книги из ГПНТБ / Брук В.А. Производство полупроводниковых приборов учебник для подготовки рабочих на пр-ве

к исходному материалу добавляют строго определенное количество донорной или акцепторной примеси.

Следует отметить, что температура плавления германия и крем­ ния довольно велика (Тпл Ge = 937°C; Г п л si=1420°C). При плавке эти материалы становятся химически активными и вступают в реакции с материалом тигля, в состав которого входят атомы раз­ личных донорных и акцепторных (по отношению к Ge и Si) при­ месей. Поэтому при плавке германия и кремния в тиглях не удает­

Рис. 12. Энергетические зоны полупроводников:

а — э л е к т р о н н о г о , б — д ы р о ч н о г о

Однако на практике при изготовлении полупроводниковых ма­ териалов специально вводят какой-нибудь один тип примесей. В результате оказывается атомов примеси данного типа значи­ тельно больше, чем примесей другого типа, что и определяет ре­ зультирующий тип проводимости полупроводникового материала.

В полупроводнике электронного типа проводимости свободных электронов гораздо больше, чем дырок, поэтому электроны назы­ вают основными носителями, а дырки—неосновными; в полупро­ воднике дырочного типа проводимости, наоборот, дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Полупровод­ никовые материалы с электронным типом проводимости называют материалами п-тшга, а с дырочным типом проводимости — материа­ лами р-типа.

Рассмотрим электропроводность примесных полупроводников с точки зрения зонной теории.

При введении в полупроводниковый материал атомов примеси возникают новые энергетические уровни за счет электронов атомов примеси. Эти энергетические уровни располагаются внутри запре­ щенной зоны и называются примесными. На рис. 12 пунктиром по­ казано положение примесных уровней (Ед и ЕА). Число примесных уровней зависит от количества атомов примесей, введенных в ма­ териал.

При введении в полупроводниковый материал донорной примесивозникают энергетические уровни, которые располагаются немного ниже дна зоны проводимости (рис 12,а). Следовательно, при пе­ реходе в зону проводимости электроны этих уровней должны повы­

Уровни акцепторных примесей, способные принять электрон, также располагаются в запрещенной зоне, но ближе к потолку за­ полненной зоны (рис. 12,6). Очевидно, что при тепловом движении электроны с большой вероятностью перейдут из заполненной зоны

уровень в валентной зоне образуется дырка, которая может пере­ мещаться в заполненной зоне, что и вызывает дырочный ток в полу­ проводниковом материале с акцепторной примесью.

Напомним, что электропроводность кристаллов неметалличе­ ской структуры, а следовательно, и беспримесных полупроводников определяется в основном величиной энергии активации и темпера­ турой.

При температуре абсолютного нуля/ все электроны связаны с атомами, образующими кристаллическую решетку полупроводни­ кового материала. С повышением температуры часть электроновосвобождается, так как в результате теплового возбуждения их энергия оказывается больше энергии активации данного беспри­ месного полупроводника. Следовательно, возрастает количестваэлектронов, способных свободно перемещаться под действием элек­ трического поля. Таким образом, при повышении температуры электропроводность 'беспримесного полупроводника увеличивается.

Если в полупроводнике имеются донорные или акцепторные примеси, при температуре абсолютного нуля в примесном полупро­ воднике также не окажется ни одного свободного электрона (или дырки). С повышением температуры первыми будут освобождать­ ся электроны примеси, так как энергия активации примеси (донор­ ной или акцепторной) существенно меньше энергии активации ато­ мов полупроводника. Дальнейшее повышение температуры приво­ дит к тому, что все атомы примеси ионизируются, и только затем возникает собственная электропроводность полупроводника.

Следовательно, при низких температурах электропроводность, примесного полупроводника определяется примесной проводи­ мостью, а при высоких — собственной проводимостью. Однако на характер зависимости электропроводности от температуры оказы­ вает влияние также величина подвижности носителей тока (см. §9),.

2Г

которая с увеличением температуры уменьшается. Вследствие этого •общий вид зависимости удельной электропроводности а от темпера­ туры Т имеет вид, показанный на графике рис. 13.

Чем больше величина запрещенной зоны АЕ, тем большей энергией должен обладать электрон, чтобы совершить перескок в зону проводимости, т. е. тем до большей темпера­ туры должен быть разогрет полупроводник, чтобы собственная проводимость стала за­ метной.

Подвижность [і характеризует способ­ ность носителей перемещаться под действием электрического поля и численно равна ско­ рости перемещения заряженной частицы (электрона или дырки) под действием элек­

трического поля напряженностью в 1 в/см. Отсюда следует, что ве­ личина и размерность подвижности

и

~Е~ в-сек

где v — скорость частицы в электрическом поле, см/сек; Е — напря­ женность электрического поля, в/см.

Величина подвижности зависит от рода кристаллической решет­ ки, химического состава полупроводника, от числа и характера на­ рушений в кристаллической решетке, так как в местах дефектов решетки происходит рассеяние электронов — изменение скорости электронов по величине и направлению из-за столкновений носите­ лей тока с решеткой кристалла.

По величине подвижности можно судить о чистоте и идеаль­ ности кристаллической решетки данного полупроводника.

Примеси нарушают периодическую структуру решетки и поэто­

пературы подвижность носителей в полупроводниковом материале будет падать. Экспериментально получены следующие зависимости веЛИЧИНЫ ПОДВИЖНОСТИ ОТ Температуры, ГДЄ [In И [ip — подвижность электронов и дырок соответственно.

Подвижность носителей уменьшается с увеличением концентра­ ции примесей, а следовательно, с уменьшением величины удель­ ного сопротивления полупроводникового материала.

Если полупроводниковый материал легирован не одним типом примеси, а в нем одновременно содержатся донорные и акцептор­ ные примеси в одинаковом количестве, они будут компенсировать друг друга, и концентрация свободных носителей будет мало отли­

Если в компенсированном материале имеется небольшой избыток доноров относительно акцепторов, такой материал имеет довольно высокое удельное сопротивление и обладает электронной проводи­ мостью. Но так как повышенная концентрация примесей снижает подвижность носителей, компенсированные материалы редко при­ меняют в производстве полупроводниковых приборов.

Процесс заполнения дырки свободным электроном носит назва­ ние рекомбинации. В простейшем случае рекомбинация происходит при возвращении электрона непосредственно с уровня в зоне прово­ димости на уровень в валентной зоне.

Исследуя процесс распространения зарядов из области, где их концентрация по тем или иным причинам высока, в область с пони­ женной концентрацией, можно отметить уменьшение количества носителей, объясняемое рекомбинацией носителей на пути их пере­ мещения. Зная эти процессы, можно определить среднее время существования носителей т, которое называют обычно временем жизни носителей; среднее расстояние, которое за это время прохо­ дят носители, называют диффузионной длиной L носителей заряда.

Диффузионная длина и время жизни связаны между собой уравнением:

L=VDx,

где D — коэффициент диффузии определенного типа носителей,

Величина — , обратная времени жизни носителей, определяет

скорость рекомбинации. Скорость рекомбинации тем выше, чем выше концентрация основных носителей. Однако в действитель­ ности зависимость скорости рекомбинации от концентрации носи­ телей не прямо пропорциональна.

Рассмотренная модель рекомбинационных процессов предусмат­ ривала только непосредственное столкновение электрона с дыркой. Более детальные исследования рекомбинационных процессов по­ казали, что переброс и возврат электронов и дырок через запре­ щенную зону может осуществляться поэтапно: вначале электрон

из валентной зоны переходит на некоторый промежуточный уро­ вень, расположенный внутри запрещенной зоны, а затем с этого уровня переходит в зону проводимости. Промежуточные уровни, получившие название центров рекомбинации, или ловушек, могут появиться, если в кристаллической решетке имеются дефекты или в решетке атомов присутствуют некоторые примеси.

Ловушки могут участвовать в следующих процессах:

захват ловушкой электрона валентной зоны (образование толь­ ко дырки без возникновения свободного электрона);

возвращение электрона с ловушки в валентную зону (заполне­ ние дырки в валентной зоне);

переброс электрона с заполненной ловушки в зону проводи­ мости (образование свободного электрона в зоне проводимости); возвращение электрона из зоны проводимости на ловушку

(исчезновение электрона в зоне проводимости).

Если нет воздействия электрических полей, эти процессы нахо­ дятся в состоянии динамического равновесия. В любой момент вре­ мени часть ловушек свободна, а часть заполнена; в зоне проводи­ мости имеется определенное количество электронов, а в валентной зоне — определенное количество дырок. Другими словами, проте­ кают непрерывные процессы генерации и рекомбинации носителей зарядов. При таком механизме возбуждения скорость генерации или рекомбинации может существенно отличаться от скорости ге­ нерации или рекомбинации по ранее приводимой модели процесса, -особенно если рассматривать эти процессы при наличии сильных электрических полей.

Уточненная модель генерационно-рекомбинационных процессов позволяет объяснить зависимость обратных токов некоторых дио­ дов от напряжения. Эти диоды были изготовлены из высокоомного германия с небольшой добавкой золота, которое создает в герма­ нии центры рекомбинации и позволяет резко уменьшить время жиз­ ни носителей зарядов, что необходимо для создания быстродейст­ вующих приборов.

§ П. СТРУКТУРНЫЕ ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ

Полупроводниковые материалы, применяемые для изготовления полупроводниковых приборов, имеют далеко не совершенную струк­

дислокации.

Дефекты обычно образуются в результате теплового возбужде­ ния или воздействия частиц с большой энергией (р-лучей или а-частиц). Дефекты решетки могут быть источником носителей заряда: действовать подобно донорам и акцепторам. Обычно они

обнаруживают акцепторное действие (особенно в германии). При­ рода этих явлений еще не совсем ясна.

Кроме того, дефекты решетки могут играть роль центров рас­ сеяния электронов и дырок и сильно снижать величину подвиж­ ности носителей заряда. Дефекты могут диффундировать с поверх­ ности кристалла в глубь него путем обмена местами с атомами в узлах решетки. Свойства полупроводников в значительной степени, зависят от числа и рода дефектов в материале.

с о в о к у п н о с т ь п у с т о г о у з л а и б л и з ­ ко р а с п о л о ж е н н о г о м е ж д о у з е л ь н о г о а т о м а

Важнейшим дефектом кристаллической решетки считают дис­ локации. Дислокации подразделяют на два вида: краевую (линей­ ную) и винтовую (спиральную).

Схема образования краевой дислокации показана на рис. 15,а. Дислокация находится в конце полуплоскости и направлена пер­ пендикулярно к плоскости рисунка. По мере удаления от этой полу­ плоскости степень разупорядоченности решетки уменьшается, и далее кристалл имеет идеальную структуру.

Винтовую, (спиральную) дислокацию можно представить как результат смещения одной части кристалла относительно другой; при этом сдвиг параллелен оси дислокации (рис. 15, б).

Влияние дислокации сказывается на механических свойствах кристаллов и во многом объясняет процессы их выращивания. Помимо этого, дислокации влияют и на электрические свойства полупроводников, так как они могут служить центрами рекомби­ нации и генерации избыточных носителей заряда. В силу того что в местах образования дислокации структурные связи в кристалле нарушены, процессы вплавления и диффузии быстрее идут на этих

участках, что часто является причиной появления брака в произ­ водстве полупроводниковых приборов.

Чем больше дислокаций в материале, тем он хуже. Допустимая концентрация дислокаций в материале не должна превышать 104.

Контрольные вопросы

1.Что такое ковалентная связь?

2.Что такое запрещенная зона?

3.Что такое доноры и акцепторы?

4.Что понимают под термином «дырка»?

ГЛАВА ВТОРАЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Большинство выпускаемых серийно полупроводниковых прибо­ ров изготовляют из германия и кремния. Так как ширина запре­ щенной зоны у кремния больше, чем у германия, приборы, изготов­ ленные из кремния, работают при более высоких температурах. Для создания сильноточных быстродействующих приборов исполь­ зовался обычно германий, так как подвижность носителей заряда в нем больше. Значительные трудности-в получении чистого крем­ ния и сравнительно невысокие требования к работоспособности первых полупроводниковых приборов (диодов и транзисторов) вы­ нуждали изготовлять их исключительно из германия. В настоящее время промышленность выпускает как германиевые, так и крем­ ниевые полупроводниковые приборы. Кремниевые приборы превос­ ходят германиевые не только по температурным свойствам, «но и па ряду электрических характеристик.

Германий Ge в ничтожных количествах (0,0.1—0,5%) содержит­ ся в цинковых рудах, угольной пыли, золе и даже в морской воде. Германий почти не имеет своих-руд. Единственная руда герма­ ния— германит содержит гораздо больше меди, железа и цинка, чем германия. Поэтому добыча германия затруднена.

обработка его затруднена. Со многими металлами германий обра­ зует сплавы.

J

Кристаллический германий на воздухе при комнатной темпера­ туре не окисляется. При температуре свыше 600° С он полностью окисляется до двуокиси германия С-еОг. Вода на германий не дей­ ствует. Он устойчив к кислотам (в соляной НС1, азотной HNO3 и в холодной серной кислоте H2SO4 не растворяется). Германий рас­ творяется в смеси плавиковой HF и азотной HNO3 кислот, водном растворе перекиси водорода Н2О2, горячих растворах сильных ще­ лочей КОН и NaOH.

Германий, используемый для получения полупроводниковых приборов, должен быть очень высокой чистоты. Концентрация ато­ мов случайной примеси не должна превышать 10- 8 %. Чтобы при­ дать германию необходимые свойства, вводят миллионные доли процента необходимых примесей, не более 10_ 7 %-

Германий извлекают в качестве побочного продукта рудничной добычи цинка (США). Его получают также из угольной золы (Англия).

Окончательным товарным продуктом сложной химической пере­ работки руд или углей обычно является двуокись германия. Для получения очищенного металлического германия используют уста­ новку, схема которой показана на рис. 16. Двуокись германия за­ гружают в лодочку (размером примерно 100X20X20 мм) из особо чистого графита, которую помещают в печь с температурой около

ния. По окончании восстановления германий сплавляют при тем­ пературе до 1000° С в атмосфере азота. После охлаждения герма­

Металлургические методы очистки германия, а также других полупроводниковых материалов основываются на следующем явле­ нии. Выпадающие при охлаждении из расплавленного полупровод­ никового материала с некоторым количеством примеси (жидкая фаза) твердые кристаллики (твердая фаза) обычно имеют концен­ трацию примеси, отличающуюся от концентрации ее в расплавлен­ ном состоянии. Это объясняется различной растворимостью при­ меси в жидкой и твердой фазах.

Отношение концентрации примеси в твердой фазе С т к концент­ рации примеси в жидкой фазе С ж

называют коэффициентом распределения.

Коэффициенты распределения некоторых примесей в германии и кремнии приведены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что коэффициент распределения большинства элементов намного меньше единицы.