Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Атомы (молекулы) кристаллического тела расположены в строгом, вполне определенном для каждого вещества порядке относительно ДРУГ друга, причем, этот порядок распространяется на достаточно большие расстояния (”дальний порядок”).
У наиболее простых по атомной структуре веществ, таких как отвер-
Ii
девшие при низкой температуре инертные газы (Ar, Ne, Kr), атомы укладываются так, что каждый из них окружен двенадцатью соседними атомами на одинаковых расстояниях. Такое расположение можно представить в виде атомной (кристаллической) решетки. Большое разнообразие кристаллических тел как раз и определяется особенностями взаимного расположения атомов в пространстве. А оно в свою очередь определяется направленностью (симметрией) межатомных сил взаимодействия. Все виды взаимодействий в той или иной степени обязаны тому, что любой из атомов состоит из положительно заряжённого ядра и в определенном порядке движущихся вокруг него электронов. В целом (в состоянии равновесия) система оказывается электрически нейтральной. Однако при сближении атомов (одного или различного сорта) возникает взаимное влияние, в результате которого возникает деформация пространственной структуры атомов либо коренное ее изменение. За счет этого и образуются различные конфигурации пространственного распределения и траекторий движения электронов, приводящие ^устойчивым СВЯЗЯМ.
В большинстве металлов валентные электроны коллективизируются, образуя подобие отрицательной жидкости, в которой находятся положительные ионы. Коллективизированные электроны и ионы образуют изотропные связи. Поэтому атомы металлов образуют самые симметричные решетки - гранецентрированную, объемноцентрированную и гексагональную. Такое расположение характеризуется наибольшим числом ближайших соседей у каждого из атомов.
Металлоиды образуют более сложные структуры с небольшим количеством соседей. Так, кристаллический иод образует сложную решетку, в узлах которой находятся спаренные атомы иода. При этом они связаны силами, которые образуются за счет согласованного (квантового) движения каждого из валентных электронов между положительными ионами (ядро и вращающиеся вокруг него остальные электроны). Связь настолько жесткая,, что изменить расстояние между ионами можно только при очень высоких температурах (за счет столкновения с двигающимися поступательно частицами).
Спаренные образования иода связаны между собой уже гораздо меньшими силами. Они возникают за счет того, что каждая пара образует некоторую конфигурацию электрического поля с определенным электрическим моментом. Образуется как бы слабый даполь. Вот эти диполи и выстраиваются в пространстве, образуя уже молекулярную решетку из молекул I2. При столкновении с движущимися поступательно частицами газа из решетки выбиваются молекулы I2, которые и обладают специфическим запахом. Естественно, чем больше валентность элемента, тем более сложная конфигурация решетки.
Элементы полупроводникового класса IV группы таблицы Менделее-
12
ва - углерод в виде алмаза, олово в своей низкотемпературной модификации (серое олово), германий и кремний в кристаллическом состоянии образуют кубическую решетку типа алмаза,4 в которой каждый атом имеет четыре ближайших соседа, расположенных в вершинах тетраэдра. На рис. 3 приведены основные характеристики этой решетки. Атомы кремния в решетке так же, как и атомы других указанных полупрбводниковых элементов, связаны между собой' сильными ковалентными связями. При этом tnne связи атом отдает свои валентные электроны каждому из соседей тай (рис. 3, г), что связь обеспечивается двумя коллективизированными электронами, находящимися энергетически на наиболее низком для данной пары электронов квантовом уровне.
Все пространственные конфигурации систематизируют с помощью четырех характеристик.
1. Система - система координат, в которой удобно описывать расположение атомов в пространстве. Она определяется расстояниями, на которых находятся узлы решетки на координатных осях, и углами между координатными осями. Таких систем может быть всего семь. Атомная решетка кремния описывается в кубической системе. Это значит, что во всех трех направлениях осей (X, Y, Z) расстояния между узлами одинаковые, а углы между осями составляют 90е.
2. Трансляционная ячейка (решетка Браве) - элементарный параллелепипед, характеризующий расположение узлов в пространстве. Он выбирается так, чтобы трансляцией (передвижением) его вдоль координатных осей можно было бы воспроизвести всю решетку (весь кристалл). В каждой системе имеется свое количество отличающихся друг от друга элементарных ячеек. Всего же их четырнадцать.
Решетка кремния описывается гранецентрированной сложной кубической трансляционной ячейкой. Это куб, в вершинах которого находятся атомы кремния, такие же атомы находятся в центре граней куба. Кроме того, внутри ячейки находятся еще четыре атома. Эти атомы относятся к такой же гранецентрированной ячейке, но сдвинутой вдоль диагонали на четверть ее длины. Как видно из рис. 3, у каждого атома на одном и том же ближайшем расстоянии находятся четыре атома.
