Самостійна робота №1

Методи виготовлення p-n і п-р переходів

P-n перехід — область контакту напівпровідників p- та n-типу, яка характеризується одностороннім пропусканням електричного струму.

Напівпровідник p-типу - напівпровідник, в якому основними носіями заряду є дірки.

Напівпровідники p-типу отримують методом легування власних напівпровідників акцепторами. Для напівпровідників четвертої групи періодичної таблиці, таких як кремній та германій, акцепторами можуть бути домішки хімічних елементів третьої групи - бор, алюміній.

Наприклад, якщо кремній легувати 3-валентним індієм, то для утворення зв’язків з кремнієм у індію не вистачає одного електрона, тобто утворюється дірка. Змінюючи концентрацію індію, можна в широких межах змінювати провідність кремнію, створюючи напівпровідник із заданими електричними властивостями. Такий напівпровідник називається напівпровідником p-типу, основними носіями заряду є дірки, а домішка індію, що дає дірки, називається акцепторною.

Концентрація дірок у валентній зоні визначається температурою, концентрацією акцепторів, положенням акцепторного рівня над верхом валентної зони, ефективною густиною рівнів у валентній зоні.

Напівпроводник n-типу - напівпровідник, в якому основні носії заряду - електрони провідності.

Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легується. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й вони можуть вносити вклад у електричний струм.

Кількість електронів у зоні провідності залежить від концентрації донорів, енергії донорних рівнів, ширини забороненої зони напівпровідника, температури, ефективної густини рівнів у зоні провідності.

Здебільшого легування проводиться до рівня 1013 - 1019 донорів на см3. При високій концентрації донорів напівпровідник стає виродженим.

Іонна імплантація - спосіб введення атомів домішок у поверхневий шар пластини або епітаксіальної плівки шляхом бомбардування його поверхні пучком іонів c високою енергією (10-2000 КеВ).

Широко використовується при створенні напівпровідникових приладів методом планарной технології. В цій якості застосовується для освіти в приповерхневому шарі напівпровідника областей з вмістом донорних або акцепторних домішок з метою створення pn-переходів і гетеропереходів, а також низькоомних контактів.

Іонну імплантацію також застосовують як метод легування металів для зміни їх фізичних і хімічних властивостей (підвищення твердості, зносостійкості, корозійної стійкості і т. д.).

Іонна бомбардування високотемпературних надпровідників сімейства використовується для створення центрів піннінга (англ. Flux pinning) підвищують щільність критичного струму.

Принцип роботи

Основними блоками іонно-променевої установки є джерело іонів (ion source), іонний прискорювач, магнітний сепаратор, система сканування пучком іонів, і камера, в якій знаходиться бомбардований зразок (substrate). Іони имплантируемого матеріалу розганяються в електростатичному прискорювачі і бомбардують зразок. Іони прискорюються до енергій 10-5000кеВ. Проникнення іонів в глибину зразка залежить від їх енергії і становить від декількох нанометрів, до декількох мікрометрів. Іони з енергією 1-10 кеВ не викликають змін в структурі зразка, тоді як більш енергетичні потоки іонів можуть значно його зруйнувати.

Технологія іонного імплантування дозволяє впровадити задану кількість практично будь-якого хімічного елемента на задану глибину, дозволяючи таким чином сплавляти метали, які в розплавленому стані не змішуються, або легувати одна речовина іншим у пропорціях, які неможливо досягти навіть при використанні високих температур. Можливо створювати композиційні системи з унікальними структурами і властивостями, істотно відмінними від властивостей основної маси деталі.

Введення імпланта в основну сітку матеріалу можливе без «дотримання» законів термодинаміки, що визначають рівноважні процеси, наприклад, дифузію і розчинність.

Дифу́зія — процес випадкового невпорядкованого переміщення частинок під впливом хаотичних сил, зумовлених тепловим рухом і взаємодією з іншими частками.

Дифузія — перенесення речовини, зумовлене вирівнюванням її концентрації (точніше, хімічного потенціалу) у спочатку неоднорідній системі.

Загальна інформація

Дифузія — одна із стадій численних технологічних процесів (адсорбції, сушки, екстрагування, брикетування зі зв'язуючими тощо). Дифузія відбувається в газах, рідинах і твердих тілах. Механізм дифузії в цих речовинах істотно різний. Дифузія що відбувається внаслідок теплового руху атомів, молекул, — молекулярна дифузія. Дифундувати можуть як частинки сторонніх речовин (домішок), нерівномірно розподілених у середовищі, так і частинки самої речовини середовища. У останньому випадку процес називається самодифузією. Термодифузія — це дифузія під дією градієнта температури в об'ємі тіла, бародифузія — під дією градієнта тиску або гравітаційного поля. Перенесення заряджених частинок під дією зовнішнього електричного поля — електродифузія. У рухомому середовищі може виникати конвекційна дифузія, при вихровому русі газу або рідини — турбулентна дифузія.

Наслідком дифузії є переміщення часток із областей, де їхня концентрація висока, в області, де їхня концентрація низька, тобто вирівнювання концентрації часток у термодинамічній системі, встановлення рівноваги за складом.

Дифузія дуже розповсюджене явище, яке відіграє велику роль у функціонуванні живих організмів. У легенях молекули кисню дифундують у кровоносні судини, завдяки процесам дифузії відбувається обмін речовин у клітинах.

Дифузія широко використовуються у техніці. Наприклад, робота біполярного транзистора основана на дифузії неосновних носіїв заряду через p-n перехід. Вибіркове перенесення певних компонентів у пори речовини — інфільтраційна дифузія. Дифузія має особливе значення в шахтах, де вона сприяє рівномірному розподілу шкідливих газів в атмосфері гірн. виробок, попередженню їх небезпечних скупчень. Суттєве значення відіграє дифузія в технологічних процесах при застосуванні реагентів.