Материал: Полупроводники (1)

n - концентрация носителей заряда

μ – подвижность носителей заряда, которая определяется скоростью дрейфа носителя заряда в электрическом поле.

Следовательно, для полной характеристики полупроводника надо измерить любую пару из трех параметров. При отлаженном производстве, ограничиваются измерением только удельного сопротивления т.к. выполняется оно просто и с достаточной точностью.

4. Подвижность носителей μ

Кроме концентрации носителей заряда (количество в единице объема), проводимость полупроводника зависит от подвижности носителей заряда, т.е. скорости дрейфа в электрическом поле напряженностью 1 В/м:

μ = V/E [ м²/(В·с)]

где: V – скорость дрейфа зарядов;

Е – напряженность электрического поля

Подвижность носителей - важный параметр, определяющий быстродействие приборов. Как правило, подвижность электронов μ_n всегда больше подвижности дырок μ_р. Это объясняется большей инерционностью дырок (соответствующей инерционности валентного электрона), чем свободного электрона.

Чем больше подвижность, тем больше скорость движения носителей и тем выше быстродействие полупроводникового элемента. Подвижность носителей заряда зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является температура. Зависимость μ от температуры определяется механизмом рассеяния носителей. Поскольку с повышением температуры увеличивается интенсивность колебания атомов кристаллической решетки, то возрастает и число столкновений в единицу времени, следовательно, наблюдается падение подвижности носителей.

Для кремния п-типа можно записать

μ = μ₀(Т₀ / Т)^3/2,

где μ₀ - подвижность носителей при начальной (комнатной) температуре Т₀.

Аналогичные зависимости имеют место и для других полупроводниковых материалов; отличие заключается только в величинах показателя степени.

Подвижность носителей заряда в примесных полупроводниках обычно уменьшается с повышением концентрации примесей, причем степень влияния концентрации примесей возрастает при ее увеличении, так как ионизированные атомы примеси являются такими же центрами рассеяния, как и атомы загрязняющих примесей.

В технологии полупроводников величина подвижности служит критерием чистоты и структурного совершенства материала. Подвижность измеряется при температуре жидкого азота (77⁰К), когда "замораживаются" тепловые колебания атомов решетки и величина ее в чистых образцах резко (в 5-10 раз) увеличивается. В менее чистых образцах доля рассеяния на примесях больше, чем в чистых, и поэтому рост подвижности с понижением температуры невелик.

.

Произведение подвижности носителей на их концентрацию дает удельную электропроводность:

γ = μne

где: n – концентрация носителей,

μ - подвижность носителей,

e- заряд электрона.

Рис. 8. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры.

Удельная электропроводность полупроводника определяется концентрацией и подвижностью свободных носителей заряда, значения которых зависят от температуры. Причем для концентрации свободных носителей заряда характерна экспоненциальная температурная зависимость, а для подвижности – степенная. Учитывая, что степенная зависимость слабее экспоненциальной, т.е., иными словами, концентрация носителей зарядов зависит от температуры в большей степени, чем подвижность, то можно записать:

g = Ae^{- DEзз / 2KT}

где: А – предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от температуры.

К - постоянная Больцмана, К = 8,6_*10^-5 эВ/К.

Т – температура.

DEзз – ширина запрещенной зоны

Эту зависимость удобно анализировать в графическом виде, используя координаты Аррениуса ln g = f(1/T) , в которых она имеет вид прямой линии.

На первом графике приведена зависимость концентрации основных носителей заряда n от температуры. На втором графике – зависимость удельной электропроводности от температуры.

Из-за малых значений DЕ_д рост электропроводности проявляется в области низких температур (участок 1) за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. В этом диапазоне температур в полупроводнике n-типа происходит переход электронов с донорного уровня в зону проводимости, а в полупроводнике p-типа – из валентной зоны на акцепторный уровень. Процесс возрастания g с повышением температуры происходит до тех пор, пока не ионизируются все атомы примесей. Собственная же электропроводность полупроводника еще не проявляется. В этих условиях концентрация свободных носителей практически от температуры не зависит и характер изменения g определяется зависимостью подвижности носителей заряда от температуры. Подвижность носителей заряда с ростом температуры падает из-за усиления колебаний атомов кристаллической решетки, которые являются центрами рассеяния свободных носителей заряда (участок 2). В кремнии эта область приходится на диапазон –150 - +150⁰ С. Именно в этом диапазоне температур, т.е. на участке 2 работают полупроводниковые приборы. Резкое увеличение удельной электропроводности при дальнейшем росте температуры объясняется началом генерации электронно-дырочных пар и соответствует области собственной электропроводности (участок 3). При таких температурах происходит потеря работоспособности приборов на p-n переходах. Из графика на видно, что предельная максимальная рабочая температура полупроводниковых приборов определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала.

5. Время жизни носителей заряда τ.

Время жизни – это время за которое концентрация n убывает в e раз. (т.е. определяет среднее время жизни электронно-дырочных пар).

Материалы полупроводниковой технологии.

Германий (Ge) является одним из первых полупроводников, получивших широкое применение в серийном производстве различных полупроводниковых приборов. Его используют при производстве выпрямительных и импульсных диодов, различных видов транзисторов, фотодиодов, фоторезисторов, детекторов инфракрасного излучения и.д. Диапазон рабочих температур этих приборов от –60^оС до 80 ^о С.

Германий обладает кубической решеткой. По внешнему виду благодаря характерному блеску он напоминает металл. Его кристаллы очень твердые и хрупкие. Сравнительно высокая стоимость германия объясняется сложностью получения исходного сырья.

Собственное удельное сопротивление германия составляет rv=0,47Ом·м.

Ширина запрещенной зоныDEзз = 0,67 эВ при Т = 3000 К

Температура плавления Тпл = 937⁰ С

Подвижность электронов μn = 0,39 м2/В*с

Подвижность дырок μp = 0,19 м2/В*с

λ=0,8 Вт/см*рад

t_раб. = -60^о + 70^о

Невысокий верхний предел рабочей температуры является существенным недостатком германия.

При нагревании на воздухе до температуры 650^о С германий окисляется с образованием GeO₂, но эта пленка имеет плохие защитные свойства.

Германий- элемент 4-й группы, имеет кубическую кристаллическую решетку с ковалентными связями.

Содержание германия в земной коре невелико 7 10-4 %.

Материалы с большой концентрацией германия не встречаются в природе. Этот материал получают из побочных продуктов цинкового производства или из медно-свинцовых руд.

В результате химической переработки получают тетрахлорид германия GeCl₄, затем гпидролизом переводят его в двуокись германия GeO₂ – порошок белого цвета.

GeCl₄ + 2H₂O → GeO₂ + 4HCl

GeO₂ восстанавливают в водородной печи при t^о = 650 – 700^о С до элементарного Ge - порошок серого цвета

GeO₂ + 2H₂ → Ge + 2H₂O

Затем порошок сплавляют в слитки, которые требуют дополнительной очистки.

Для получения чистого германия используют метод зонной плавки или вытягивания из расплава (метод Чохральского).

Германий, используемый для изготовления полупроводниковых приборов, не должен содержать случайных примесей больше 5х10 ^-9 %. Наиболее распространенным способом очистки германия является метод зонной плавки. Метод зонной плавки основан на сегрегации примесей в жидкой и твердой фазе, т.е. разной растворимости в жидкой и твердой фазе.

1 – кварцевая трубка, заполненная инертным газом,

2 –индукционный нагрев, 3 – слиток германия, 4 – графитовая лодочка,

5 – расплавленные зоны.

Ширина зоны плавления 40 – 50 мм.

Скорость движения каретки 15 – 20 мкм/с.

Длина слитка Ge может быть до 1000 мм.

Для достижения требуемой чистоты необходимо 5 – 8 проходов расплавленной зоны, или один проход с 5 – 8 витками. В ходе плавки все примеси, имеющие Т_{пл. примеси} ‹ Т_{пл Ge} захватываются жидкой фазой и вместе с ней уносятся к концу слитка, которую отрезают (20 – 25 мм).

Кремний (Si) является самым распространенным элементом в земной коре после кислорода, его содержание в ней 28%. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается. Его соединениями являются такие распространенные природные материалы, как кремнезем и силикаты.

Кремний применяют для изготовления различных диодов и транзисторов, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла и многих других полупроводниковых приборов. Кремний используется при изготовлении интегральных схем. Практически 98% полупроводниковых интегральных схем, в настоящее время, выполняются на основе кремния.

Собственное удельное сопротивление кремния составляет r_v =2·10³ Ом·м.

В технологическом отношении кремний более сложный материал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавления 1420^оС и в расплавленном состоянии химически весьма активен (вступает в реакцию практически со всеми тигельными материалами).

Кремний дешевле германия из-за доступности исходного сырья. Допустимое содержание посторонних примесей в кремнии, используемом в производстве полупроводниковых приборов, не должно превышать 10 ^-11 %.

Благодаря тому, что кремний имеет большую ширину запрещенной зоны, чем германий, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах. Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает 200 ^о С.

Получение и очистка кремния

Кремний- элемент 4-й группы, имеет кубическую кристаллическую решетку с ковалентными связями. Устойчив при нагреве на воздухе до 900⁰ С, затем активно окисляется.

Достоинства кремния:

1. оптимальная температура плавления 1420⁰ С. При более низкой температуре не возможно было бы проводить диффузию, протекающую при 1220⁰ С, а при более высокой создало бы проблемы для материалов петлей и реакторов.

2.достаточная ширина запрещенной зоны обеспечивает хороший температурный диапазон -60-+130⁰ С

3. возможность получения на поверхности Si собственного окисла SiO₂, обладающего хорошими защитными свойствами.

4. доступность сырья: содержание кремния в земной коре составляет около 28%.

Параметры кремния:

∆Е_зз=1,12 эВ

ρ_v=2*10³ [Ом*м]

μ_n=0.14 [м²/В*сек]

μ_p= 0,05 [м²/В*сек]

λ=0,8 Вт/м*град

Ограничения:

1. не обладает излучательной способностью (не пригоден для ОКГ и светодиодов)

2. невысокая подвижность носителей, что препятствует созданию на нем сверхвысокочастотных приборов.

3. высокая химическая активность в расплавленном состоянии

4. наличие трудноудаляемых примесей (бор), температура плавления которого значительно выше (2300⁰ С)

5. невысокая радиационная стойкость.

Получение поликристаллического чистого кремния:

1

SiCl₄+2H₂↔Si +4HCl

SiHCl₃ + H₂↔ Si+3HCl

2. термическим разложением (получение поликристаллических пленок) моносилана Si H₄ SiH₄→Si+2H₂

Очистка:

• допустимое содержание примесей 10^-11%

• для Si метод зонной плавки не нашел применения из-за активности кремния (активно реагирует с углеродом)

• температура плавления кремния близка к температуре плавления кварцевого стекла.

Получение монокристалла:

1. метод Чохральского (диаметр слитков до 100,150мм)

2. метод бестигельной зонной плавки, диаметр до 60 мм.

Наибольшее распространение для получения монокристаллов полупроводниковых материалов получил метод Чохральского.

Сущность метода: на монокристаллическую затравку нарастает кристалл в точности повторяющий кристаллографическую ориентацию в самой затравке.

Основные стадии процесса:

1. плавление поликристаллической загрузки

2. оплавление монокристаллической затравки и кристаллизация на ней первых порций расплава

3. подъем затравки и вытягивание щетки

4. разращивание монокристалла до номинального диаметра

5. рост монокристалла постоянного диаметра

6. оттяжка на конус, обрыв кристалла

7. охлаждение выращенного монокристалла