Материалы для проведения диффузиционных процессов в полупроводниках

Министерство  образования и наук Российской Федерации

Южно-Уральский  Государственный Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра приборостроения 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

Тема:

Материалы для проведения диффузиционных процессов в полупроводниках

 

содержание

 

1. Введение. Основные понятия

    В абсолютном большинстве случаев  устройства современной электроники  изготавливаются из полупроводниковых материалов. Полупроводниками обычно называют материалы, удельное сопротивление которых больше, чем у проводников (металлов), но меньше, чем у изоляторов (диэлектриков). Сразу следует заметить, что различие между полупроводниками и диэлектриками только количественное, тогда как различие между полупроводниками и металлами более принципиальное - качественное. Полупроводники являются разновидностью диэлектриков: можно сказать, что они являются диэлектриками с уменьшенным удельным сопротивлением, тогда как с металлами у них значительно меньше общего.

    Для того чтобы представить особенности  полупроводниковых материалов, следует рассмотреть их структуру и энергетические зоны.

    Любое твердое тело представляет собой  множество атомов, сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Эти расстояния минимальны у металлов и максимальны у диэлектриков. Однако в любом случае всю совокупность атомов в куске твердого тела следует рассматривать как единую целую структуру, которая подобно атому характеризуется некоторым единым энергетическим спектром. Особенность этого спектра в том, что он состоит из дискретных разрешенных зон.

     На рис. 1 приведена  зонная диаграмма для полупроводника. Прежде всего, следует обратить внимание на запрещенную зону (зону запрещенных энергий), которая разделяет разрешенные зоны. Отметим, что у диэлектриков ширина запрещенной зоны больше, чем у полупроводников, а у металлов разрешенные зоны сливаются, так что запрещенной зоны у них нет. Ширина запрещенной зоны е₃, определяющая энергетический промежуток запрещенных энергий, является важнейшим параметром полупроводника. Для наиболее часто используемых в электронике полупроводников германия, кремния и арсенида галлия ширина запрещенной зоны равна соответственно 0,7; 1,1 и 1,4эВ.

    Верхняя разрешенная зона - зоной проводимости. Электроны, находящиеся в этой зоне, обладают довольно большой энергией и могут ее изменять под действием электрического поля, перемещаясь в объеме полупроводника. Электропроводность полупроводника и определяется этими электронами.

    Нижняя  разрешенная зона называется валентной  зоной. Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электронами внешней  оболочки атомов - внешних устойчивых орбит (валентными электронами). При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны также могут изменять свою энергию под действием электрического поля. Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.

    В полупроводниковой электронике, в  отличие от собственной электропроводности, наиболее часто используют примесную электропроводность, характерную для примесных полупроводников.

    Примесными  полупроводниками принято называть полупроводники, электропроводность которых обусловлена носителями заряда, образующимися при ионизации атомов. Если в кремний ввести атом пятивалентного элемента (например, фосфора), то четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния (подобно атомам собственного полупроводника). Пятый же электрон будет в данном случае избыточным. Он оказывается очень слабо связанным со своим атомом, поэтому оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда можно даже при воздействии малой тепловой энергии.

     Рис. 2 находиться избыточный электрон фосфора. При незначительном повышении температуры он переходит в зону проводимости и становится свободным. Нейтральный атом фосфора при этом превращается в положительный ион (его заряд обусловлен отсутствием валентного электрона). Количество энергии, необходимое для отделения избыточного электрона и образования иона, называется энергией активации (ионизации) примеси ( _д 0,1 эВ). Отметим, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и не может перемещаться подобно дырке.

    Таким образом, появление в кремнии  атома фосфора привело к образованию  в зоне проводимости свободного электрона. Образование данного электрона не связано с существованием дырки.

    В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единственный атом примеси (10¹⁴...10¹⁸ атомов/см³), поэтому и примесных уровней получается довольно много. Примесные уровни образуют примесную зону, которая в рассматриваемом здесь случае будет находиться в запрещенной зоне кремния вблизи зоны проводимости.

    Атомы пятивалентной примеси принято  называть донорами. Примесные разрешенные уровни, приносимые донорами, называют донорными. Примесные полупроводники, полученные за счет введения доноров, называются электронными, или полупроводниками n-типа. Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике n-типа являются неосновными носителями заряда. Дырок здесь очень мало (n_n>>p_n), но они все-таки есть (они образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям в беспримесном полупроводнике).

    Итак, за счет введения донорной примеси  образуется электронный полупроводник, электропроводность которого определяется электронами, причем число свободных электронов практически равно числу ионизированных доноров.

    Рассмотрим  теперь дырочный полупроводник, или  полупроводник р-типа. Такой полупроводник получается за счет введения в него трехвалентных атомов примеси (например, бора). Атомы трехвалентной примеси принято называть акцепторами.

     Находясь среди атомов кремния, атом бора образует только три заполненные  валентные связи. Четвертая связь оказывается незаполненной, однако она не несет заряда, т.е. атом бора является электрически нейтральным. При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон одной из соседних заполненных валентных связей кремния может перейти в эту связь. Во внешней оболочке атома бора появляется лишний электрон, т.е. атом бора превращается в отрицательный ион. Ионизированная связь атома кремния (из которой электрон перешел к атому бора) несет собой уже положительный заряд, являясь дыркой.

    На  энергетической диаграмме, соответствующей  рассматриваемому здесь случаю (рис. 3), обозначен разрешенный энергетический (акцепторный) уровень, который принес с собой атом бора. Этот уровень будет не заполнен лишь при очень низкой температуре. При небольшом повышении температуры один из электронов валентной зоны переходит на акцепторный уровень, затратив при этом небольшую энергию, равную энергии активации примеси ( 0,1 эВ). Таким образом, получаются дырка (в валентной зоне) и ионизированный акцептор.

    Электропроводность  дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряда. Электроны в полупроводнике р-типа являются неосновными носителями и их очень мало (р_р >> п_р). Итак, за счет введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками, причем число их практически равно числу ионизированных акцепторов.

    Обычно  донорным примесям приписывается знак «+», а акцепторным «—». При этом суммарная концентрация примесей того или другого знака дает концентрацию электрически активных примесей в данном месте.

    При рассмотрении примесных полупроводников  обычно используют понятие «концентрация примеси». Концентрацией называется число зарядов или частиц в единичном объеме (например, в 1 см³).

    Если  оба типа примеси находятся в  равном количестве, такой полупроводник принято называть компенсированным. Компенсированный проводник похож на собственный, но имеет ряд интересных свойств и отличий.

 

• Процесс диффузии

    Процесс диффузии, точнее гетеродиффузии или химической диффузии в классическом смысле состоит в однородном распределении частиц в каком-то фиксированном объеме пространства, обусловленном хаотическим тепловым движением атомов, возникающем при наличии градиента концентрации данного вещества, и направленном в сторону убывания этой концентрации в той среде, где происходит диффузия. Процесс диффузии противодействует силе тяжести и внутреннему трению.

    При изготовлении интегральных микросхем  обычно применяют диффузию для создания требуемой концентрации носителей  заряда (легирования) несколькими элементами. С целью получения заданных профилей концентраций и р—n-переходов, составляющих основу полупроводниковых приборов, проводится серия процессов диффузии. Основными этапами являются: предварительное осаждение примеси и собственно диффузия.

    При температуре выше температуры Таммана (температура Таммана равна половине температуры плавления данного вещества, выраженной в абсолютных градусах) подвижность узловых атомов решетки становится значительной, и перемещения атомов в решетке являются основным механизмом диффузии. Этот процесс требует относительно большой энергии для движения каждого атома.

    С меньшей затратой энергии происходит диффузия по границам зерен и вдоль  определенных типов дислокаций. Еще  меньшей энергией активации обладает диффузия по поверхности; для некоторых материалов она может быть существенна при температурах выше половины температуры Таммана.

1. Механизм диффузии в идеальных кристаллах. В идеальных монокристаллах возможны различные способы диффузии, не ведущие к нарушению совершенства решетки.

    Я. И. Френкелем в 1926 г. была развита кинетическая теория кристаллов, которая дала возможность объяснить низкую энергию активации диффузии. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, испытывают непрерывные тепловые колебания вокруг центра равновесия. Небольшая часть атомов может обладать энергией, значительно превышающей энергию связи атома с узлом решетки. Такие атомы «испаряются» из узлов и переходят в междоузельное пространство, образуя пустой узел — вакансию или дырку и дислоцированный в междоузлии атом.

    Совокупность  вакансии и дислоцированного атома и называют дефектом по Френкелю.

    Наряду  с этим в кристалле могут образовываться только одни вакансии. Если переход в междоузлия затруднен, то какой-либо поверхностный атом может быть выброшен из своего места тепловыми колебаниями, сохраняя частичную связь с телом. Образовавшаяся вакансия перемещается внутрь кристалла путем последовательного заполнения ее атомами. Подобные дефекты называют дефектами по Шоттки.

    Концентрация  дефектов по Френкелю

концентрация  дефектов по Шоттки

где N — концентрация атомов в узлах; М — концентрация междоузлий; — энергия активации перехода атома в междоузлие; — энергия активации образования вакансии.

    Количество  дефектов экспоненциально растет с  ростом температуры. Значения и с увеличением температуры уменьшаются,  что облегчает дефектообразование.

    С ростом температуры в кристалле  растет количество вакансий. Когда оно достигает величины около одной вакансии на 10⁵ узлов, кристалл плавится. Наличие большой концентрации вакансий объясняет также образование трещин. Причиной этого может быть как механическое, так и тепловое воздействие. Быстрое охлаждение после нагрева ведет к замораживанию вакансий, так как ушедшие атомы не успевают заполнить пустые узлы.

2. Механизм диффузии в реальных кристаллах. В реальных кристаллах могут проходить следующие типы процессов (рис. 4):

1. смещение атома в междоузлие ( ). При этом возникает структура Френкеля. Затем идет процесс диффузии атома по междоузлиям (рис. 4, a);

2. смещение атома 1 в междоузлие с последующей диффузией соседа 2 в вакансию 1, оставленную атомом 1, и дальнейшей диффузией атома 3 в вакансию 2, атома 4 в вакансию 3 и т. д. (диффузия по вакансиям с начальным образованием структуры Френкеля) (рис. 4,b);
3. одновременное смещение двух, трех или четырех атомов в междоузлия с последующим занятием ими вакансий, оставленных друг другом (рис. 4, с),— дублетная, триплетная, соответственно квадруплетная круговая диффузия по междоузлиям и вакансиям;
4. смещение атома 1 в свободную вакансию [ ], смещение атома 2 в вакансию 1, атома 3 в вакансию 2 и т. д. (диффузия по вакансиям в структурах Шоттки и др.).