Эффект зонной структуры

Легирование кристалла полупроводника открывает энергетические состояния в пределах ширины запрещенной зоны, но очень близко к энергетической зоне, соответствующей типу присадки. Другими словами, донорные примеси создают состояния рядом с зоной проводимости, в то время как акцепторы создают состояния рядом с валентной зоной. Разрыв между этими энергетическими состояниями и ближайшей энергетической зоной обычно соответствует энергии связи примеси, E_B, и сравнительно мала. Например,E_Bдля бора в кремнии составляет 0.045 эВ, для сравнения ширина запрещенной зоны кремния 1.12 эВ. ПосколькуE_Bмала, то для ионизации атома легирующего элемента и создания свободных носителей в зонах проводимости или валентных зонах необходимо малое количество энергии. Обычно тепловая энергия, доступная при комнатной температуре, достаточна, чтобы ионизировать большую часть примеси.

Примеси также имеют важный эффект перемещения уровня Ферми материала к энергетической зоне, которая соответствует примеси с наибольшей концентрацией. В связи с тем, что уровень Ферми должен оставаться постоянным в системе в термодинамическом равновесии, складывающиеся слои материалов с разными свойствами дают много полезных электрических параметров. Например, свойства p-nперехода согласно изменениям энергии зоны, получаются в результате выравнивания уровней Ферми в контактирующих областях полупроводниковр- иn-типа.

Этот эффект показан в зонной диаграмме. Зонная диаграмма обычно указывает на изменения в валентной зоне и на краях зоны проводимости или некоторые пространственные размеры, часто обозначаемые как x. Уровень Ферми также обычно указан в диаграмме. Иногда показывается собственная энергия Ферми,Ei, которая является уровнем Ферми в отсутствии примеси. Эти диаграммы полезны при описании операций управления многих видов полупроводниковых устройств.

Изготовление полупроводниковых материалов

Полупроводники с предсказуемыми, надежными электронными свойствами необходимы для массового производства. Уровень химической чистоты очень высоким, поскольку присутствие даже малого количества примесей может оказывать воздействие на свойства материала. Высокая степень кристаллического совершенства также необходима, в связи с дефектами в кристаллической структуре, которые вмешиваются в полупроводниковые свойства материала. Кристаллические дефекты являются причиной некачественных полупроводниковых приборов. Чем больше кристалл, тем труднее достигнуть необходимого совершенства. Современные процессы массового производства используют кристаллические слитки диаметром четыре - двенадцать дюймов (300 мм), которые выращиваются в виде цилиндров.

В силу необходимого уровня химической чистоты и совершенствова кристаллической структуры производства полупроводниковых приборов, специальные методы были разработаны для производства базовых полупроводниковых материалов. Техника для достижения высокой чистоты включает выращивание кристалла методом Чохральского. Дополнительный шаг, который может быть использован в дальнейшем увеличении чистоты известен как зонная плавка. В зонной плавке, часть твердого кристалла расплавлена. Примеси имеют свойство концентрироваться в расплавленной области, пока желатемый материал рекристаллизуется, делая твердый материал более чистым и с меньшим количеством кристаллических дефектов.