
и эпитаксиальных компознцнпх 
409 

§ 1. Макронапряжения 
409 

§ 2. Пластическая деформация 
414 

§ 3. Текстуры 
421 

Глава 21. Термическая обработка 
425 

§ 1. Назначение и виды термической обработки 
425 

§ 2. Механизмы различных видов термической обработки 
426 

Глава 22. Эпптакспальные слои, полпкристаллпчессше п аморфные плен1ш 
435 

§ 1. Эпитаксиальные слои 
435 

§ 2. Механизм и кинетика формирования слоев и пленок 
—: 
436 

§ 3. Дефектообразование в эпитаксиальных слоях 
438 

§ 4. Поликристаллические пленки полупроводников 
„ 443 

§ 5. Поликристаллические пленки металлов 
. 447 

§ G. Аморфные диэлектрические пленки 
450 

Контрольные вопросы п задачи к пятому разделу 
453 

Прило^хенне. Диаграммы фазовых равновесии 
455 

Рекомендательный бпблпографпчессиш список 
472 

Предметный указатель 
475 

Предисловие 

ПРЕДМСЛОВИЕ 

«Материаловедение полупроводников и 
диэлектриков» является базовой учебной дисциплиной, обеспечивающей подготовку бакалавров, инженеров и магистров по направлениям, связанным с твердотельной электроникой Настоящий учебник представляет собой 
второе издание учебника тех же авторов и того 
же названия, изданного пятнадцать лет тому 
назад (1988 г) Целесообразность переиздания 
учебника вызвана двумя обстоятельствами, вопервых, издание 1988 г. стало библиографической редкостью и практически отсутс гвует в 
вузовских библиотеках, во-вторых, в электронной технике произошли серьезные изменения в составе используемых ею материалов 
и в технологиях их получения, в различных 
способах воздействия на них с целью расширения выполняемых ими функций Повысилась 
плотность интеграции электронных приборов 
Темпы, с которыми происходят эти изменения, 
столь высоки, что учебная литература практически неизбежно отстает от них В силу этого произошедшие изменения не полностью отражены даже в новом издании 

В новом учебнике приведены принципиальные результаты в области материаловедения полупроводников и диэлектриков, полученные за годы, прошедшие после выхода в свет первого издания учебника, отражающие тенденции в развитии материаловедения полупроводников и диэлектриков. 
В частности, расширено изложение представлений о сложном характере химических 
связей в полупроводниках, что облегчает понимание особенностей воздействия на свойства основного состава легирующих примесей и позволяет рассчитывать и прогнозировать свойства новых материалов Значительно расширены разделы о диэлектриках, играющих все большую роль в электронной 
технике и оптоэлектронике, о квантовых оптических генераторах и преобразователях 
энергии Уделено внимание важному подклассу полупроводниковых соединении — нитридам элементов П1В подгруппы 

Приведены данные по структуре и свойствам теоретически предсказанной и недавно 
эксперименгально полученной еще одной аллотропической модификации углерода — фуллерена По прогнозам он и соединения на его 
основе должны найти широкое применение 
во многих областях науки и техники, в том 
числе электроники, и стать одними из важных материалов XXI века 

Представлены новые и уточненные данные об аморфных полупроводниках, многослойных эпитаксиальных структурах, в частности приведены сведения о получении эпитаксиальных структур методом прямого сращивания пластин Расширен материал по многокомпонентным полупроводниковым соединениям Приведены новые данные по фазовым 
равновесиям в полупроводниковых системах 
и поверхностным явлениям в полупроводниках, а также новые результаты по структурным особенностям и свойствам легированных полупроводников, в том числе по влиянию переходных и редкоземельных металлов 
на физические свойства алмазоподобных полупроводников Рассмотрены новые закономерности в поведении примесей в полупроводниках. 

Значительно полнее изложены данные о 
предраспадных явлениях и распаде пересыщенных твердых растворов на основе полупроводников, образовании микровыделений (в 
том числе микродефектов) и роли собственных точечных дефектов и фоновых примесей 
в их образовании; о влиянии изовалентного 
легирования на распад пересыщенных твердых растворов рассмотрено на примере твердых растворов на основе кремния, легированного германием 

Увеличен объем материалов о легировании с помощью ионной имплантации и с использованием ядерных реакций Приведены 
новые данные по росту и легированию бездислокационных монокристаллов кремния и 
других полупроводниковых материалов и их 
физическим свойствам, в частности по влия

нию микродефекгов на эти свойства Приведены новые сведения по процессам гомо- и 
гетероэпитаксии 

Многие иллюстрации в учебнике взяты из 
статей, опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных журналах, что должно способствовать ознакомлению читателя с 
оригинальными исследованиями в области 
физики и материаловедения полупроводников 

Каждый раздел учебника сопровождают 
контрольные вопросы и задачи Число задач 
существенно расширено, их решение позволяет обеспечить более глубокий уровень усвоения материала учебника и представляет 
практический интерес для будущей рабо1ы 
выпускников Учебник снабжен также справочным материалом, подробным рекомендательным библиографическим списком литературы 

Учебник предназначен для использования 
как при очном, шк и при дистанционном (заочном) обучении 

Авторы отдают себе отчет в том, что не 
все важные проблемы материаловедения полупроводников и диэлектриков нашли должное отражение в учебнике Отчасти это связано с бурным развитием материаловедения 
полупроводников и диэлектриков, быстрым 
накоплением новых теоретических и экспериментальных результатов, приводящих к возникновению новых фундаментальных и прикладных проблем, отчасти — с ограничением 
объема учебника 

Авторы будут благодарны читателям за 
критические замечания по содержанию учебника 

Авторы благодарны рецензентам рукописи учебника — сотрудникам кафедры «Материаловедения олек1ронной техники» Московского государственного института электроники и математики (технического университеid) и прежде всего проф А Н Тихонову и 
проф И С Смирнову, и сотрудникам кафедры техноло1ии полупроводниковых Maiepnaлов Московского института тонкой химической технологии им М В Ломоносова и ее заведующему проф, д т н Р X Акчурину, акад 
РАН Ю А Осипьяну 

Авторы с сердечной благодарностью oiмечают содействие в подготовке рукописи 
учебника к переизданию недавно ушедшего 
из ЖИ.ЗНИ И Б Поляка Авюры благодарны 
Ю В Осипову за постоянную помощь на всех 
стадиях подгоювки рукописи учебника и его 
издания 

Авторы глубоко признательны М И Вороновой за редактирование рукописи и А А Космыниной за подготовку рукописи к печати 

Авторы благодарны Г Н Тюриной, 
П В Ерохину В С Ежлову, В С Горшунову 
за помощь при подготовке рукописи учебника 
к печати 

Авторы благодарят Г М Дашевского и 
В П Молокову за большую помощь, оказанную при работе над рукописью учебника, и 
выражают особую признательность Людмиле 
Ивановне Дашевской за помощь при подготовке учебника 

Авторы с благодарностью отмечают поддержку в переиздании учебника руководства 
Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета) 

2003 год 

Введение 

©КЕДЕММЕ 

Материаловедение 
— это наука о природе свойств материалов, 
принципиальных 
путях управления ими и разработке материалов разного назначения с оптимальным сочетанием свойств. 

Создание новых материалов определяет 
прогресс человеческой цивилизации на протяжении многих тысячелетии Но только с 
развитием фундаментальных наук и экспериментальной техники материаловедение из искусства превратилось в науку, значение которой возрастает с огромной скоростью 

Наряду с многовековой задачей создания устройств на основе металлов, повышающих эффективность физического труда человека, с середины 40-х годов XX века 
особую значимость приобрела проблема создания устройств, повышающих прежде 
всего эффективность умственного труда 
Ее решение стало возможным благодаря 
разработке и широкому внедрению нового 
класса материалов — полупроводников и диэлектриков Именно с использованием этих 
материалов удалось добиться впечатляющего и непрерывно развивающегося прогресса в вычислительной технике и компьютеризации, технике связи, особенно дальней, 
способах хранения и передачи информации, 
совершенствовании информационных технологий, эффективности преобразования одних видов энергии в другие с высоким коэффициентом полезного действия, автоматизации производства, создании новых возобновляемых и экологически чистых источников энергии и электронизации бытовой 
техники. 

Решение этих задач составляет главное 
содержание элект-ронигси, пикро— и наноэлектроники 
—'областей техники, связанных с управлением быстро и сверхбыстро протекающими процессами путем заданного изменения поведения и перемещения носителей 
электрических зарядов в твердых телах, электрических и магнитных полей, оптических и 
звуковых волн 

До конца 40-х годов XX столетия эти 
функции выполняла вакуумная 
электропика, в которой носители заряда (электроны) создавались в вакуумных приборах за 
счет их эмиссии с поверхности тугоплавких 
металлических катодов, а их направленное 
перемещение к аноду обеспечивалось управляемым изменением приложенного электрического поля 

По мере развития вычислительной техники, радио- и телевизионных устройств, 
средств автоматики повышались требования 
к их быстродействию и долговечности, стремительно увеличивалось число приборов в 
электронных схемах В этих условиях все сильнее проявлялись недостатки, присущие вакуумной электронике низкое быстродействие 
(не более миллисекунд), низкий коэффициент полезного действия (2—5 %) и, как следствие, высокая энергоемкость и стоимость, 
большое тепловыделение, препятствующие 
миниатюризации устройств, а также ограниченный срок службы отдельных приборов 
(4000—5000 ч) 

Таким образом, развитие техники стимулировало поиск новых путей управления движением и типом носителей заряда, поведением физических полей различного типа Этот 
поиск привел в конце 40-х — начале 50-х годов XX века к созданию новых устройств — 
транзисторов, в которых, процессы переноса 
носителей заряда разных знаков протекают непосредственно в твердом теле В результате 
был осуществлен переход от вакуумной к полупроводниковой твердот,ельн6й 
электронике, не только лишенной недостатков первой, но и обладающей рядом преимуществ 

Реализация этого перехода стала возможной благодаря 'достижениям в первой половине XX века в области фундаментальных 
наук, а также в результате создания технологий промышленного производства высокочистых и структурно-совершенных монокристаллов полупроводников и диэлектрических 
соединений. 

Основное отличие полупроводников и диэлектриков 01 металлов связано с различием 
природы химической связи и электронной 
структуры этих материалов, с характером 
заполнения вален 1ными электронами зон разpenieHHbix энер1ии (рис В-1), с наличием носителей заряда двух знаков и отличной от металлов температурной зависимостью элекфопроводности, с особенностями поведения в них 
структурных дефектов 

В металлах определяющим шпом химической связи является металлическая связь валентная зона во всем температурном интервале существования металла (от О К до температуры плавления) заполнена электронами 
лишь частично Поэтому электропроводность в 
металлах реализуется за счет легкото перехода электронов на свободные энергетические 
уровни валентной зоны и перемещения по ним 

м 

/ 

г 

"
^
^ 

В 

1 

В полупроводниках и диэлектриках связи 
носят сложный, смешанный xapaKiep в полупроводниках основной тип связи ковалей Iный, но весьма существен вклад ионной и 
металлической сосшвляющих, а в части из 
них и ван-дер-ваальсовых связей В диэлектриках основной тип связи — ионный, но важен также вклад ковалентной и 01час1и ме1аллической связей Изменение доли разных 
типов связи резко изменяе! свойства этих 
материалов 

В полупроводниках и диJлeктpикax валенная зона заполнена при О К полностью и отделена от следующей зоны разрешенных энергии (зоны проводимости) зоной запрещенных 
энергии (запрещенной зоной), ширина которой различна у различных полупроводников 

Для того, чтобы в полупроводнике стала возможной электропроводность, электро
Г->ОК 

G 

$ : ^ 

^ 


п. 

0 

в 

0 

Г > О К 


1 

1 1 

2 

^ 

/ 

Рис. В-1. Схемы распределения электронов проводимости по энергиям при Т - » О К и Т > О К в металлах, 

М (а, е), нелегированных полупроводниках П, (б, ж), полупроводниках, легированных донорной П„ (в, з) и акцепторной Пр (г, и) примесями, диэлектриках Д (д, к) 
, 

В рамках — разрешенные уровни энергии (РУЭ), заштрихованные области — РУЭ, занятые электронами, 
незаштрихованные — РУЭ, не содержащие электронов, / — свободная зона (в случае полупроводников и диэлектриков зона проводимости), 2 — запрещенная зона. 3 — валентная зона, 9 — электроны, Ф — дырки, 
+, 
положительно и отрицательно заряженные ионы соответственно, Е„ —запрещенная зона, стрелки — 

перенос электронов 
Г -4 О К е — уровни, внесенные в запрещенную зону донорной примесью, заняты ее валентными электронами, 
г — уровни, внесенные акцепторной примесью в запрещенную зону, не заняты валентными электронами 
Г > О К 3 — электроны донорных примесей забрасываются в зону проводимости, и — на уровни, созданные 
акцепторными примесями в запрещенной зоне, «забрасываются» электроны из валентной зоны, оставляя за 
собой дырки (носители положительных зарядов), к — очень небольшое количество электронов переходит из 
валентной зоны в зону проводимости 

Введение 
II 

ны из валентной зоны или с примесных донорных уровней в запрещенной зоне должны быть «заброшены» в зону проводимости, 
а также из валентной зоны — на созданные 
легированием акцепторные уровни в запрещенной зоне. В последнем случае в валентной зоне возникают и становятся носителями заряда положительно заряженные «дырки» (см рис В-1) 

Таким образом, с появлением полупроводников возникли новые чрезвычайно интересные перспективы развития электроники — 
возможность целенаправленного изменения 
электропроводности путем изменения концентрации носителей заряда на несколько порядков по величине'; создание устройств, в которых непосредственно в твердом теле соседствуют области с проводимостью разного типа, граница между которыми (р—п-переход) может 
служить для выпрямления, усиления и регистрации электрических сигналов и выполнения 
других функций р—п-переход является основой большинства приборов твердотельной электроники 

Если к этому прибавить огромное по сравнению с вакуумными электронными устройствами быстродействие, исчисляемое нанои пикосекундами (10"^ и 10"'^ с соответственно), практически неограниченный срок службы, высокий КПД и возможность все большей миниатюризации устройств, то становится понятным несравнимое преимущество твердотельной электроники перед вакуумной 

Первым полупроводниковым материалом, 
использованным в микроэлектронике, был германий На его основе в 1948—1949 гг. в США 
был создан первый полупроводниковый транзистор Однако малая концентрация и рассеянный характер нахождения германия в земной коре (-7 
10"^ %), а также 
ряд других 
факторов не способствуют его широкому использованию в электронике. 

В настоящее время и в обозримом будущем наиболее важным, выпускаемым промышленностью в больших количествах и чрезвычайно широко используемым в разных областях электроники материалом является 
кремний (в земной коре ~30 %) Мировое производство полупроводникового поликристаллического кремния растет из года в год и составляет сейчас более 15 тыс т в год, а монокристаллического кремния, главным потребителем (-80 %) которого является важнейшая 
область электроники — микроэлектроника, — 
порядка 10 тыс т в год С микроэлектроникой 
и ее развитием связаны успехи компьютеризации, информатики, телевидения, средств 
связи (в том числе дальней), бытовой и специальной аппаратуры и др 

Огромное значение имело создание полупроводниковых и диэлектрических соединении Число этих соединений все более сложного состава и их твердых растворов непрерывно растет и уже составляет несколько сотен Стало реальным получать материалы с 
любой шириной запрещенной зоны в очень 
широком диапазоне значений, а также прямозонные полупроводники 

Со временем стало ясно, что у электроники есть гораздо более широкие возможности Твердотельная электроника позволяет генерировать и поглощать электромагнитные 
колебания широкого диапазона длин волн, 
преобразовывать одни виды энергии в другие 
с помощью устройств опто- и акустоэлектроники, квантовых генераторов, фотопреобразователей, термоэлектрических преобразователей, различного рода датчиков, устройств 
магнитоэлектроники и др 

Впечатляет роль приборов твердотельной 
электроники в энергетике: в передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью 
полупроводниковых преобразователей. Возникло новое направление — силовая электроника. По прогнозам, сильноточная электроника 
позволит сэкономить не менее 10 % производимой в мире электроэнергии 

Отдельную ветвь силовой электроники 
составляет солнечная энергетика (солнечные 
батареи) Это один из важных источников по
' В металлах и металлических сплавах носителями заряда являются преимущественно электроны, концентрация которых слабо зависит от типа металла, легирования, температуры Эта концентрация равна произведению 
числа атомов в 1 см' N (ат/см') на среднюю валентность одного атома, и ее значение колеблется в пределах 10"— 
10"эл/см' 

лучения экологически чистых, возобновляемых 
и авюномных ис1 очников энергии 

Усилиями материаловедов многих технически развитых стран, в гом числе Советского Союза и России, было ус1ановлено, что 
решение ошх аадач возможно только путем 
«конструирования» новых материалов, обладающих полупроводниковыми и диэлектрическими свойствами Были усшновлены закономерное! и их образования На о i ой основе были 
созданы многочисленные двухкомпонентные, 
а затем и более сложные соединения, 1вердые растворы па основе элементарных веществ и соединении Причем абсолютное большинство используемых в современной электронике ма1ериалов представляет собой твердые растворы В настоящее время в электронике применяют согни полупроводниковых и 
диэлектрических соединений и твердых раCIворов на их основе 

Свойства абсолютного большинс1ва полупроводников Moryi проявляться только в шм 
случае, если содержание случайных примесей, влияющих на электропроводность, в них 
очень мало — но превышае! 10'"—10'^ ат/см^, 
т е 10'"—10 ' % (ат), — а структурное совершенство кристаллов весьма высоко 

Требования к чисготе исходных полупроводникоBI.1X материалов можно сравнить с требованиями к Пели зне исходного полотна н текстильной промьннленности Так, наиболее важное условие достижения чистоты цпега 1кансГ1 — предвариге.н.ное гпштельное 
с)1Псливание сотканною полотна Подобно и ому обяза1ельным условием получения полупроводниковых 
материалов, легированных малыми концентрациями 
нужных примесей, является предвари!отьная очистка 
"ЭТИХ материалов ог случайных, так называемых фоII0B1.IX, примеееи, ухудшающих свойства материала 

Именно в силу непонимания роли случайных примесей и отсу1(.!вия способов глубокой 
очистки 01 них формирование и развитие полупроводниковой электроники стало во ^можным только с конца 40-х — начала 50-х годов 
XX века, хотя первые упоминания о полупроводниках относятся к 18.Ч.'5 г, когда М Фарадой, исследуя серниС1Г)е серебро (AgjS), 
впервые обнаружил уменьшение элекгросопротивления с повы11!ением температуры, loiда как в металлах электросопротивление при 

этом увеличивается Но эго1 эффект наблюдался не на всех образцах AgjS Причина такого различия, связанная с ни'зкои чистотой 
рядового Ag2S, ос1авалась неясной Много 
позднее было установлено, что Фарадеем эффект наблюдался только на случайных высокочистых or примесей образцах AgjS В 1922 г 
инженер О В Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории впервые осущес гвил 
генерацию и усиление электрических сигналов с 1Шмощью отдельных кремниевых детекторов Однако в то время и эти эффекты не 
удалось объяснить и широко использовать по 
!ой же причине 

Перенос носителей заряда в полупроводниковых ус1ройствах чаще всего осуществляется в очень тонких поверхностных (микрометры и даже доли микрометров) слоях материала Основная толщина кристаллических 
пластин фактически nrpaei роль подложки для 
этих тонких поверхностных слоев Это обстоятельство, а гакже разработка методов, позволяющих получа!Ь такие слои, вводи 1ь ле1ирующие примеси в локальные приповерхностные слои толщиной в несколько микроме! ров и даже меньше, создали возможность 
перехода к более тонким монокрисгаллическим слоям полупроводников все более сложного состава и размещения на отдельном криС1аллике (подложке) полупроводника или диэлектрика не одного «прибора» (дискретная 
олек1роника), как это б1)1ло в первые годы 
становления полупроводникового производС1ва, а целой микросхемы, называемой интегральной 
и содержащей многие тысячи 
приборов Возникла эпитаксиальная 
технология, бе? ко!()рои немыслима современная 
микроэлек1роника 

Технология получения таких схем основана на создании большого числа чередующихся 
полупроводниковых, диэлек1рических (изоляционных) и металлических (токоведущих и контактных) слоев (пленок), каждый из которых 
выполняет свои функции Тем самым совершил­
ся переход от твердотельной дискретной электроники к ин!е1ральнои полупроводниковой 
микроолек!ронике Начался и продолжав !ся 
интенсивный и непрерывный поиск путей дальнейшей миниатюризации отдельных приборов 

Введение 
13 

и устройств, уже появились многослойные 
«многоэтажные» устройства 

По мере совершенствования эпитаксиальнои технологии получения интегральных схем 
в них непрерывно повышаются степень 
интеграции 
(число приборов в одном кристалле) и плотность упаковки 
(число приборов 
на 1 см^, а в будущем на 1 см') Соответственно совершается переход «интегральные схемы (ИС)—большие интегральные схемы 
(БИС)—сверхбольшие интегральные схемы 
(СБИС)—ультрабольшие (или супербольшие) 
интегральные схемы (УБИС)». Линейные размеры одного элемента в таких схемах уже сейчас примерно в 200 раз меньше толщины человеческого волоса, а степень интеграции 
-10^—10* Реальностью стало создание супермикросхем, в которых размер отдельных элементов и расстояние между ними составят десятки нанометров, а степень интеграции достигнет величины -10", что составляет примерно 10'^—10'° бит* информации На рис В-2 приведен ориентировочный прогноз развития миниатюризации элементов электронной техники 

2010 

Рис. в-2. Темпы уменьшения минимальных габаритов 
элементов электронных схем (ЭЭС). в частности 
интегральных логических схем, по мере совершенствования технологии получения интегральных 
схем (ИС) 
/ — вакуумная электроника, 2 — твердотельная 
элеетроника, 3 — микроэлектроника (БИС), 4 — 
СБИС и микропроцессоры; 5 — наноэлектроника 

Миниатюризация и строгое лимитирование устройств по размерам, массе, потребляемой энергии особенно важны для космических спутников и станций, средств вычислительной техники, а также средств телевизионной и иной связи 

Дальнейшая миниатюризация отдельных 
элементов схем является сегодня едва ли не самой важной задачей микроэлектроники и электроники вообще Решение этой задачи связано с 
развитием таких методов, как молекулярно-лучевая эпитаксия (см гл 22), ионное внедрение 
— имплантация (см гл 17), с развитием нанотехнологии Весьма перспективным, видимо, является способ получения наноразмерных молекул '— гибрида из неорганических (в первую очередь кремния) и органических веществ 

Очень важной при таких размерах элементов становится проблема 
мет,аллизации 
(создания проводящих контактов между активными элементами) 

Решение материаловедческих и технологических задач, связанных с миниатюризацией, составляет суть создания нанотехнологий 

Можно утверждать, что самые крупные 
технические изменения в XXI веке будут связаны с применением нанотехнологий 

Внедрение нанотехнологий в электронную 
технику сулит фантастические перспективы 
Реальностью может стать компактный автоматический переводчик с любого языка мира, 
индивидуальная телефонная связь для всего 
человечества с помощью устройств размером 
с наручные часы и многое другое 

Одним из важнейших условий реализации 
такой степени миниатюризации схем является изыскание новых физических эффектов для 
целей лигографии и путей практического их 
использования 

В качестве примера, иллюстрирующего 
сложность структуры элементов (компонентов) 
современных ИС, на рис В-3 приведена схема одного из наиболее важных и распространенных приборов интегральных схем — биполярного транзистора^, количество которых в 
современных схемах исчисляется десятками 

' Термином «бит» обозначают единицу ичмерения количества информации — двоичную цифру, которая может 
принимать -значение либо О (нуль), либо 1 (едшшца) 

' По существу транзистор — это переключатель и усилитель сигналов Назначение биполярного транзистора — 
обработка данных о сигналах 

тысяч Размер каждого прибора уже сейчас 
близок к 0,2 мкм, а по прогнозам к 2015— 
2020 годам он должен уменьшиться на порядок и более 

Прибор представляет собой композицию, 
сосюящую из нескольких слоев, созданных в 
одном кристалле, с разным типом проводимости и разной концентрацией носителей заряда 
(например, п—р—п- или р—п—р-транзистор) 

База 
Коллектор 
Эммитер 

HLI^prrqWj 
^ 

Рпс. В-3. Схемабиполярноготранзистора, состоящего из нескольких слоев разных материалов 
1 — нелегированный Si, 2 — Si n-типа, 
3 — SI р-типа, 4 — SiOj, 5 — S13N4, 6 — Cr, 
Г —Al, S—C0SI2 

Помимо этих трех областей транзистор 
содержит изоляционные (диэлектрические) 
слои (SiO^ и SiiN^), материалы металлизации 
(токоведущие дорожки), состоящие из нескольких проводящих металлов (Ли, А1, Си) 
и их соединений с кремнием (силициды переходных металлов, например C0S12) и др 

Важной особенностью создания подобных 
схем и большинства других электронных устройств (в отличие от конструкционных) является то, что в твердотельной электронике 
получение многослойных материалов и самого устройства осуществляется в едином технологическом цикле Помимо чисто технологических трудностей, это приводит к тому, 
что материалы, как правило, находятся в 
неравновесном фазовом и структурном состояниях, упруго напряжены, содержат структурные дефекты и т п (см гл 13) 

В современных многослойных материалах в непосредственном контакте находятся 
тонкие и сверхтонкие Дот нескольких микрометров до нескольких атомных слоев), 
различные по химической природе неорганические материалы, обладающие разными 
атомными структурами и свойствами Такие 
системы с резким градиенюм сос1ава по 
толщине являются в общем случае неравновесными (см гл 18) 

Переход этих систем в процессе нагрева, 
облучения, эксплуашции в равновесное или 
близкое к равновесному состояние часто сопровождается ухудшением 
(деградацией) 
свойств полупроводниковых 
устройств 
и 
поэтому недопустим Вследс1вие этого резко 
возрастают требования к «совместимое!и» материалов разных слоев ИС 

Все это очень усложняет материаловедческии анализ изменения свойств каждого из 
материалов прибора и самою прибора в целом Необходимо учитывать, во-первых, что 
любое внешнее воздействие по-разному меняет свойства каждого из материалов и, вовторых, изменение в одном из материалов 
неизбежно влияет и на свойства примыкающих материалов, что приводит к усилению 
неравновесности состояния всего устройства 

Бурное развитие твердотельной электроники обязано помимо полупроводников еще 
одному, важнейшему классу материалов — 
активным диэлектрикам Это очень большая 
группа ионных и молекулярных, в основном 
кислородсодержащих, соединении сложного 
состава и сфуктуры Элементарных активных 
диэлектриков практически не существует 

В отличие от пассивных диэлекхриков, 
которые благодаря очень высокому удельному 
электросопротивлению (10"—10'^ Ом см) давно используются в качестве изоляторов, в том 
числе в ИС, активные диэлектрики, обладая 
таким же электросопротивлением, способны 
резко изменять свои разнообразные физические свойства под влиянием внешних воздействии (электрических, магнитных и тепловых 
полей, механических напряжений, оптического излучения) Эти воздействия и вызываемое 
ими изменение свойств сопровождаются своеобразными физическими эффектами (например, управление лазерным излучением) Использование этих эффектов предосшвляет 
новые уникальные функциональные возможное ги превращения одних видов энергии в другие, создания новых по принципу работы ис