Легирование полупроводников

Легирование полупроводников осуществляется с целью изменить их электрические или физические свойства. Легирование осуществляется добавлением в полупроводник примесей другого вещества. Мы уже рассматривали свойства полупроводников. В настоящее время полупроводники электронного качества с собственной проводимостью по своим электрическим параметрам практически не отличаются от диэлектриков. Для изготовления электронных приборов используются полупроводники с электронной проводимостью и с дырочной проводимостью. Легирование обычно осуществляется двумя способами — диффузией и эпитаксией.

Легирование полупроводникового кристалла методом диффузии

Из-за малых коэффициентов диффузии, легирование полупроводниковых пластин обычно проводят при высоких температурах (для кремния при 1100 ... 1350 °С) в течение длительного времени. Диффузионное легирование обычно приводит к возникновению дефектов кристаллической решетки, в частности дислокаций. Методом диффузии трудно получить тонкие легированные слои полупроводника и резкие р-n переходы.

Для легирования полупроводникового материала применяются как твердые, так и газообразные вещества. Упрощённая схема установки, предназначенной для введения в полупроводник газообразных примесей приведена на рисунке 1.

Схема установки для диффузии примеси из газа
Рисунок 1. Упрощённая схема установки, в которой осуществляется диффузия примеси в полупроводниковую пластину

На этом рисунке цифрой 1 обозначена кварцевая труба, цифрой 2 — обмотки индукционного нагревателя, цифрой 3 — держатель полупроводниковых пластин, а цифрой 4 — сами полупроводниковые пластины, на которых изготавливаются электронные приборы.

Подобным же образом выглядит установка для диффузии атомов примеси из твёрдого тела. Её упрощённая схема приведена на рисунке 2.

Схема установки для диффузии атомов примеси из твердого тела
Рисунок 2. Упрощённая схема установки, в которой осуществляется диффузия примеси из твёрдого источника материала

Для изготовления полупроводниковых приборов область пластины, где будет изготавливаться электронный прибор оставляется открытой. Остальная часть полупроводникового монокристалла защищается маской, которая не позволяет легирующему материалу проникать вглубь. Процесс изготовления области полупроводника с p-легированием показан на рисунке 3.

Процесс получения области полупроводника с p-легированием
Рисунок 3. Процесс изготовления области полупроводника с p-легированием

В кремниевых монокристаллических пластинах в качестве маски обычно используется оксид кремния. Упрощённый рисунок, иллюстрирующий процесс диффузии донорных ионов через окно в оксиде кремния и распределения их концентрации по глубине полупроводника приведен на рисунке 4.

Диффузия легирующих ионов через окно в оксиде кремния
Рисунок 4. Диффузия донорных ионов через окно в оксиде кремния

При диффузии примесь поступает на поверхность полупроводникового кристалла, постепенно проникая в глубину материала. В результате концентрация атомов примеси в полупроводнике будет неравномерной. Она будет уменьшаться при удалении от поверхности кристалла по экспоненциальному закону. На рисунке 5 приведены графики концентраций исходной примеси в полупроводниковом кристалле и введенной в него при помощи диффузии.

Распределение концентрации легирующих ионов по глубине проникновения в полупроводник
Рисунок 5. Распределение концентрации донорных ионов по глубине проникновения в полупроводник

Профиль распределения концентрации примеси Ng(x) при диффузии имеет вид плавной кривой, характер которой определяется:

  • температурой и временем проведения процесса,
  • толщиной слоя x0, для которого осуществляется диффузия,
  • концентрацией и формой нахождения примеси в источнике,
  • электрическим зарядом примеси и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами

Обратите внимание, что диффузия происходит не только в глубину монокристалла кремния, но и под защитную маску. В результате размеры полученной области легирования будут больше отверстия в защитной маске.

Легирование полупроводникового кристалла методом эпитаксии

Эпитаксия — это наращивание полупроводника на поверхности кристалла. При эпитаксии обычно удается получить более качественный кристалл. Кроме того, удаётся точнее регулировать концентрацию примесей в его объёме. В результате при легировании полупроводникового кристалла методом эпитаксии удаётся получить резкие p-n переходы.

Эпитаксия полупроводникового кристалла бывает:

  • газофазная;
  • жидкофазная;
  • твёрдофазная.

Дата последнего обновления файла 22.12.2022


Понравился материал? Поделись с друзьями!


Литература:

  1. ГОСТ 22622-77 Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров (с Изменением N 1)
  2. О.Б. Яценко, И.Г. Чудотворцев, М.К. Шаров Основы физики и химии полупроводников. Часть II Учебное пособие для вузов — Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. 2007
  3. Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров: Учебное пособие. — Томск: Изд-во НТЛ, 2008. — 264 с.
  4. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.
  5. М. П. Михайлова, К. Д. Моисеев, Ю. П. Яковлев Открытие полупроводников AIIIBV: физические свойства и применение — Физика и техника полупроводников, 2019, том 53, вып. 3 стр.291-308
  6. Полупроводник. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Полупроводник
  7. Кремний. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Кремний
  8. Кристаллический кремний. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Кристаллический_кремний
  9. Германий. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Германий
  10. Арсенид галлия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Арсенид_галлия
  11. Нитрид галлия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Нитрид_галлия
  12. Галлия Арсенид — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия url:https://megabook.ru/article/Галлия%20Арсенид
  13. Сложные полупроводники — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия url:https://megabook.ru/article/Сложные%20полупроводники

Вместе со статьей "Легирование полупроводников" читают:

Основы квантовой теории строения атома
https://digteh.ru/foe/atom/

Получение чистых полупроводников электронного качества
https://digteh.ru/foe/semicond/produce/

Полупроводники с собственной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/

Полупроводники с электронной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/n/

Полупроводники с дырочной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/p/

Зонная теория проводимости
https://digteh.ru/foe/zon_teor/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2022

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 100 научных и научно-методических работ, в том числе 15 монографий и 9 учебников и учебных пособий.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика