Министерство образования и наук Российской Федерации

Южно-Уральский Государственный Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра приборостроения

Курсовая работа

Тема:

Материалы для проведения диффузиционных процессов в полупроводниках

Выполнил: студент гр. ПС – 136

Елисеев Илья

Проверил: Забейворота Н.С.

г. Челябинск

2009 год

Содержание

2.Процесс диффузии 8

3.Технология диффузии 18

4.Техника проведения процессов диффузии 22

5Основные диффузанты 27

5.1Требования, предъявляемые к диффузантам: 27

6.Аномалии распределения примесей и дефекты в диффузионных слоях 35

7.Заключение. 42

8. Список литературы 44

9.Приложение 45

1. Введение. Основные понятия

В абсолютном большинстве случаев устройства современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. Полупроводниками обычно называют материалы, удельное сопротивление которых больше, чем у проводников (металлов), но меньше, чем у изоляторов (диэлектриков). Сразу следует заметить, что различие между полупроводниками и диэлектриками только количественное, тогда как различие между полупро­водниками и металлами более принципиальное - качественное. Полупроводники являются разновидностью диэлектриков: мож­но сказать, что они являются диэлектриками с уменьшенным удельным сопротивлением, тогда как с металлами у них значительно меньше общего.

Для того чтобы представить особенности полупроводниковых материалов, следует рассмотреть их структуру и энергетические зоны.

Любое твердое тело представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Эти расстояния минимальны у металлов и максимальны у диэлектриков. Однако в любом случае всю совокупность атомов в куске твердого тела следует рассматривать как единую целую структуру, которая подобно атому характеризуется некоторым единым энергетическим спектром. Особенность этого спектра в том, что он состоит из дискретных разрешенных зон.

Н а рис. 1 приведена зонная диаграмма для полупроводника. Прежде всего, следует обратить внимание на запрещенную зону (зону запрещен­ных энергий), которая разделяет разрешенные зоны. Отметим, что у диэлектриков ширина зап­рещенной зоны больше, чем у полупроводников, а у металлов разрешенные зоны сливаются, так что запрещенной зоны у них нет. Ширина запре­щенной зоны е₃, определяющая энергетический промежуток запрещенных энергий, является важнейшим параметром полупроводника. Для наиболее часто используемых в электронике полупроводников германия, крем­ния и арсенида галлия ширина запрещенной зоны равна соответ­ственно 0,7; 1,1 и 1,4эВ.

Верхняя разрешенная зона - зоной проводимости. Электроны, находящиеся в этой зоне, обладают довольно большой энергией и могут ее изменять под действием электрического поля, перемещаясь в объеме полупроводника. Электропроводность полупроводника и определяется этими электронами.

Нижняя разрешенная зона называется валентной зоной. Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электронами внешней оболочки атомов - внешних устойчивых орбит (валентными электронами). При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны также могут изменять свою энергию под действием электрического поля. Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.

В полупроводниковой электронике, в отличие от собственной электропроводности, наиболее часто используют примесную электропроводность, характерную для примесных полупроводников.

Примесными полупроводниками принято называть полупроводники, электропроводность которых обусловлена носителями заряда, образующимися при ионизации атомов. Если в кремний ввести атом пятивалентного элемента (например, фосфора), то четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния (подобно ато­мам собственного полупроводника). Пятый же электрон будет в данном случае избыточным. Он оказывается очень слабо связанным со своим атомом, поэтому оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда можно даже при воздействии малой тепловой энергии.

Рис. 2 находиться избыточный электрон фосфора. При незначительном повышении температуры он переходит в зону проводимости и становится свободным. Нейтральный атом фосфора при этом превращается в положительный ион (его заряд обусловлен отсутствием валентного электрона). Количество энергии, необходимое для отделения избыточного электрона и образования иона, называется энергией активации (ионизации) примеси (_д0,1 эВ). Отметим, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и не может перемещаться подобно дырке.

Таким образом, появление в кремнии атома фосфора привело к образованию в зоне проводимости свободного электрона. Образование данного электрона не связано с существованием дырки.

В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единствен­ный атом примеси (10¹⁴...10¹⁸ атомов/см³), поэтому и примесных уровней получается довольно много. Примесные уровни образуют примесную зону, которая в рассматриваемом здесь случае будет находиться в запрещенной зоне кремния вблизи зоны проводимости.

Атомы пятивалентной примеси принято называть донорами. Примесные разрешенные уровни, приносимые донорами, называют донорными. Примесные полупроводники, полученные за счет введения доноров, называются электронными, или полупроводниками n-типа. Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике n-типа являются неосновными носителями заряда. Дырок здесь очень мало (n_n>>p_n), но они все-таки есть (они образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям в беспримесном полупроводнике).

Итак, за счет введения донорной примеси образуется электронный полупроводник, электропроводность которого определяется электронами, причем число свободных электронов практически равно числу ионизированных доноров.

Рассмотрим теперь дырочный полупроводник, или полупроводник р-типа. Такой полупроводник получается за счет введения в него трехвалентных атомов примеси (например, бора). Атомы трехвалентной примеси принято называть акцепторами.

Находясь среди атомов кремния, атом бора образует только три заполненные валентные связи. Четвертая связь оказывается незаполненной, однако она не несет заряда, т.е. атом бора является электрически нейтральным. При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон одной из соседних заполненных валентных связей кремния может перейти в эту связь. Во внешней оболочке атома бора появляется лишний электрон, т.е. атом бора превращается в отрицательный ион. Ионизированная связь атома кремния (из которой электрон перешел к атому бора) несет собой уже положительный заряд, являясь дыркой.

На энергетической диаграмме, соответствующей рассматриваемому здесь случаю (рис. 3), обозначен разрешенный энергетический (акцепторный) уровень, который принес с собой атом бора. Этот уровень будет не заполнен лишь при очень низкой температуре. При небольшом повышении температуры один из электронов валентной зоны переходит на акцепторный уровень, затратив при этом небольшую энергию, равную энергии активации примеси (0,1 эВ). Таким образом, получаются дырка (в валентной зоне) и ионизированный акцептор.

Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряда. Электроны в полупроводнике р-типа являются неосновными носителями и их очень мало (р_р >> п_р). Итак, за счет введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками, причем число их практически равно числу ионизированных акцепторов.

Обычно донорным примесям приписывается знак «+», а акцепторным «—». При этом суммарная концентрация примесей того или другого знака дает концентрацию электрически активных примесей в данном месте.

При рассмотрении примесных полупроводников обычно используют понятие «концентрация примеси». Концентрацией называется число зарядов или частиц в единичном объеме (например, в 1 см³).

Если оба типа примеси находятся в равном количестве, такой полупроводник принято называть компенсированным. Компенсированный проводник похож на собственный, но имеет ряд интересных свойств и отличий.