Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 [ 48 ] 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

присутствием примесей в полупроводнике, называется примесной.

Примеси элементов V группы в германии и кремнии определяют электронный тип проводимости, так как отдают в валентную зону кристалла полупроводника четыре электрона, а пятый становится носителем электрического тока. Такие примеси называют донорными. Для германия ими являются мышьяк и сурьма, а для кремния - фосфор и мышьяк. Полупроводники, в которых преобладают донорные примеси, называются электронными или п-типа.

Примеси элементов П1 группы обусловливают дырочный тип проводимости, так как отдают в валентную зону кристалла полупроводника только три электрона. В кристалле образуются незаполненные связи-«дырки», что вызывает ряд последовательных перемещений соседних электронов. В результате дырка перемещается подобно положительному заряду. Такие примеси называют акцепторными. Для германия ими служат галлий и индий, для кремния-бор и алюминий. Полупроводники с преобладанием акцепторных примесей называются дырочными или р-типа.

Примеси резко изменяют собственную проводимость полупроводника. Потенциал ионизации у примесей меньше, чем у полупроводников, поэтому уже при температуре 20-25 °С практически все атомы примесей ионизированы. Благодаря этому концентрация примесных носителей электрического тока обычно выше концентрации собственных носителей. При содержании 10" атомов примесей в 1 м полупроводника, что составляет всего 10"%, собственное удельное электрическое сопротивление германия снижается от 0,5 до 0,15 Омм (рис. 17.10).

Помимо концентрации примесных носителей электрического тока большое влияние на проводимость оказывает их подвижность. Для германия подвижность электронов и дырок при 20 °С соответственно равна 0,38 и 0,18 м(В-с). Дефекты кристаллической решетки, примеси и тепловые колебания атомов вызывают рассеяние носителей, снижая тем самым их подвижность. Все это приводит к неконтролируемым изменениям проводимости полупроводника, но может быть частично устранено применением монокристаллов, в которых плотность дефектов кристаллической структуры значительно ниже.

р,Омм

0,50 0,10 0.10

0.01

>

10"

о 10"

Рис. 17.10. Зависимость электрического сопротивления германия от содержания примесей при 20 "С

Важной характеристикой полупроводников является также время жизни примесных носителей электрического тока. В полупроводнике одновременно с процессом возникновения «свободных» электронов и дырок идет обратный процесс рекомбинации: электроны из зоны проводимости вновь возвращаются в валентную зону, ликвидируя дырки. В результате концентрация носителей уменьшается. При данной температуре между этими двумя процессами устанавливается равновесие. Среднее время, в течение которого «живет» носитель до своей рекомбинации, называют временем жизни. Расстояние, которое успеет пройти за это время носитель, называют диффузионной длиной. Некоторые примеси и дефекты уменьшают время жизни носителей электрического тока и тем самым ухудшают работу прибора. Для хорошей работы полупроводникового прибора время жизни носителей должно быть не меньше, чем 10" с.

Таким образом, к основным характеристикам полупроводниковых материалов относятся электрическое сопротивление, которое зависит от концентрации и подвижности носителей электрического тока, а также время жизни носителей электрического тока. Каждая из этих характеристик определяет свойства полупроводника и зависит от вида и количества примесей, а также наличия дефектов кристаллической структуры.

В связи с этим для изготовления высококачественных приборов необходимы моно-

р = (1/е) (iV„H„ + WpH,), где р-электрическое сопротивление полупроводника; JV„ и Nj,-соответственно концентрация донорной и акцепторной примесей; ц„ и ц,-подвижность электронов и дырок; е-заряд электрона.



кристаллы германия и кремния высокой степени чистоты и совершенной кристаллической структуры. Для получения нужного типа проводимости, кристаллы легируют в строго контролируемых микродозах.

Кроме химически чистых элементов в полупроводниковой технике используют сложные полупроводниковые соединения. Это промежуточные фазы элементов разных групп периодической таблицы: соединения элементов четвертой группы Ав; третьей и пятой А™в, а также второй и шестой группы а"в

Основной представитель соединения типа Av giv карбид кремния SiC. в гексагональной кристаллической решетке карбида кремния, как и в кубической решетке алмаза, каждый атом кремния (или углерода) имеет четырех соседей (тетраэдрическое окружение), с которыми он вступает в ковалентную связь. Атомы углерода занимают тетраэдри-ческие поры. Карбид кремния является фазой строго стехиометрического состава, поэтому его проводимость определяют точечные дефекты структуры, частичная раз-упорядоченность атомов в кристаллической решетке или примеси. Примеси III и II групп для него являются акцепторными, а примеси

V и VI групп - донорными. Полупроводниковые фазы типа а"в

определенного стехиометрического состава не являются чисто ковалентными кристаллами, так как из-за различия в валентности элементов в них наряду с ковалентными возникают и ионные связи. Кристаллографическая решетка таких соединений аналогична решетке алмаза. Из соединений типа А"в применяют соединения с сурьмой (антимониды), например ZnSb, и с мышьяком (арсе-ниды), например GaAs. Они имеют определенный химический состав, поэтому неосновные носители электрического тока возникают из-за примесей, точечных дефектов и разупорядоченности. Примеси III и

V групп мало влияют на проводимость. Примеси II группы являются акцепторными, VI-донорными. Элементы IV группы в тех случаях, когда они замещают атомы А-доноры, если замещают атомы в-акцепторы.

Применение находят также соединения типа А"в. к ним относятся сульфиды (соединения с серой) и оксиды (соединения с кислородом). в таких соединениях преобладает ионный тип связи, и они имеют переменный состав. Избыток ионов металла

в соединении создает электронную проводимость. При избытке неметаллических ионов соединение приобретает дырочную проводимость. в соединении типа А"в преобладания электронной или дырочной проводимости можно добиться изменением состава, нагревая кристаллы в парах одного из элементов.

Полупроводниковые соединения, которые имеют большие значения ширины запрещенной зоны, применяют в приборах при более высоких рабочих температурах.

Наиболее перспективным полупроводником является арсенид галлия GaAs, несмотря на сложность технологии получения. Значительно большая, чем в Si, скорость движения электронов позволяет использовать его в быстродействующих системах.

Кристаллофизические методы получения сверхчистых материалов. Химические методы получения простых полупроводников и чистых элементов, используемых при легировании и в производстве сложных полупроводниковых материалов, обеспечивают высокую степень очистки. Дистилляция (испарение жидкой фазы) удаляет легкоиспаряю-щиеся примеси, ректификация (многократное испарение и конденсация)-примеси, имеющие невысокие температуры плавления, испарения и большой интервал жидкого состояния. Сублимацией (испарение твердой фазы) очищают от механических примесей и газов и получают монокристалл, применяя ампулу с концом конической формы (рис. 17.11).


Рис. 17.11. Схема процесса получения монокристалла методом сублимации (А/- разность температур между поверхностями испарения и конденсации)



На этом конце из-за более низкой температуры образуется центр кристаллизации, на котором и растет монокристалл (см. гл. 2). Перечисленными методами можно получать монокристалл с высоким значением удельного электрического сопротивления. Например, монокристалл германия при р = = 0,10 Омм имеет примеси в 1 м 10" атомов (см. рис. 17.10).

Более глубокую очистку полупроводниковых материалов (для германия р> >0,45 Омм), а также легирование в строго контролируемых микродозах проводят кристаллофизическими методами. Основными из них являются методы направленной кристаллизации из расплавов.

Кристаллофизические методы очистки основаны на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах.

Схема диаграммы состояния для германия и примеси, которая при малых концентрациях образует с ним твердый раствор, показана на рис. 17.12. Если общее содержание примесей составляет iV%, то в процессе кристаллизации при температуре 720 °С примесей в твердой фазе iV, будет значительно меньше, чем в жидкой фазе N- Распределение примесей между фазами характеризуется коэффициентом распределения К,

Монокристалл


Примегь, %

Рис. 17.12. Схема диаграммы состояния системы германий -примесь


Рис. 17.13. Схема получения монокристалла методом нормальной направленной кристаллизации:

а - горизонтальный; б - вертикальный; в - распределение примесей по длине при различном К

равным отношению концентрации примесей:

К = iV ,/ж.

(17.3)

Таким образом, если К<1, то при кристаллизации примеси скапливаются в жидкой фазе. Это явление легло в основу нескольких методов очистки.

Методы нормальной направленной кристаллизации (рис. 17.13) используют для очистки полупроводника от примесей, имеющих малое значение К, и для получения монокристаллов. Химически очищенный полупроводник помещают в ампулу (или в графитовую лодочку), которую перемещают в печи, имеющей по длине большой градиент температуры. В начале процесса полупроводник расплавляется, а затем часть его, попадая в зону печи с пониженной температурой, кристаллизуется. Если кристаллизация начинается с острого конца ампулы, то растет очищенный монокристалл. Примеси, у которых < 1, сохраняются в жидкой фазе. Распределение примеси по длине кристалла при нормальной направленной кристаллизации для разных значений К показано на рис. 17.13. После затвердевания конец



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 [ 48 ] 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61