Тема: Примесная проводимость полупроводника
1. Общие сведения и основные понятия
При производстве полупроводниковых приборов чаще всего используют примесные полупроводники. Чистые полупроводники, в частности чистые кремний Si и германий Ge, являются исходными материалами для введения примесей.
Введение примесей в чистый полупроводник называется легированием полупроводника, а полупроводник с введённой примесью – легированным полупроводником.
Различают высоколегированные (с малым удельным сопротивлением) и низколегированные (с большим удельным сопротивлением) полупроводники.
Основная цель введения примеси (т.е. легирования) – изменить тип проводимости, т.е. изменить концентрацию или электронов или дырок в объёме полупроводника для получения заданных свойств.
В связи с этим различают соответственно электронные (n - типа) и дырочные (p - типа) полупроводники.
В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация, нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.
Легирование полупроводниковых материалов обычно осуществляют непосредственно в процессах получения кристаллов. Примесь вводится в расплавленный полупроводник либо в виде химического элемента, либо в виде сплава с данным полупроводниковым материалом. Часто легирование осуществляют из паров данного элемента или его легколетучих соединений. Одна из главных задач легирования – обеспечение равномерного распределения вводимой примеси в объёме кристалла и по толщине.
Ионная имплантация позволяет контролировать параметры более точно, чем термодиффузия. Технологически она проходит в несколько этапов: загонка (имплантация) атомов примеси из плазмы (газа) в чистый полупроводник; активация примеси; контроль глубины залегания.
При нейтронно-трансмутационном легировании легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атомов исходного вещества (кремний, арсенид галлия) в результате ядерных реакций, вызванных облучением исходного вещества нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо равномерным распределением атомов примеси. Метод используется в основном для устройств силовой электроники (мощные диоды, мощные транзисторы, мощные тиристоры и т.д.).
Термодиффузия содержит следующие этапы: осаждение легирующего материала; термообработка (отжиг) для загонки примеси в легируемый материал; удаление легирующего материала.
Для получения полупроводника с электропроводностью n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупроводнике только свободные электроны. Вводимая примесь является «поставщиком» электронов, в связи с чем её называют донорной.
Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами («донор» означает дающий, жертвующий).
Для германия Ge и кремния Si, являющиеся четырехвалентными химическими элементами, донорной примесью служат элементы, атомы которых имеют пять валентных электронов, т.е. являются пятивалентными (сурьма Sb, фосфор P, мышьяк As).
В полупроводниках р-типа введение примеси направлено на повышение концентрации только дырок. Вводимая примесь является «поставщиком» дырок, в связи с чем её называют акцепторной.
Примеси, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами («акцептор» означает «принимающий»).
Для германия Ge и кремния Si акцепторной примесью служат элементы, атомы которых имеют по три валентных электрона, т.е. являются трехвалентными (индий In, галлий Ga, алюминий Al, бор B).
При обычных рабочих температурах в примесных полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т.е. каждый атом примеси либо отдаёт, либо захватывает один электрон.
Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация1 атомов донорной примеси NД или акцепторной примеси NА должна превышать концентрацию собственных носителей заряда n i или p i.
Практически, при изготовлении примесных полупроводников, значения NД или NА всегда во много раз больше, чем n i или p i.
Например, для германия Ge , у которого при комнатной температуре n i = p i = 1013см – 3, каждая концентрация или доноров NД или акцепторов NА может быть равной 10 15 … 10 18 см – 3, т.е. в 100 или 100 000 раз больше концентрации собственных носителей n i = p i.
Очень малое количество примеси существенно изменяет величину электропроводности и тип проводимости полупроводника. Действительно, концентрация примеси 10 16 см – 3 при числе атомов германия 4,4·10 22 в 1см3 означает, что добавляется всего лишь один атом примеси на четыре с лишним миллиона атомов германия, т.е. примесь составляет менее 0,0001%. Но в результате этого концентрация подвижных зарядов возрастает в тысячи раз и соответственно увеличивается проводимость.
Получение полупроводников с таким малым и строго дозированным содержанием нужной примеси является чрезвычайно сложным технологическим процессом. При этом исходный полупроводник, к которому добавляется примесь, должен быть очень чистым.
Для германия примеси допускаются в количестве не более 0,000 000 01 %, т. е. не более одного атома на 10 миллиардов атомов германия.
А для кремния посторонних примесей допускается ещё меньше – они не должны превышать 0,000 000 000 01 %, т.е. не более одного атома на 10 триллионов атомов кремния.