Электротехнические материалы

меди. Для получения селена шлам нагревают, селен испаряется и адсорбируется в газоуловителе, орошаемом потоком серной кислоты. К раствору добавляют соляную кислоту; при пропускании через раствор диоксида серы селен осаждается. Осадок отфильтровывают, промывают, плавят и получают слитки селена необходимой формы. Для очистки селена используют методы вакуумной ректификации и очистку с помощью ионообменных смол. В результате содержание примесей уменьшается до 10 4 %.

Для изготовления полупроводниковых приборов (выпрямителей переменного тока и фотоэлементов) используется серый кристаллический гексагональный селен. Ширина его запрещенной зоны 1,79 эВ. Такой селен обладает дырочным типом электропроводности. Его удельное сопротивление примерно 103 Ом м (при комнатной температуре). Снижение удельного сопротивления обычно достигается введением примесей хлора, брома, йода.

Селен в отличие от других полупроводников обладает аномальной температурной зависимостью концентрации свободных носителей заряда: она уменьшается с ростом температуры, подвижность носителей заряда при этом возрастает.

2.4. Методы получения сверхчистых полупроводниковых материалов

Кристаллографические методы дают возможность получать

всерийном производстве материалы высокой степени чистоты, например германий и кремний с содержанием атомов примесей

в1 см3 1 1014 и 1 1013 соответственно.

Кристаллографические методы очистки основаны на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазе. Распределение примесей между фазами характеризуется коэффициентом распределения K, равным отношению концентрации примесей в твердой фазе N к концентрации примесей в жидкой фазе Nж:

KN .

Nж

31

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

Метод зонной очистки. Пруток технически чистого германия помещают в вакуум, и при помощи индуктора ТВЧ расплавляют узкую зону, в которой и скапливаются примеси, имеющие K < 1. Вместе с перемещением индуктора и расплавленной зоны примеси сгоняются к правому концу. Процесс повторяют многократно либо используют сразу несколько индукторов и через них проталкивают графитовую лодочку с прутком германия. После окончания процесса правый конец прутка отрезают.

Степень очистки зависит от величины коэффициента распределения примесей: чем меньше K, тем, как следует из формулы, лучше очищается полупроводник. Лодочку (или индуктор) перемещают с постоянной скоростью, что обеспечивает постоянство K. Передвигаясь к правому концу, жидкая фаза обогащается примесью, т.е. Nж в знаменателе значительно растет. Это вызывает рост N в числителе, так как K = const. Чем больше K, тем быстрее растет N . При K = 1 очистка вообще невозможна.

Метод зонной очистки широко применяют для очистки германия от всех примесей, за исключением бора, у которого K = 1. После зонной очистки слиток германия имеет поликристаллическую структуру и еще не пригоден для производства полупроводниковых приборов.

Метод вытягивания монокристалла из расплава используют для получения сверхчистых монокристаллов германия.

Как уже отмечалось, дефекты кристаллического строения, неизбежные в поликристаллах, ухудшают электрические свойства полупроводников. Монокристаллы лишены многих дефектов, их структура более совершенна.

Кроме этого, при медленном росте кристалла, лишенного дефекта, атомам примеси трудно внедряться в кристаллическую решетку основного элемента и монокристалл получается химически чистым. Для получения монокристалла используют метод Чохральского.

32

ного положения тигля с расплавом по отношению к нагревательному элементу 5, в качестве которого используют обычно печь сопротивления или источник индукционного высокочастотного нагревания. Через верхний фланец камеры соосно с нижним штоком 4 вводится верхний шток 1, на нижнем конце которого крепится монокристаллическая затравка кристаллизуемого материала. К затравке предъявляют жесткие требования в отношении дефектов кристаллической структуры, так как все ее дефекты «наследуются» в монокристалле, ухудшая его полупроводниковые свойства. Затравку слегка оплавляют для устранения остаточных напряжений, возникающих при механической обработке, так как они дезориентируют кристаллические плоскости в растущем кристалле и приводят к получению поликристалла.

После оплавления затравку медленно вытягивают из расплава, который вследствие адгезии приподнимается над поверхностью, охлаждается и затвердевает.

Для лучшей очистки затравку и тигель вращают либо с разными скоростями, либо в разные стороны. Это создает лучшее перемешивание раствора и более однородный температурный режим.

33

Скорость вытягивания должна быть небольшой порядка 0,1 мм/с, а скорость вращения не менее 60 об/мин.

При вытягивании монокристалла с постоянной скоростью из расплава, поддерживаемого при определенной температуре, степень очистки по длине кристалла получится переменной, так как по мере вытягивания расплав обогащается примесями, и конец монокристалла будет загрязнен ими. Этот дефект устраняют, постепенно уменьшая скорость вытягивания, так как изменение скорости вытягивания меняет коэффициент расплавления К. Для сохранения постоянства диаметра монокристалла температуру расплава следует постепенно повышать. Кроме того, выращивание монокристалла прекращают прежде, чем будет использован весь расплав. В этом случае примесь останется в ванне.

Для кремния рассмотренные методы неприемлемы из-за его высокой химической активности и высокой температуры плавления (tпл = 1414 С). При такой высокой температуре кремний загрязняется материалом тигля. Кроме этого, коэффициент распределения у кремния со многими примесями больше, чем у германия, а с примесью бора, так же как у германия, близок к единице

(K = 0,90).

Метод бестигельной зонной очистки, применяемый для кремния, включает основные принципы ранее описанных методов (рис. 9).

Пруток технически чистого кремния укрепляют вертикально. В нижней части прутка укрепляют затравку моно-

кристалла. Нагрев производят индуктором ТВЧ, который слегка оплавляет затравку, а затем медленно поднимается вверх. На затравке кристаллизуется монокристалл, примеси скапливаются

34

в жидкой расплавленной зоне и перемещаются к верхнему концу прутка, который после окончания процесса отрезают. Процесс повторяют многократно.

Таким способом очищают прутки небольшого размера. Ширина расплавленной зоны должна быть небольшой, чтобы расплав удерживался силами поверхностного натяжения.

Помимо описанных методов, позволяющих получать крупные объемные монокристаллы германия, кремния, а также некоторых полупроводниковых соединений, разрабатывается принципиально новая технология получение эпитаксиальных пленок.

2.5. Легирование полупроводников и получение р n-переходов

Чистый беспримесный полупроводник исходный материал для изготовления полупроводниковых приборов. В нем создают электронно-дырочный р n-переход, возникающий на стыке зон разной проводимости, который позволяет выпрямлять и усиливать ток, превращать различные виды энергии в электрическую и т.д. Для получения в монокристаллах зон разной проводимости производят специальное легирование очищенных германия и кремния. Легирующие элементы вводят в микродозах, содержание их оценивается от 10 5 до 10 7 %.

Метод вытягивания монокристалла из расплава очищенного полупроводника с введенной легирующей примесью один из способов получения таких легированных монокристаллов германия и кремния.

Легирующие примеси должны иметь небольшие значения коэффициентов распределения. Только в этом случае при обогащении расплава легирующей примесью вследствие интенсивного ухода атомов полупроводника состав растущего монокристалла изменяется мало и его можно выровнять снижением скорости вытягивания.

Коэффициент распределения снижается при уменьшении скорости вытягивания. Используя это, можно начать процесс вытягивания монокристалла из расплава при скорости V1. Для компенсации увеличения концентрации легирующей примеси в расплаве

35

вследствие убыли атомов полупроводника скорость вытягивания V1 со временем несколько снижают. Это приводит к снижению K и сохраняет постоянство легирующей присадкив растущеммонокристалле.

Для полупроводниковых приборов используют пластины, на которые разрезают легированные монокристаллы определенной проводимости. Для стабильности рабочих характеристик таких приборов монокристалл должен иметь по всей длине однородную проводимость, т.е. равномерное распределение легирующей примеси.

Метод зонного выравнивания (рис. 10) применяют для полу-

чения монокристаллов с однородной проводимостью по длине. Очищенный и легированный моно-

кристалл вместе с затравкой помещают в вакуумную камеру. После оплавления затравки индуктор перемещают вправо с постоянной скоростью. В расплавленную зону вводят легирующую примесь. Постоянство концентрации примеси в прутке будет достигнуто при малом K, если легирующая примесь введена в него в большом количестве и убыль ее в ходе процесса ничтожно мала. При большом значении K (см. рис. 10) расплав быстро обедняется, что вызывает уменьшение примеси в монокристалле.

Степень легирования так же, как и степень очистки, контролируют изменением величины электросопротивления.

Специальными методами определяют тип проводимости и время жизни или диффузионную длину L (мм) носителей электрического тока. Измеренные параметры указываются в марках легированных полупроводников.

Некоторые марки чистого и легированного германия и кремния приведены в табл. 4. Первая цифра в марке указывает значение электросопротивления, а вторая диффузионную длину.

36

Для получения р n-перехода используют метод вытягивания монокристалла с переменной скоростью, диффузионный или сплав- но-диффузионный методы.

Метод вытягивания монокристалла с переменной скоростью

основан на различной интенсивности роста коэффициента K у донорных и акцепторных примесей при увеличении скорости вытягивания. Процесс вытягивания монокристалла из расплава очищенного полупроводника, в состав которого введены донорная и акцепторная примеси, начинают со скорости V1. При такой скорости больший коэффициент расплавления имеет донорная примесь и растущий монокристалл приобретает n-проводимость. Если, не прерывая процесса, снизить скорость до значений V2, то растущий монокристалл будет иметь р-проводимость, так как при такой скорости больший K имеет акцепторная примесь. Подобные монокристаллы можно получать, меняя скорость вращения.

Диффузионный метод основан на проникновении легирующей примеси в пластинку полупроводника в результате диффузии из газовой фазы, в состав которой входит легирующая примесь. Так, например, для диффузии донорной примеси фосфора в дырочный германий используют соединение, которое при нагреве испаря-

37

ной примеси больше, и поэтому она распространяется на большую глубину. При таком методе в наружном р-слое распределение примеси неравномерно. Кроме этого, около р n-перехода концентрация примеси изменяется плавно. Это ухудшает характеристики прибора. Этих недостатков лишен р n р-переход, полученный на германии сплавно-диффузионным методом.

При сплавно-диффузионном методе на пластину германия

ср-проводимостью помещают шарик из сплава на основе свинца

спримесью галлия (акцептор) и сурьмы (донор) и нагревают до

760 С. При этих температурах сплав расплавляется и примесь растворяется в германии. После 2-часовой выдержки температуру понижают до 720 С, и растворимость увеличивается. Германий захватывает небольшое количество донорной и акцепторной примеси, но в связи с тем что германий лучше растворяется в галлии, чем в сурьме, эта зона германия, обогащенная примесью, сохраняет р-проводимость (рис. 13).

В процессе длительной (10-часовой) выдержки при 720 С происходит диффузия галлия и сурьмы из образовавшейся р-зоны

39

в основную пластину р-германия. Благодаря большей диффузионной подвижности сурьмы в пластинке германия создается зона n-проводимости, что в итоге приводит к образованию двух переходов типа р n р.

Инженер – это человек, который может объяснить, как работает то или иное устройство, но не может объяснить, почему оно не работает.

М. Хацернов

ЛЕКЦИЯ 3

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ДИЭЛЕКТРИКИ)

3.1. Основные свойства диэлектриков

Диэлектриками называются вещества, обладающие ничтожно малой электропроводностью, способностью поляризоваться в электрическом поле и сохранять наведенное в них электростатическое поле. Они подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.

Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют:

1)для создания электрической изоляции токопроводящих частей – препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными;

2)в электрических конденсаторах – служат для создания электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.

Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для изготовления активных элементов (деталей) электрических схем.

40