Полупроводники

SiCl_4(г)+2H_2(г)=Si_(тв)+4HCl_(г)

Рисунок 2.4 - Схема  реактора для эпитаксиального наращивания  кремния:

1_корпус реактора; 2_подложка; 3_графитовая подставка;

4_высокочастотный  индуктор.

Реакция протекает  в кварцевых реакторах или  температурах порядка 1200 °С. Подложками служат монокристаллические пластины кремния, вырезаемые из слитков и подвергаемые механической и химической полировке. Подложки размещаются на графитовой подставке, нагреваемой токами высокой частоты (рисунок 2.4). Перед началом осаждения подложки подвергаются газовому травлению непосредственно в реакторе путем добавления паров НСl в поток газа-носителя. Травление, происходящее по обратимой реакции, позволяет получить чистую неокисленную поверхность полупроводника. Легирование слоев осуществляют из паров соединений, содержащих примесные элементы (например, РС1₃, BBr₃, AsH₃ и т.п.).

Эпитаксиальное  выращивание структур с р-n_переходами получило широкое распространение для изоляции элементов интегральных микросхем областью объемного заряда, протяженность которой возрастает при подаче обратного смещения на р-n_переход.

2.6 Применение в полупроводниковых  приборах и ИС

В начале развития полупроводниковой технологии широкое применение получил германий. Этому способствовали более низкая температура плавления, а значит более доступная технология очистки, а также высокая подвижность носителей заряда в веществе. В дальнейшем была усовершенствована технология получения и очистки кремния и в настоящее время кремний - базовый материал при изготовлении пленарных транзисторов и ИС.

Кремний имеет  следующие преимущества перед германием:

а) большая ширина запрещенной зоны Ео, что обеспечивает более низкие концентрации собственных и неосновных носителей . Это дает возможность создавать резисторы с более высокими номиналами; обеспечивать меньшие токи утечки в p-n_переходе; использовать более высокие рабочие температуры и удельные нагрузки;

б) кремний более  устойчив к загрязнениям поверхности;

в) пленка SiO₂ имеет коэффициенты диффузии примесей меньше, чем кремний, и обеспечивает маскирующие и пассивирующие свойства.

Германий используется для изготовления большого числа  полупроводниковых приборов: выпрямительных диодов (на прямые токи 0,3… 1000 А при падении напряжения не более 0,5 В), лавинно - пролетных и туннельных диодов, варикапов, точечных высокочастотных, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Для этой цели используют Ge, легированный золотом.

Германий используется для изготовления сплавных биполярных транзисторов с граничной частотой 600 МГц. Нанесение пленочной изоляции из SiO₂ позволяет изготавливать Ge - транзисторы по планарной технологии.

Благодаря относительно высокой подвижности германий применяется  для изготовления датчиков Холла.

Оптические свойства германия позволяют использовать его  для изготовления фотодиодов, фототранзисторов, оптических линз с большой светосилой (для ИК-лучей), оптических фильтров, модуляторов света, а также счетчиков ядерных частиц.

Рабочий диапазон температур германиевых приборов -60… +70 °С.

Кремний применяется  практически для всех типов полупроводниковых приборов и интегральных схем: диодов (выпрямительных, импульсных, СВЧ и др), биполярных транзисторов (низкочастотных, высокочастотных, мощных, маломощных), полевых транзисторов, приборов с зарядовой связью. Плоскостные Si_диоды могут выдерживать обратные напряжения до 1500 В и пропускать ток в прямом направлении до 1500 А. Рабочие частоты планарных транзисторов могут достигать 10 ГГц.

Из кремния  изготавливают большинство стабилитронов  и тиристоров. Кремниевые стабилитроны в зависимости от степени легирования материала имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В.

Широкое применение находят кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды с высоким  быстродействием. Спектр фоточувствительности кремниевых фотодетекторов (0,3…1,1 мкм) хорошо согласуется со спектром излучения многих полупроводниковых источников света.

Кремниевые фотоэлементы для преобразования солнечной энергии  в электрическую (солнечные батареи) используются в системах энергоснабжения  космических аппаратов и имеют  к.п.д.10…12%.

Кремний, легированный литием, используется для детекторов ядерных излучений. Кремний используется также для изготовления датчиков Холла и тензодатчиков. В тензодатчиках  используется сильная зависимость  удельного сопротивления от механических деформаций.

Верхний температурный предел работы Si_приборов - 180…200 °С. Приборы на кремнии отличаются большой надежностью.

Использовались  источники [1, 2, 4, 5].

3. Методы контроля  параметров полупроводниковых  материалов: проводимости, концентрации, подвижности,  ширины запрещенной зоны

3.1 Проводимость полупроводников

При приложении электрического поля к однородному  полупроводнику в последнем протекает  электрический ток. При наличии  двух типов свободных носителей - электронов и дырок - проводимость ? полупроводника будет определяться суммой электронной ?n и дырочной ?p компонент проводимости ?=?n+?p.

Величина электронной  и дырочной компонент в полной проводимости определяется классическим соотношением:

(3.1)

где и - подвижности  электронов и дырок соответственно.

Для легированных полупроводников концентрация основных носителей всегда существенно больше, чем концентрация неосновных носителей, поэтому проводимость таких полупроводников будет определяться только компонентой проводимости основных носителей. Так, для полупроводника n-типа:

(3.2)

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением:

(3.3)

Здесь ? - удельное сопротивление, обычно измеряемое в  единицах [Ом·см]. Для типичных полупроводников, используемых в производстве интегральных схем, величина удельного сопротивления находится в диапазоне ? = (1 ? 10) Омсм.

В отраслевых стандартах для маркировки полупроводниковых  пластин обычно используют следующее  сокращенное обозначение типа: КЭФ - 4,5. В этих обозначениях первые три буквы обозначают название полупроводника, тип проводимости, наименование легирующей примеси. Цифры после букв означают удельное сопротивление, выраженное во внесистемных единицах, - Ом·см. Например, ГДА - 0,2 - германий, дырочного типа проводимости, легированный алюминием, с удельным сопротивлением ? = 0,2 Ом·см; КЭФ - 4,5 - кремний, электронного типа проводимости, легированный фосфором, с удельным сопротивлением ? = 4,5 Ом·см.

3.1.1 Преимущества и  недостатки методов  исследования проводимости  полупроводников

При определении  электропроводности методом термозонда в отличие от метода Холла нельзя вычислить подвижности дырок и электронов, т.е. методом термозонда невозможно определить какие-нибудь точные значения. Но метод термозонда уступает методу Холла в простоте определения типа электропроводности, нет сложных просчетов и сам опыт не предоставляет собой довольно сложные лабораторные исследования. Недостатком метода вольтамперной характеристики является то, что при определении проводимости этим методом желательно, чтобы поверхность образца полупроводника была шероховатой (шлифованной), а не полированной, т. к. при шлифованной поверхности осциллограмма более четко выражена и по ней легче определить тип проводимости образца.

3.2 Определение подвижности

Под действием  внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения (скорость дрейфа) и создают электрический ток. Отношение средней установившейся скорости направленного движения к напряженности электрического поля называют подвижностью носителей заряда:

? = . (3.4)

В полупроводниках  следует различать подвижность  электронов ?_п и подвижность дырок ?_р. С учетом двух типов носителей заряда выражение плотности тока принимает вид:

J = en₀?_пE + ep₀?_pE, (3.5)

где п₀ и р₀ - равновесные концентрации электронов и дырок в полупроводнике.

С помощью закона Ома из (1) легко получить формулу  для удельной проводимости полупроводника:

? = en₀?_п + ep₀?_p. (3.6)

В примесных  полупроводниках, как правило, одним  слагаемым из выражения (2) можно  пренебречь. Например, при достаточно большой концентрации доноров в полупроводнике вклад дырок в электропроводность ничтожно мал. В большинстве случаев подвижность дырок меньше подвижности электронов.

3.2.1 Факторы, определяющие  подвижность

Согласно экспериментальным  данным у некоторых полупроводников подвижность носителей заряда может быть на несколько порядков больше, чем у металлов, то есть электроны в плохо проводящих кристаллах могут двигаться более свободно, чем в металлах.

Дрейфовая скорость, а значит и подвижность носителей заряда, тесно связаны с их длиной свободного пробега в кристалле:

? =·?₀ = ·, (3.7)

где m* - эффективная масса носителей заряда; - тепловая скорость.

Большая подвижность  может быть обусловлена малой  эффективной массой носителя заряда m* и большим значением временем свободного пробега или точнее времени релаксации ?₀. В полупроводниках эффективная масса носителей заряда может быть как больше, так и меньше массы свободного электрона.

Время релаксации, характеризующее уменьшение тока после  снятия поля, определяется процессами рассеяния движущихся в полупроводниках электронов. Чем больше частота столкновений и чем они интенсивнее, тем меньше время релаксации, а следовательно, и подвижность.

При комнатной  температуре средняя скорость теплового  движения свободных электронов в невырожденном полупроводнике около 10⁵ м/с.

Причинами рассеяния  носителей заряда в полупроводниках, по-разному влияющими на температурную  зависимость подвижности, являются:

1. тепловые колебания  атомов или ионов кристаллической  решетки;

2. примеси в ионизированном или нейтральном состоянии;

3. дефекты решетки  (пустые узлы, искажения, вызванные  атомами внедрения, дислокации, трещины,  границы кристаллов и т.д.).

3.3 Концентрация собственных  носителей

В полупроводнике при любой температуре в результате процессов тепловой генерации и рекомбинации устанавливается некоторая равновесная концентрация электронов n₀ и дырок p₀.

У собственных полупроводников:

n_i=p_i, n_i+p_i=2n_i (3.8)

Единица измерения концентрации - штук в единице  объема.

Классическое  распределение Больцмана для молекул газа в единице объема и статистика Максвелла - Больцмана, если Е_i - полная энергия частицы, дают следующую формулу для определения концентрации этих частиц:

(3.9)

В квантовой теории вероятность заполнения энергетического  уровня электронами подчиняется статистике Ферми-Дирака и определяется функцией Ферми:

(3.10)

где Э - энергия уровня, вероятность заполнения которого определяется T - температура, k=1.3810^-23 (Дж/К) = 0.8610^-4 (Эв/К) - постоянная Больцмана.

Э_ф - энергия уровня Ферми, вероятность заполнения которого равна 0.5 и относительно которого кривая вероятности симметрична.

Для полупроводников:

 

Рисунок 3.1 - Положение энергетических зон в полупроводнике

При Т=0⁰К функция Ферми обладает следующими свойствами:

P_n(Э)=1 если Э<Э_ф

P_n(Э)=0 если Э>Э_ф

Величина  Э_ф - уровень Ферми [Эв] [Дж] или энергия электрохимического потенциала

(3.11)

где n - концентрация электронов валентной зоны.