5.2. Очистка полупроводников методом зонной плавки

П ри производстве полупроводниковых материалов полученный из сырья черновой слиток подвергают глубокой очистке от примесей. В очищенном германии допускается не более 5·10^9 % примесей, в кремнии должно быть не более 1 атома примеси на миллиард атомов кремния. Примеси снижают удельное сопротивление полупроводникового материала, и он недопустимо слабо реагирует на внешние воздействия.

Д

Рис. 5.2. Получение сверхчистых полупроводниковых материалов методом зонной плавки: 1 — кварцевая колба; 2 — цилиндрический слиток материала; 3 — высокочастотный индуктор

о необходимой чистоты материал доводят методом зонной плавки (рис. 5.2). Цилиндрический слиток 2 в вакуумной кварцевой колбе 1 помещают в обмотку индуктора 3 высокочастотной плавильной печи. При протекании по индуктору токов с частотой около 20 МГц слиток в охваченной индуктором зоне разогревается и расплавляется на небольшом участке, выше и ниже которого материал остаётся твёрдым. Жидкую зону движением колбы со слитком перемещают вдоль него со скоростью 1 мм/мин. Примеси при застывании полупроводникового материала не встраиваются в его кристаллическую решётку и отступают перед фронтом кристаллизации вместе с жидкой фазой, постепенно скапливаясь на концах монокристалла. По окончании плавки колбу вскрывают, «грязные» концы слитка отрезают и пускают в переработку, а остаток вновь и вновь подвергают зонной плавке до достижения необходимой чистоты материала.

И

Рис. 5.3. Выращивание монокристалла из расплава полупроводника : 1 — кристалл-затравка; 2 — расплав полупроводника; 3 — монокристалл

з очищенного материала выращивают монокристалл с неискажённой кристаллической решёткой. Для этого в атмосфере инертного газа материал расплавляют, дозированно добавляют в расплав необходимые легирующие элементы и опускают в него небольшой кристалл — затравку (рис. 5.3), около которой образуется мениск жидкого материала. Затравку медленно поднимают и на её нижней поверхности наращивается и застывает монокристалл в виде стержня диаметром около 100 мм и длиной до 3 метров.

Стержень режут на диски толщиной в доли миллиметра, каждый из которых — заготовка для изготовления около десяти тысяч диодов, транзисторов, сотен микросхем или других полупроводниковых устройств.

5.3. Влияние внешних воздействий на проводимость полупроводников

П олупроводниковые материалы имеют кристаллическое строение с ионами в узлах кристаллической решётки. Носителями зарядов, образующими электрический ток в полупроводнике, являются свободные электроны.

При низких температурах почти все электроны связаны с атомами молекул и не могут участвовать в образовании тока. При температуре около –100 ^ОС в 1 мм³ германия содержится не более 10 свободных носителей зарядов, их концентрация настолько мала, что проводимость германия соизмерима с проводимостью изоляционных материалов.

П

Рис. 5.4. Зависимость концентрации свободных электронов в полупроводнике от температуры

ри повышении температуры под действием тепловой энергии электроны рвут связи с атомами, становятся свободными и образуют электрический ток. При температуре +800 ^ОС их концентрация достигает 10¹⁵ эл./мм³ (рис. 5.4), проводимость материала становится соизмеримой с проводимостью металлов.

Сравнивая процессы воздействия тепловой энергии на полупроводники и металлы, необходимо отметить, что в тех и других при повышении температуры подвижность электронов снижается, но концентрация электронов в металлах при этом остаётся неизменной и их удельное электрическое сопротивление увеличивается, а в полупроводниках концентрация свободных электронов растёт столь интенсивно, что их удельное сопротивление резко уменьшается.

Если извне сообщить электронам дополнительную энергию, то они перейдут из связанного состояния в свободное и проводимость материала возрастёт. Это свойство полупроводников используется в терморезисторах, фоторезисторах, фотоэлементах, диодах, тиристорах, транзисторах и других устройствах полупроводниковой техники.