Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы

11

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Факультет: Электронной техники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ (РАБОТА)

"Полупроводниковые материалы"

Харьков 2007

Содержание

Введение

1. Температурные зависимости концентрации, подвижностей носителей

заряда собственных и примесных полупроводников

1.1 Температурные зависимости концентрации в собственном полупроводнике

1.2 Температурные зависимости концентрации в донорном полупроводнике

1.3 Температурная зависимость подвижности носителей заряда

2. Полупроводниковые материалы Si и Ge

2.1 Основные сведения о кристаллическом строении

2.2 Получение и выращивание монокристаллов

2.3 Метод Чохральского и метод зонной плавки

2.4 Основные физико-химические и электрофизические свойства

2.5 Осаждение эпитаксиальных слоев кремния

2.6 Применение в полупроводниковых приборах и ИС

3. Методы контроля параметров полупроводниковых материалов: проводимости, концентрации, подвижности, ширины запрещенной зоны

3.1 Проводимость полупроводников

3.1.1 Преимущества и недостатки методов исследования проводимости полупроводников

3.2 Определение подвижности

3.2.1 Факторы, определяющие подвижность

3.3 Концентрация собственных носителей

Вывод

Список использованной литературы

Введение

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов, в частности полупроводниковых. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей электронной аппаратуры. Практика постоянно предъявляет все более жестокие и разнообразные требования к свойствам и сочетанию свойств у материалов, поэтому растет их количество и номенклатура. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электронной технике для различных целей, составляет несколько тысяч, значительную часть которых составляют полупроводниковые материалы.

К полупроводникам относится большое количество веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков. Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры и освещения, приложение электрического и магнитного полей, внешнего давления и т.д.). Свойства полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, при введении которых изменяется не только значение проводимости, но и характер ее температурной зависимости.

Особенно бурное развитие переживает полупроводниковая электроника в последние четыре десятилетия. Массовое применение полупроводников вызвало коренное преобразование в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Совершенствование полупроводниковой технологии позволило решить задачу микроминиатюризации и интеграции электронной аппаратуры.

1 Температурные зависимости концентрации, подвижностей носителей заряда собственных и примесных полупроводников

1.1 Температурные зависимости концентрации в собственном полупроводнике

В зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные. Собственный полупроводник - это полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примеси.

Примесный полупроводник - это полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяется примесями. Примеси, обусловливающие преимущественно электронную проводимость, называют донорами, а дырочную - акцепторами.

В случае Ge и Si примесями первого вида служат элементы V группы (с большей валентностью): As, P, Sb.

В собственном полупроводнике уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны . Следовательно ; . (1.1)

Тогда . (1.2)

Из полученных выражений следует, что равновесная концентрация носителей заряда в собственных полупроводниках определяется шириной запрещенной зоны и температурой. Для графического изображения температурной зависимости ni выражение (1.1) удобно представить в виде

ln ni= (1.3)

Произведение слабо зависит от температуры. Поэтому зависимость lnni от близка к линейной, причем наклон прямой линии характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника .

Рассмотрим примесный полупроводник.

Рисунок 1.1 - График зависимости ln n от 1/T для примесного полупроводника

В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, показанные на рисунке 1.1. Проанализируем его:

а) NД1 - малая концентрация доноров. В области низких температур увеличение концентрации электронов при нагревании полупроводника обусловлено возрастанием степени ионизации доноров (участок 1-4). Каждый ионизированный донор можно рассматривать как центр, захвативший дырку, наклон прямой на участке 1-4 характеризует энергию ионизации примесей.

При дальнейшем повышении температуры при некоторой температуре (точка 4) все электроны с примесных уровней будут переброшены в зону проводимости. При этом вероятность ионизации собственных атомов полупроводника еще очень мала. Поэтому в достаточно широком температурном диапазоне (участок 4-6) концентрация носителей заряда остается постоянной и практически равной концентрации доноров. Этот участок называется областью истощения примесей.

При относительно высоких температурах (участок кривой за точкой 6) происходит переход в область собственной проводимости (перебросы электронов из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости).

Крутизна кривой определяется шириной запрещенной зоны.

При повышении NД (NД2>NД1) кривые температурной зависимости смещаются вверх.

1.2 Температурные зависимости концентрации в донорном полупроводнике

Донорный полупроводник характеризуется электронной проводимостью. Для него выполняется соотношение >>pn0. Положение уровня Ферми в полупроводниках n - типа при различных температурах имеет вид, представленный на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Положение уровня Ферми в полупроводниках n - типа

При этом наблюдаются следующие закономерности:

а) в области низких температур (kT<) ;

при Т=0К

б) в области средних температур (в области истощения примесей)

(1.4)

в) в области высоких температур (в области перехода к собственной проводимости)

(1.5)

Зная положение уровня Ферми в зависимости от температуры можно получить зависимость концентрации основных носителей от температуры.

В области низких температур

(1.6)

В области истощения примесей . Зависимость концентрации основных носителей от температуры представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - График зависимости концентрации основных носителей от температуры

В области низких температур (0 - Т1) возрастание концентрации электронов связано с переходом электронов в зону проводимости с донорных уровней (происходит ионизация примесных атомов). При этом возрастание концентрации электронов характеризуется смещением уровня Ферми на рис ближе к дну зоны проводимости.

Температурный интервал Т1 - Т2 называется областью истощения примеси;

Т1 - нижней температурной границей истощения примеси, T2 - верхней температурной границей истощения примеси. В этом интервале n=Nd. Концентрация же неосновных носителей в этом интервале резко возрастает, что вытекает из закона действующих масс:

; ; (1.7)

Процесс характеризуется смещением уровня Ферми от дна зоны проводимости к валентной зоне. В области температур Т>Т2 увеличение концентрации свободных электронов происходит за счет перехода их из валентной зоны в зону проводимости (происходит ионизация атомов основного вещества). При этом уровень Ферми располагается, как и в собственном полупроводнике, посередине запрещенной зоны. С увеличением концентрации примеси участка кривых, соответствующие примесной проводимости, смещаются вверх, что следует из формулы (1.6). Кроме того, с увеличением уменьшается расстояние между примесными атомами, что приводит к более сильному взаимодействию электронных оболочек примесных атомов и расщеплению дискретных энергетических уровней в примесные зоны. Соответственно уменьшается энергия ионизации примесей . При достаточно большой концентрации доноров () их энергия ионизации обращается в нуль, так как образовавшаяся примесная зона перекрывается зоной проводимости. Такой полупроводник является вырожденным. Концентрация электронов в вырожденном полупроводнике n - типа постоянна во всем диапазоне примесной проводимости. Вырожденный полупроводник способен проводить электрический ток даже при очень низких температурах. Перечисленные свойства роднят вырожденные полупроводники с металлами. Поэтому их иногда называют полуметаллами.

Все рассмотренные закономерности аналогичным образом проявляются в полупроводниках р-типа.

1.3 Температурная зависимость подвижности носителей заряда

Температурную зависимость подвижности носителей ?(Т) определяют различные механизмы рассеяния:

v на тепловых колебаниях атомов или ионов кристаллической решетки

(на фононах);

v на примесных атомах (ионизированных и нейтральных);

v на дефектах кристаллической структуры (дислокациях, вакансиях, границах зерен и т.п.);

v на поверхности материала (механизм, имеющий основное значение для тонких пленок).

Основными механизмами рассеяния являются первые два.

Рассеяние носителей заряда на фононаx

При этом механизме рассеянии длина свободного пробега обратно пропорциональна температуре ~. В соответствии с классической статистикой тепловая скорость носителей заряда определяется выражением <V>~. Обозначив через ?T подвижность, обусловленную рассеянием носителей заряда на фононах, получим ?T~, т.е. подвижность уменьшается с ростом температуры.

Рисунок 1.4 - Подвижность носителей заряда для собственного полупроводника

Рассеяние на тепловых колебаниях решетки играет доминирующую роль при повышенных температурах. В области пониженных температур основное значение имеет рассеяние на примесных атомах.

Рассеяние на ионизированных примесных атомах

При этом каждый ионизированный атом создает вокруг себя кулоновское поле, ослабленное по сравнению с вакуумом в раз. Движущиеся носители заряда, попадая в область действия этого поля, испытывают кулоновское взаимодействие, вследствие чего искривляют свою первоначальную траекторию. Чем больше суммарная скорость движения носителей, тем меньше времени он пребывает вблизи заряженного атома, тем ниже эффективность рассеяния. Длина свободного пробега носителей растет с увеличением скорости их движения по закону

(1.8)

Существенное влияние на рассеяние оказывает и концентрация ионизированных примесей Nn. Чем больше количество ионов, тем меньше расстояние между ними и тем ближе должны проходить носители относительно заряженного центра. Поэтому обратно пропорциональна концентрации примеси

?n~ (1.9)

В случае преобладания рассеяния носителей заряда на ионизированных примесях подвижность un возрастает с ростом температуры. Если в рассеянии носителей заряда участвуют оба механизма, то результирующая подвижность может быть найдена с помощью соотношения .

В диапазоне малых температур с повышением температуры уменьшаются тепловые скорости хаотического движения носителей заряда, что приводит к увеличению времени пребывания носителя вблизи иона примеси, т.е. увеличивается длительность воздействия электрического поля иона примеси на носитель заряда. Поэтому в диапазоне малых температур с уменьшением температуры подвижность носителей также уменьшается

Рисунок 1.5 - Температурная зависимость подвижности при различных концентрациях примеси.

Температурная зависимость подвижности ?(T) выражается кривой с отчетливо выраженным максимумом, как показано на рисунке 1.5 для различных концентраций примесных атомов. С увеличением концентрации примесей максимум подвижности уменьшается и смещается в сторону более высоких температур.

При очень низких температурах, когда примеси слабо ионизированы, рассеяние носителей заряда происходит на нейтральных атомах примеси. При наличии только этого механизма рассеяния подвижность не зависит от температуры, а определяется только концентрацией примеси.

Использовались источники [1, 2].

2. Полупроводниковые материалы Si и Ge

2.1 Основные сведения о кристаллическом строении

Германий(Ge) и кремний(Si) - элементы 4-й группы периодической системы элементов - образуют кристаллы по правилу 8-N. Следовательно, по правилу 8-N для насыщения связей каждый атом в кристалле должен быть связан с четырьмя соседними атомами (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Кристаллическое строение кремния

Каждые два соседних атома имеют два общих электрона, вращающихся вокруг обоих ядер.

Для материалов характерен ковалентный тип связи, которая прочна и поэтому валентные кристаллы отличаются высокой температурой плавления, большой твердостью и малой летучестью.

Кремний является вторым по распространенности элементом земной коры - его содержание в ней по массе составляет 27,6%. В природе кремний встречается

только в соединениях в виде окисла и в солях кремниевых кислот. Чистота природной окиси кремния в виде монокристаллов кварца достигает 99,99%; в ряде месторождений чистота песка - 99,8…99,9%.

Германий является редким сильно рассеянным элементом; германий не имеет своих руд; в ничтожных количествах германий содержится в цинковых рудах, в каменном угле, золе, саже и морской воде.

Содержание его в земной коре ~710-4 %.

2.2 Получение и выращивание монокристаллов

Существование и основные свойства германия предсказал в 1870 г. Д.И. Менделеев, назвал его экасилицием. В 1886 г. немецкий химик К. Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий оказался тождественным экасилицию. Открытие германия явилось торжеством Периодического закона Д.И. Менделеева.

Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т.е. часто встречается в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Получение Ge в элементарном виде вызывает большие затруднения. В настоящее время источником промышленного получения Ge являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медных, свинцовых, цинковых руд.

В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия GeCI4, который представляет собой жидкость с невысокой температурой кипения Ткип= 83 °С. Жидкость подвергают глубокой очистке, используя методы экстракции и ректификации, после чего очищенный GeCl4 путем гидролиза

Страницы: 1, 2