36. Каким образом производится кристаллизационная очистка кремния и германия? Какой метод получил наиболее широкое распространение для выращивания крупных монокристаллов этих полупроводников?

Очистка кремния и германия проводится путем так называемой нормальной направленной кристаллизации, зонной плавки или вытягивания кристаллов из расплава. Метод нормальной направленной кристаллизации заключается в следующем. Вещество плавят в высоком цилиндрическом сосуде, а затем его с одного конца охлаждают, например со дна цилиндра. Кристаллизация происходит постепенно, и большинство примесей оттесняется в расплавленную зону. Поэтому часть кремния или германия, которая застыла, в первую очередь содержит наиболее чистое вещество. Недостатком этого метода является невысокая степень очистки и большое количество отходов.

М етод зонной плавки заключается в следующем. Слиток германия или кремния помещают в кварцевую лодочку и, расплавив конец слитка, электропечь постепенно передвигают. Зона плавки также постепенно передвигается. Примеси по мере передвижения зоны плавки оттесняются к концу слитка. Объясняется это тем, что при застывании кристаллизуется более чистый металл, а примеси в значительной степени остаются в расплаве. Сравнительно небольшая эффективность очистки, получающаяся при однократном прохождении расплавленной зоны через слиток, может быть повышена повторным прохождением расплавленной зоны. По сравнению с направленной кристаллизацией достигается также и экономия во времени, так как расплавленных зон может быть несколько и каждая зона может следовать в непосредственной близости одна за другой.

Для получения монокристаллов применяют специальные вакуумные печи с электрическим или индукционным обогревом . Германий плавят в кварцевом тигле, вращающемся вокруг своей оси. В расплав опускают на стержне затравку германия. Затравка вращается в противоположную сторону. Температура расплавленного германия поддерживается на несколько градусов выше его температуры плавления. Температура затравки за счет охлаждения стержня поддерживается на несколько градусов ниже температуры плавления германия. Поэтому при постепенном (автоматическом) поднимании стержня с затравкой из расплава вытягивается монокристалл германия.

Самым распространенным методом для получения крупных монокристаллов является метод вытягивания из расплава.

37. Какие примесные элементы создают в кремнии и германии мел­кие акцепторные и донорные уровни?

Мелкие акцепторые и донорные уровни в германии и кремнии создают элементы соседних с ними групп – III и V соответственно. Глубокие – элементы, отстающие от IV группы на большее расстояние. Для получения германия n-типа в качестве донорной добавки обычно используют сурьму, а для выращивания кристаллов германия p-типа вводят галлий. В качестве легирующих примесей кремния наиболее часто используют фосфор и бор.

38. При каком допустимом содержа­нии примесей германий будет обладать собственным сопро­тивлением при комнатной темпе­ратуре?

Чтобы электропроводность германия была собственной при комнатной Т, его следует очистить до содержания примесей не более 10­­¹⁹ м^-3, т.е. на 1 миллиард атомов германия должно быть не более одного атома примеси, если считать, что в 1 м³ твердого тела находится около 10²⁸ атомов.

39. В каком спектральном диапазоне чистый кремний оптически про­зрачен в нормальных условиях?

В нормальных условиях чистый кремний прозрачен для электромагнитного излучения с длиной волны более 1,1 мкм.

4 0. Как и почему изменяется под­вижность носителей заряда в кремнии и германии при увели­чении концентрации легирую­щих примесей?

При невысокой концентрации примеси её влияние не сказывается на изменении подвижности носителей заряда. В области более сильного легирования рассеяние на ионизированных примесях начинает играть существенную роль даже при комнатной температуре.

41. Какая взаимосвязь существует между коэффициентами диффу­зии и растворимостью примесей в кремнии и германии?

Между коэффициентами диффузии и растворимостью примесей в германии и кремнии существует определенная взаимосвязь: чем больше растворимость (чем шире область существования твердого раствора ПП-примесь), тем меньше коэффициент диффузии, и наоборот. Физическая сущность такой связи вытекает из кинетики теплового движения дефектов в кристаллах. Чем менее устойчиво состояние, тем выше скорость диффузии. В случае высокой растворимости примесные атомы проникают в кристаллическую решетку в основном по вакансиям. Если же атомы растворяемого элемента не могут замещать узлы решетки или не могут удержаться там вследствие слабой химической связи, то диффузия идет по междуузлиям. Этот механизм характеризуется большой скоростью диффузии. В то же время ив междуузельном пространстве может разместиться небольшое число атомов, что обусловливает малую растворимость.