Уровни легирования полупроводников



Принято различать полупроводники по концентрации электрически активной примеси или уровня легирования.

Слаболегированные полупроводники. Это такой уровень легирования, при котором между валентными электронами примесных атомов практически нет взаимодействия. При этом примесные атомы создают в запрещённой зоне дискретные энергетические уровни.

Среднелегированные полупроводники. Расстояние между атомами примеси уменьшается и происходит перекрытие орбит валентных электронов соседних примесных атомов. Локальные энергетические уровни расплываются, образуя примесную зону.

Сильнолегированные полупроводники. Наблюдается сильное взаимодействие соседних примесных атомов. Примесная зона сливается с одной из основных зон. Образуется единая разрешённая зона, при этом ширина запрещённой зоны уменьшается.

Носители заряда в примесных полупроводниках

При производстве полупроводниковых приборов помимо чистых полупроводников, в частности чистых германия и кремния, явля­ющихся исходными материалами, используют примесные полупро­водники.

Введение примеси связано с необходимостью создания в полу­проводнике преимущественно электронной либо дырочной электро­проводности и увеличения электрической проводимости. В связи с этим различают соответственно электронные (n-типа) и дырочные (p-типа) полупроводники.

Для получения полупроводника с электропроводностью n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупровод­нике только свободные электроны. Вводимая примесь является «по­ставщиком» электронов, в связи с чем ее называют донорной. Для германия и кремния, относящихся к IV группе Периодической системы элементов, донорной примесью служат элементы V группы (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы которых имеют пять валентных электронов.

При внесении такой примеси атомы примеси замещают атомы ис­ходного полупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки. Четыре электрона каждого атома донорной примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами исходного ма­териала, а пятый («избыточный») электрон, не участвующий в ковалентной связи, оказывается значительно слабее связанным со своим атомом. Для того чтобы оторвать его от атома и превратить в свобод­ный носитель заряда, требуется значительно меньшее количество энергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. В результате приобретения такой энергии (например, энергии фонона при комнатной температуре кристалла) «избыточный» электрон покидает атом и становится свободным, а атом примеси превращается и положительный ион (ионизация атома примеси). В условиях достаточно большой концентрации атомов примеси их ионизация создает некоторую концентра­цию в кристалле полупровод­ника свободных электронов и неподвижных положитель­ных ионов, локализованных в местах расположения атомов примеси. Слой полупроводника остается электри­чески нейтральным, еслиосвободившиеся электроны не уходят за пределы слоя. При уходе электронов под воздействием каких-либо факторов в другие слои кристалла оставшиеся положительные ионы донорной примеси создают в данном слое нескомпенсированный положительный объемный заряд.

 На энергетической диаграмме полупроводника n-типа вводимая примесь приводит к появлению в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости близко расположенных друг от друга локаль­ных валентных уровней энергии, заполненных электронами при температуре абсолютного нуля. Число локальных уровней определяется количеством атомов примеси в кристалле. При комнатной температуре практически все электроны донорных уровней перейдут в зону проводимости и смогут участвовать в создании тока.

Концентрация электронов в зоне проводимости (свободных элект­ронов) при этом определяется преимущественно концентрацией вве­денной примеси, а не собственными электронами валентной зоны, преодолевающими широкую запрещенную зону. В соответствии с этим концентрация электронов nп в полупроводнике n-типа суще­ственно выше концентрации дырок рп, образующейся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Можно считать, что в полупроводнике n-типа ток создается в основном элек­тронами. Другими словами, электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки - неос­новными носителями заряда.

В полупроводниках р-типа введение примеси направлено на по­вышение концентрации дырок. Задача решается использованием в качестве примеси элементов III группы Периодической системы (ин­дий, галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона. При наличии такой примеси каждый ее атом образует толь­ко три заполненные ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника в кристаллической решетке связь остается незаполнен­ной. Недостающий валент­ный электрон для заполнения связи принимается от одного из соседних атомов кристал­лической решетки, так как требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего ато­ма, откуда ушел электрон, и превращению атома при­меси в неподвижный отрицательный ион. В результате за счет примеси достигается повышение концентрации ды­рок в полупроводнике. Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют акцепторными, а саму примесь - акцепторной.

В условиях достаточно большой концентрации атомов акцептор­ной примеси в кристалле полупроводника создается некоторая кон­центрация дырок и отрицательных ионов. Пока число дырок в данном слое полупроводника остается равным числу отрицательных ионов в нем, в слое сохраняется зарядная нейтральность. Если вошедшие из других слоев электроны заполнят некоторое число существующих дефектов валентной связи (рекомбинация электронов с дырками), в данном слое появится нескомпенсированный отрицательный объ­емный заряд, создаваемый ионами акцепторной примеси.

Рассмотрим процесс образования дырок в полупроводнике р-типа, исходя из его энергетической диаграммы. При наличии акцепторной примеси в запрещенной зоне энергетической диаграммы исходного полупроводника вблизи валентной зоны появляются локальные уров­ни энергии, свободные от электронов при температуре абсолютного нуля. Число локальных уровней определяется концент­рацией атомов примеси в кристалле. При комнатной тем­пературе все акцепторные уровни будут заняты электронами, пере­шедшими из валентной зоны. В валентной зоне появится большая концентрация дырок.

Концентрация дырок в валентной зоне при этом определяется имущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси, а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами широкой за­прещенной зоны. В соответствии с этим концентрация дырок рр в полупроводнике р-типа существенно больше концентрации свобод­ных электронов nр. По этой причине ток в дырочном полупроводнике переносится в основном дырками. Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электро­ны неосновными носителями заряда.

Таким образом, в примесных полупроводниках концентрации основных носителей заряда (nп-электронного полупроводника и p- дырочного полупроводника) создаются за счет внесения примеси, а концентрации неосновных носителей заряда (рп, nр - соответственно электронного и дырочного полупроводников) - за счет термо­генерации носителей заряда, связанной с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Необходимая примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда существенно (на два-три порядка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.

Назначение легирующих примесей:

1. Изменение положения уровня Ферми, создание разрешённых уровней в запрещённой зоне с целью изменения концентрации и типа носителей заряда;

2.  Создание центров излучательнойи безызлучательной рекомбинации;

3.  Изменение подвижности, длины свободного пробега носителей свободного заряда;

4.  Изменение ширины запрещённой зоны;

5.  Изменение предельной растворимости в другой примеси;

6.  Изменение межатомных расстояний с целью уменьшения напряжений в многослойных структурах;

7.  Изменение КТЛР (коэффициент термического линейного расширения) с той же целью;

8.  Создание внутренних геттеров (центры захвата) в подложках для собственных и примесных дефектов;

9.  Изменение теплопроводности;

10.  Изменение механических свойств;

11.  Улучшение адгезии между слоями разнородных веществ.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 707;