§ 7.2. Класифікація р-п-переходів

Залежно від співвідношення між шириною області просторового заряду й товщиною шару, у якому відбувається зміна концентрації й типу домішкових атомів, р-п-переходи ділять на різкі й плавні.

Електричний перехід, у якому товщина області зміни концентрації домішки значно менша товщини області просторового заряду, називають різким (рисунок 7.3, а). Перехід, у якому товщина області зміни концентрації домішки порівнянна з товщиною області просторового заряду, називають плавним (рисунок 7.3, б).

Рисунок 7.3 -Зміна концентрації домішок: а – для різкого р-п-перехода; б – для плавного р-п-перехода

Випрямляючі властивості р-п-переходів багато в чому залежать від визначеності фіксації межі між п- і р-областями.

Границя є фіксованою в тому випадку, якщо модуль градієнта концентрації домішок поблизу неї задовольняє нерівності:

де N – концентрація домішки; – дебаєвська довжина, що характеризує проникнення електричного поля у тверде тіло, взята для напівпровідника із власною електропровідністю (φ_т – температурний потенціал: φ_т = kТ/e).

З наведеної нерівності видно, що на дебаєвській довжині концентрація домішок повинна сильно змінитися. Якщо концентрація домішок на межі переходу міняється таким чином, що dN /dx>>N/l_д, то перехід має фіксовану межу й добрі властивості, що випрямляють. Якщо градієнт концентрації домішки дуже малий, то в околиці межі подвійний електричний шар не утвориться й p-n-перехід відсутній.

Переходи підрозділяють на симетричні й несиметричні залежно від співвідношення концентрацій донорів й акцепторів у п- і р-областях. На практиці використають несиметричні переходи, у яких концентрації домішок відрізняються в 100 - 1000 разів.

Розглянуті на рисунку 7.2 графіки відносяться до різкого симетричного p-n-переходу. Глибина проникнення р-n-перехода в обидва напівпровідники однакова й тим більше, чим більше значення питомого опору напівпровідників: l_p/l_n=N_д/N_а, де l_p й l_n – глибини проникнення переходу відповідно в р- і n-областях. Ширину різкого симетричного р-п-перехода можна визначити по формулі

Ширина несиметричного переходу визначається в основному областю з більше високим питомим опором. Для різкого несиметричного переходу при N_д<<N_а

Заряди донорів й акцепторів у несиметричному перехіді теж однакові, тому довжини областей зарядів різні (рисунок 7.4).

Розглянемо плавний несиметричний p-n-перехід (рисунок 7.5). Його особливістю є характерною для неоднорідно легованого напівпровідника наявністю внутрішнього електричного поля, обумовленого градієнтом концентрації домішок по товщині пластини. Це поле порівняно мало в порівнянні з полем переходу і ним зневажають. Плавний перехід утворюється неоднорідно легованими ділянками р- і n-шарів (область Д). Товщина p-n-переходу – l.

В області d перекриття об'ємні заряди складаються із зарядів донорів й акцепторів e(N_Д'+N_а') і градієнт концентрації заряду визначається сумою градієнта розподілу донорів і градієнта розподілу акцепторів. На інших ділянках об'ємні заряди – це заряди або донорів, або акцепторів, і величини градієнтів відрізняються від градієнта в області d. Перехід, показаний на рисунку 7.5, називають «широким» – його межі виходять за межі однорідного градієнта концентрації. Звичайно плавні переходи мають товщину l<d й є «вузькими».

Різкі переходи одержують при сплавному методі створення переходу, плавні - за допомогою дифузії. Найпоширенішим методом одержання p-n-переходів є дифузія. Способів проведення дифузії багато: дифузія з газової, рідкої або твердої фази - залежно від агрегатного стану дифузанта. При проведенні дифузії домішок концентрація їх на поверхні пластини максимальна, а в глиб пластини плавно зменшується за законом, близькому по характері до експонентного.

Рисунок 7.4 - Несиметричний р-n-перехід

Рисунок 7.5 - Графіки розподілу концентрації носіїв й об'ємних зарядів у плавному р-n-переході

Якщо взяти пластину n-типу, провести в неї дифузію акцепторної домішки (рисунок 7.6), то на відстані від поверхні пластини до глибини Х₀ концентрація акцепторів буде перевищувати концентрацію донорів, і ця частина пластини буде мати електропровідність р-типа.

Рисунок 7.7 - Одержання р-п-перехода сплавним методом

Рисунок 7.6 - Розподіл домішок у р-п-переході, отриманому методом дифузії

Іншим розповсюдженим способом одержання p-n-переходів є сплавка напівпровідника з металом. На напівпровідникову пластину з електропровідністю, наприклад, п-типа, товщиною 100–200мкм накладають таблетку металу, що володіє властивостями домішкового акцепторного матеріалу. Пластину з таблеткою поміщають у вакуумну камеру або водневу піч і нагрівають до температури плавлення домішки. Таблетка розплавляється й розчиняє прилягаючий до неї напівпровідник. Виходить розплав певної сполуки. Потім виконують повільне охолодження. При цьому напівпровідник рекристалізується з розплаву, наращиваясь на тверду частину кристалічної решітки. У рекристалізовану зону попадає значна кількість атомів домішки. Оскільки домішка є акцепторної, рекристалізований шар напівпровідника має електропровідність р-типа (рисунок 7.7).

Недоліком розглянутих методів є неможливість одержання р-п-переходів малої площі.

Одним з найпоширеніших сучасних методів виготовлення різних напівпровідникових приладів є так звана планарна технологія, при якій на напівпровідниковій пластині в єдиному технологічному циклі виходить велика кількість p-n-переходів. В основі планарної технології лежать технологічні операції: окислювання, фотолітографія й дифузія. Послідовність технологічних операцій при виготовленні планарного переходу наведена на рисунку 7.8.

Рисунок 7.8 - Виготовлення р-n-перехода методом планарної технології

Пластину кремнію з електропровідністю, припустимо, n-типу, відполіровану до 14-го класу чистоти, піддають оксидуванню. На оксидну поверхню наносять фоточутливий шар речовини, названого фоторезистом. Пластину поміщають в установку сполучення й експонування й через фотошаблон засвічують її ультрафіолетовим випромінюванням. Цей процес аналогічний фотографічному.

Особливість фоторезисту полягає в тому, що під дією ультрафіолетового випромінювання в ньому змінюються фізико-хімічні властивості, і він перетворюється в кислотостійкий шар. Незасвічені ділянки видаляються проявом. У цих місцях пластини при обробці її у фтористоводородній кислоті розчиняються ділянки діоскида кремнію, незахищені кислотостійким фоторезистом, - у шарі діоксида з'являються «вікна». У ці вікна для одержання p-n-переходу проводиться дифузія акцепторної домішки. Плівка діоксида кремнію перешкоджає дифузії домішок у всю пластину.