Features semiconductor

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

VORONEZH STATE TECHNICAL UNIVERSITY

DEPARTAMENT OF FOREIGN LANGUIAGES AND TRANSLATION TECHNOLOGY

WRITTEN TRANSLATION

FEATURES SEMICONDUCTORS

ОСОБЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Made by (a post-graduate student): Bulygin K.D.

Scientific supervisor: Kretinin A.V.

Checked by: Komarova E.P.

VORONEZH 2015

Contents

1. Semiconductors

1.1 Overview

1.2 Band structure

1.3 Energy-momentum dispersion

1.4 Carrier generation and recombination

1.5 Doping

1.6 Dopants

1.7Carrier concentration

1.8 Effect on band structure

1.9 Preparation of semiconductor materials

2. Полупроводники

2.1 Обзор полупроводников

2.2 Зонная структура

2.3 Рассеивание импульс-энергии

2.4 Получение и рекомбинация носителей заряда

2.5 Легирование

2.6 Легирующие элементы

2.7 Концентрация носителей заряда

2.8 Эффект зонной структуры

2.9 Изготовление полупроводниковых материалов

Bibliography

1. Semiconductors

A semiconductor is a solid whose electrical conductivity is in between that of a conductor and that of an insulator, and can be controlled over a wide range, either permanently or dynamically. Semiconductors are tremendously important in technology. Semiconductor devices, electronic components made of semiconductor materials, are essential in modern electrical devices. Examples range from computers to cellular phones to digital audio players. Silicon is used to create most semiconductors commercially, but dozens of other materials are used as well.

1.1 Overview

Semiconductors are very similar to insulators. The two categories of solids differ primarily in that insulators have larger band gaps -- energies that electrons must acquire to be free to move from atom to atom. In semiconductors at room temperature, just as in insulators, very few electrons gain enough thermal energy to leap the band gap from the valence band to the conduction band, which is necessary for electrons to be available for electric current conduction. For this reason, pure semiconductors and insulators in the absence of applied electric fields, have roughly similar resistance. The smaller bandgaps of semiconductors, however, allow for other means besides temperature to control their electrical properties.

Semiconductors' intrinsic electrical properties are often permanently modified by introducing impurities by a process known as doping. Usually, it is sufficient to approximate that each impurity atom adds one electron or one "hole" that may flow freely. Upon the addition of a sufficiently large proportion of impurity dopants, semiconductors will conduct electricity nearly as well as metals. Depending on the kind of impurity, a doped region of semiconductor can have more electrons or holes, and is named N-type or P-type semiconductor material, respectively. Junctions between regions of N- and P-type semiconductors create electric fields, which cause electrons and holes to be available to move away from them, and this effect is critical to semiconductor device operation. Also, a density difference in the amount of impurities produces a small electric field in the region which is used to accelerate non-equilibrium electrons or holes.

In addition to permanent modification through doping, the resistance of semiconductors is normally modified dynamically by applying electric fields. The ability to control resistance/conductivity in regions of semiconductor material dynamically through the application of electric fields is the feature that makes semiconductors useful. It has led to the development of a broad range of semiconductor devices, like transistors and diodes. Semiconductor devices that have dynamically controllable conductivity, such as transistors, are the building blocks of integrated circuits devices like the microprocessor. These "active" semiconductor devices (transistors) are combined with passive components implemented from semiconductor material such as capacitors and resistors, to produce complete electronic circuits. semiconductor electrical insulator

In most semiconductors, when electrons lose enough energy to fall from the conduction band to the valence band (the energy levels above and below the band gap), they often emit light, a quantum of energy in the visible electromagnetic spectrum. This photoemission process underlies the light-emitting diode (LED) and the semiconductor laser, both of which are very important commercially. Conversely, semiconductor absorption of light in photodetectors excites electrons to move from the valence band to the higher energy conduction band, thus facilitating detection of light and vary with its intensity. This is useful for fiber optic communications, and providing the basis for energy from solar cells.

Semiconductors may be elemental materials such as silicon and germanium, or compound semiconductors such as gallium arsenide and indium phosphide, or alloys such as silicon germanium or aluminium gallium arsenide.



1.2 Band structure

Like other solids, the electrons in semiconductors can have energies only within certain bands between the energy of the ground state, corresponding to electrons tightly bound to the atomic nuclei of the material, and the free electron energy, which is the energy required for an electron to escape entirely from the material. The energy bands each correspond to a large number of discrete quantum states of the electrons, and most of the states with low energy (closer to the nucleus) are full, up to a particular band called the valence band. Semiconductors and insulators are distinguished from metals because the valence band in the semiconductor materials is very nearly full under usual operating conditions, thus causing more electrons to be available in the conduction band.

The ease with which electrons in a semiconductor can be excited from the valence band to the conduction band depends on the band gap between the bands, and it is the size of this energy bandgap that serves as an arbitrary dividing line (roughly 4 eV) between semiconductors and insulators.

The electrons must move between states to conduct electric current, and so due to the Pauli exclusion principle full bands do not contribute to the electrical conductivity. However, as the temperature of a semiconductor rises above absolute zero, the range of energy values of the electrons in a given band are increased, and some electrons are likely to be found in with energy states of the conduction band, which is the band immediately above the valence band. The current-carrying electrons in the conduction band are known as "free electrons", although they are often simply called "electrons" if context allows this usage to be clear.

Electrons excited to the conduction band also leave behind electron holes, or unoccupied states in the valence band. Both the conduction band electrons and the valence band holes contribute to electrical conductivity. The holes themselves don't actually move, but a neighbouring electron can move to fill the hole, leaving a hole at the place it has just come from, and in this way the holes appear to move, and the holes behave as if they were actual positively charged particles.

One covalent bond between neighboring atoms in the solid is ten times stronger than the binding of the single electron to the atom, so freeing the electron does not imply to destroy the crystal structure.

The notion of holes, which was introduced for semiconductors, can also be applied to metals, where the Fermi level lies within the conduction band. With most metals the Hall effect reveals electrons to be the charge carriers, but some metals have a mostly filled conduction band, and the Hall effect reveals positive charge carriers, which are not the ion-cores, but holes. Contrast this to some conductors like solutions of salts, or plasma. In the case of a metal, only a small amount of energy is needed for the electrons to find other unoccupied states to move into, and hence for current to flow. Sometimes even in this case it may be said that a hole was left behind, to explain why the electron does not fall back to lower energies: It cannot find a hole. In the end in both materials electron-phonon scattering and defects are the dominant causes for resistance.

The energy distribution of the electrons determines which of the states are filled and which are empty. This distribution is described by Fermi-Dirac statistics. The distribution is characterized by the temperature of the electrons, and the Fermi energy or Fermi level. Under absolute zero conditions the Fermi energy can be thought of as the energy up to which available electron states are occupied. At higher temperatures, the Fermi energy is the energy at which the probability of a state being occupied has fallen to 0.5.

The dependence of the electron energy distribution on temperature also explains why the conductivity of a semiconductor has a strong temperature dependency, as a semiconductor operating at lower temperatures will have fewer available free electrons and holes able to do the work.

1.3 Energy-momentum dispersion

In the preceding description an important fact is ignored for the sake of simplicity: the dispersion of the energy. The reason that the energies of the states are broadened into a band is that the energy depends on the value of the wave vector, or k-vector, of the electron. The k-vector, in quantum mechanics, is the representation of the momentum of a particle.

The dispersion relationship determines the effective mass, m* , of electrons or holes in the semiconductor, according to the formula:

The effective mass is important as it affects many of the electrical properties of the semiconductor, such as the electron or hole mobility, which in turn influences the diffusivity of the charge carriers and the electrical conductivity of the semiconductor.

Typically the effective mass of electrons and holes are different. This affects the relative performance of p-channel and n-channel IGFETs.

The top of the valence band and the bottom of the conduction band might not occur at that same value of k. Materials with this situation, such as silicon and germanium, are known as indirect bandgap materials. Materials in which the band extrema are aligned in k, for example gallium arsenide, are called direct bandgap semiconductors. Direct gap semiconductors are particularly important in optoelectronics because they are much more efficient as light emitters than indirect gap materials.

1.4 Carrier generation and recombination

When ionizing radiation strikes a semiconductor, it may excite an electron out of its energy level and consequently leave a hole. This process is known as electron-hole pair generation. Electron-hole pairs are constantly generated from thermal energy as well, in the absence of any external energy source.

Electron-hole pairs are also apt to recombine. Conservation of energy demands that these recombination events, in which an electron loses an amount of energy larger than the band gap, be accompanied by the emission of thermal energy (in the form of phonons) or radiation (in the form of photons).

In the steady state, the generation and recombination of electron-hole pairs are in equipoise. The number of electron-hole pairs in the steady state at a given temperature is determined by quantum statistical mechanics. The precise quantum mechanical mechanisms of generation and recombination are governed by conservation of energy and conservation of momentum.

As probability that electrons and holes meet together is proportional to the product of their amounts, the product is in steady state nearly constant at a given temperature, providing that there is no significant electric field (which might "flush" carriers of both types, or move them from neighbour regions containing more of them to meet together) or externally driven pair generation. The product is a function of the temperature, as the probability of getting enough thermal energy to produce a pair increases with temperature, being approximately 1/exp(band gap / kT), where k is Boltzmann's constant and T is absolute temperature.

The probability of meeting is increased by carrier traps - impurities or dislocations which can trap an electron or hole and hold it until a pair is completed. Such carrier traps are sometimes purposely added to reduce the time needed to reach the steady state.

1.5 Doping

The property of semiconductors that makes them most useful for constructing electronic devices is that their conductivity may easily be modified by introducing impurities into their crystal lattice. The process of adding controlled impurities to a semiconductor is known as doping. The amount of impurity, or dopant, added to an intrinsic (pure) semiconductor varies its level of conductivity. Doped semiconductors are often referred to as extrinsic.

1.6 Dopants

The materials chosen as suitable dopants depend on the atomic properties of both the dopant and the material to be doped. In general, dopants that produce the desired controlled changes are classified as either electron acceptors or donors. A donor atom that activates (that is, becomes incorporated into the crystal lattice) donates weakly-bound valence electrons to the material, creating excess negative charge carriers. These weakly-bound electrons can move about in the crystal lattice relatively freely and can facilitate conduction in the presence of an electric field. (The donor atoms introduce some states under, but very close to the conduction band edge. Electrons at these states can be easily excited to conduction band, becoming free electrons, at room temperature.) Conversely, an activated acceptor produces a hole. Semiconductors doped with donor impurities are called n-type, while those doped with acceptor impurities are known as p-type. The n and p type designations indicate which charge carrier acts as the material's majority carrier. The opposite carrier is called the minority carrier, which exists due to thermal excitation at a much lower concentration compared to the majority carrier.

For example, the pure semiconductor silicon has four valence electrons. In silicon, the most common dopants are IUPAC group 13 (commonly known as group III) and group 15 (commonly known as group V) elements. Group 13 elements all contain three valence electrons, causing them to function as acceptors when used to dope silicon. Group 15 elements have five valence electrons, which allows them to act as a donor. Therefore, a silicon crystal doped with boron creates a p-type semiconductor whereas one doped with phosphorus results in an n-type material.

1.7 Carrier concentration

The concentration of dopant introduced to an intrinsic semiconductor determines its concentration and indirectly affects many of its electrical properties. The most important factor that doping directly affects is the material's carrier concentration. In an intrinsic semiconductor under thermal equilibrium, the concentration of electrons and holes is equivalent. That is,

n = p = n_i

Where n is the concentration of conducting electrons, p is the electron hole concentration, and n_i is the material's intrinsic carrier concentration. Intrinsic carrier concentration varies between materials and is dependent on temperature. Silicon's n_i, for example, is roughly 1Ч10¹⁰ cm^-3 at 300 kelvins (room temperature).

In general, an increase in doping concentration affords an increase in conductivity due to the higher concentration of carriers available for conduction. Degenerately (very highly) doped semiconductors have conductivity levels comparable to metals and are often used in modern integrated circuits as a replacement for metal. Often superscript plus and minus symbols are used to denote relative doping concentration in semiconductors. For example, n ⁺ denotes an n-type semiconductor with a high, often degenerate, doping concentration. Similarly, p ^? would indicate a very lightly doped p-type material. It is useful to note that even degenerate levels of doping imply low concentrations of impurities with respect to the base semiconductor. In crystalline intrinsic silicon, there are approximately 5Ч10²² atoms/cm³. Doping concentration for silicon semiconductors may range anywhere from 10¹³ cm^-3 to 10¹⁸ cm^-3. Doping concentration above about 10¹⁸ cm^-3 is considered degenerate at room temperature. Degenerately doped silicon contains a proportion of impurity to silicon in the order of parts per thousand. This proportion may be reduced to parts per billion in very lightly doped silicon. Typical concentration values fall somewhere in this range and are tailored to produce the desired properties in the device that the semiconductor is intended for.



1.8 Effect on band structure

Doping a semiconductor crystal introduces allowed energy states within the band gap but very close to the energy band that corresponds with the dopant type. In other words, donor impurities create states near the conduction band while acceptors create states near the valence band. The gap between these energy states and the nearest energy band is usually referred to as dopant-site bonding energy or E_B and is relatively small. For example, the E_B for boron in silicon bulk is 0.045 eV, compared with silicon's band gap of about 1.12 eV. Because E_B is so small, it takes little energy to ionize the dopant atoms and create free carriers in the conduction or valence bands. Usually the thermal energy available at room temperature is sufficient to ionize most of the dopant.

Dopants also have the important effect of shifting the material's Fermi level towards the energy band that corresponds with the dopant with the greatest concentration. Since the Fermi level must remain constant in a system in thermodynamic equilibrium, stacking layers of materials with different properties leads to many useful electrical properties. For example, the p-n junction's properties are due to the energy band bending that happens as a result of lining up the Fermi levels in contacting regions of p-type and n-type material.

This effect is shown in a band diagram. The band diagram typically indicates the variation in the valence band and conduction band edges versus some spatial dimension, often denoted x. The Fermi energy is also usually indicated in the diagram. Sometimes the intrinsic Fermi energy, E_i, which is the Fermi level in the absence of doping, is shown. These diagrams are useful in explaining the operation of many kinds of semiconductor devices.

1.9 Preparation of semiconductor materials

Semiconductors with predictable, reliable electronic properties are necessary for mass production. The level of chemical purity needed is extremely high because the presence of impurities even in very small proportions can have large effects on the properties of the material. A high degree of crystalline perfection is also required, since faults in crystal structure (such as dislocations, twins, and stacking faults) interfere with the semiconducting properties of the material. Crystalline faults are a major cause of defective semiconductor devices. The larger the crystal, the more difficult it is to achieve the necessary perfection. Current mass production processes use crystal ingots between four and twelve inches (300 mm) in diameter which are grown as cylinders and sliced into wafers.

Because of the required level of chemical purity and the perfection of the crystal structure which are needed to make semiconductor devices, special methods have been developed to produce the initial semiconductor material. A technique for achieving high purity includes growing the crystal using the Czochralski process. An additional step that can be used to further increase purity is known as zone refining. In zone refining, part of a solid crystal is melted. The impurities tend to concentrate in the melted region, while the desired material recrystalizes leaving the solid material more pure and with fewer crystalline faults.



2. Полупроводники

Полупроводники - твердые вещества, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и которые могут постоянно либо динамически управляться в широком диапазоне. Полупроводники очень важны в технологиях. Полупроводниковые приборы, электронные компоненты, выполненные из полупроводниковых материалов, играют значительную роль в современных электрических устройствах. Примеров применения множество, начиная с компьютеров, сотовых телефонов и заканчивая цифровыми аудиоплеерами. Большинство коммерческих полупроводников сделано из кремния, но помимо его используется еще дюжины материалов.

2.1 Обзор полупроводников

Полупроводники очень схожи с диэлектриками. Две категории материалов отличаются в основном тем, что в диэлектриках ширина запрещенной зоны больше - энергий, необходимых для свободного перемещения электронов от атома к атому. При комнатной температуре в полупроводниках, как и в диэлектриках, очень малое количество электронов имеет достаточную тепловую энергию для преодоления запрещенной зоны из валентной зоны в зону проводимости, которая важна для электронов, необходимых для протекания электрического тока. По этой причине чистые полупроводники и диэлектрики в отсутствии приложенного электрического поля имеют почти одинаковое сопротивление. Тем не менее меньшие размеры запрещенной зоны полупроводников позволяют другим средствам, кроме температуры контролировать их электрические свойства.

Часто внутренние электрические свойства полупроводников изменяют путем добавления примесей. Этот процесс называется легирование. Обычно, это достаточно приблизительно, что каждая примесь добавляемая в атом - это один электрон или одна "дырка", которые могут свободно перемещаться. После добавления достаточно большой доли легирующих примесей, полупроводники будут проводить электричество почти также как металлы. В зависимости от вида примеси легированная область полупроводника может содержать больше электронов или дырок; и называются они n- и p- типы полупроводников. Пересечения между областями n- и p- типов полупроводников создают электрические поля, которые вызывают возможность электронов и дырок вылетать из них, этот эффект имеет существенное значение для функционирования полупроводниковых устройств. Также, градиент плотности в примесях создает маленькое электрическое поле в области, которая используется для ускорения неравновесных электронов или дырок.

В дополнение к постоянной модификации легированием, сопротивление полупроводников, как правило, изменяется динамически за счет применения электрических полей. Возможность динамического управления сопротивлением/проводимостью в полупроводниковых материалах посредством приложения электрического поля делает полупроводники полезными. Это привело к созданию широкого спектра полупроводниковых устройств, таких как транзисторы и диоды. Полупроводниковые устройства, которые имеют динамически контролируемую проводимость, например транзисторы, являются элементами интегральных схем устройств, таких как микропроцессор. Эти "активные" полупроводниковые устройства (транзисторы) объединяют с пассивными элементами, выполненными из полупроводниковых материалов, такими как конденсаторы и резисторы для получения электронных цепей.

В большинстве полупроводников, когда электроны теряют достаточное количество энергии для вылета из зоны проводимости к валентной зоне (энергетические уровни выше и ниже запрещенной зоны), они всегда испускают свет, квант энергии в видимом электромагнитном спектре. Этот фотоэмиссионный процесс лежит в основе светодиода и полупроводникового лазера, которые коммерчески очень важны. Напротив, полупроводниковое поглощение света в фотоприемниках заставляет электроны двигаться из валентной зоны к более высокой зоне проводимости, таким образом, облегчая поглощение света и изменение его интенсивности. Это свойство важно для оптико-волоконной связи, оно создает основы получения энергии от солнечных батарей.

Полупроводниками могут быть простые материалы такие как кремний и германий, или составные полупроводники такие как арсенид галлия и фосфид индия, или сплавы такие как кремний-германий или арсенид алюминий-галлия.

2.2 Зонная структура

Как и другие твердые вещества, электроны в полупроводниках могут иметь энергию только в определенных зонах между энергией заземления, которой соответствуют электроны тесно связаны с атомным ядром материала, а также свободная энергия электрона - энергия, необходимая для полного вылета электрона из материала. Каждая из зон энергии соответствует большому числу дискретных квантовых состояний электронов, также большинство состояний с низкой энергией (расположенны ближе к ядру) заполнены до определенной оболочки, называемой валентной. Полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная оболочка в полупроводниковых материалах при обычных условиях эксплуатации почти заполнена, тем самым в зоне проводимости будет больше свободных электронов.

Легкость, с которой электроны в полупроводниковых могут возбудиться из валентной зоны в зону проводимости зависит от ширины запрещенной зоны между ними, она и определяет величину энергии запрещенной зоны, которая выступает в качестве произвольного разделительной линии (приблизительно 4 эВ) между полупроводниками и диэлектриками.

Для проведения электрического тока электроны должны двигаться из одного состояния в другое, и в соответствии с принципом запрета Паули полностью заполненные зоны не содействуют электропроводности. Тем не менее, как только температура полупроводника поднимается выше абсолютного нуля, диапазон значений энергий электронов в данной зоне увеличивается, и возникает вероятность того, что некоторые электроны могут иметь энергетическое состояние зоны проводимости, которая находится над валентной зоной. Токопроводящие электроны в зоне проводимости известны как "свободные электроны", хотя они и называются часто просто "электронами", но только если контекст позволяет это.

Электроны, перешедшие в зону проводимости, оставляют после себя электронные дырки, или, так называемые, свободные состояния в валентной оболочке. И зона проводимости электронов и валентная зона дырок способствуют электрической проводимости. В действительности дырки сами по себе не перемещаются, но находящийся по соседству электрон может заполнить эту дырку, оставляя в том месте откуда он пришел дырку, из этого следует, что дырки двигаются, они ведут себя так, как если бы они положительно заряженными частицами.

Одна ковалентная связь между соседними атомами в твердом теле в десять раз сильней в сравнении со связью одного электрона и атома, таким образом, освобождение электрона не подразумевает разрушение кристаллической решетки.

Понятие дырка, которое было представлено для полупроводников, может быть также применяться к металлам, где уровень Ферми лежит в пределах зоны проводимости. В большинстве металлов эффект Холла показывает, что электроны являются носителями заряда, однако некоторые металлы имеют почти полностью заполненую зону проводимости, в таком случае эффект Холла показывает, что они - носители положительного заряда, но не ионы, а дырки. Контрастируйте это к некоторым проводникам подобным растворам солей, или плазме. В случае с металлом, для электронов необходимо небольшое количество энергии, чтобы занять свободное состояние, то есть для протекания тока. Иногда даже в этом случае можно сказать, что дырка была оставлена, для объяснения, почему электрон не приобрел низкую энергию: он не может найти дырку. Наконец в обоих материалах электрон-фотонное рассеяние и дефекты являются доминирующими причинами сопротивления.

Распределение энергии электронов определяет какое из состояний заполнено, а какое пусто. Это распределение описывается статистикой Ферми-Дирака. Распределение характеризуется температурой электронов и энергией Ферми или уровенем Ферми. При абсолютно нулевом состоянии энергия Ферми может считаться энергией, до которой свободные электроны заняты. При повышенных температурах, энергия Ферми является энергией, при которой вероятность того, что состояние будет занято снижается до 0.5.

Зависимость распределения энергии электронов от температуры также объясняет, почему проводимость полупроводника имеет сильную температурную зависимость; полупроводник, работающий при пониженных температурах, будет иметь меньше доступных свободных электронов и дырок, способных совершать работу.

2.3 Рассеивание импульс-энергии

В предыдущем описании важный факт был проигнорирован для простоты: рассеивание энергии. Причиной того, что энергии состояний расширены в зону, является зависимость энергии от значения волнового вектора, или k-вектора электрона. K-вектор в квантовой механики является импульсом частицы.

Дисперсионное соотношение определяет эффективную массу, m*, электронов или дырок в полупроводнике, в соответствии с формулой:

Эффективная масса важна, так как она влияет на многие электрические свойства полупроводника, такие как электронная или дырочная подвижность, которая в свою очередь влияет на диффузию носителей заряда и электропроводность полупроводника.

Обычно эффективная масса электронов и дырок различна. Это влияет на относительное действие р-канала и n-канала IGFET.

Вершина валентной зоны и основание зоны проводимости могут не происходить при одинаковых значениях k. Материалы, обладающие данным свойством, такие как кремний и германий, известны как материалы с непрямой запрещенной зоной. Материалы, в которых экстремумы зон выровнены в k, например арсенид галлия, называются полупроводниками с прямой запрещенной зоной. Полупроводники с прямой запрещенной зоной особенно важны в оптоэлектронике, поскольку они гораздо более эффективны в качестве светоизлучателей по сравнению с материалами с непрямой запрещенной зоной.

2.4 Получение и рекомбинация носителей заряда

Когда ионизирующее излучение воздействует на полупроводник, оно может заставить электрон выйти со своего энергетического уровня и, следовательно, оставить дырку. Этот процесс известен в как получение электронно - дырочных пар. Электронно-дырочные пары постоянно генерируются из тепловой энергии, в отсутствии любого внешнего источника энергии.

Электронно-дырочные пары также способны рекомбинировать. Сохранение энергии требует, чтобы эти рекомбинационные явления, в которых электрон теряет количество энергии большее по сравнению с запрещенной зоной, сопровождались эмиссией тепловой энергии (в форме фононов) или излучением (в форме фотонов).

В установившемся режиме получение и рекомбинация электронно-дырочных пар находятся в равновесии. Число электронно-дырочных пар в установившемся состоянии при заданной температуре определяется квантово-статистической механикой. Точные квантово-механические механизмы получения и рекомбинации регулируются сохранением энергии и сохранением импульса.

Вероятность того, что электроны и отверстия встречаются вместе, пропорциональна произведению их объема, произвеление в установившемся режиме почти постоянно при заданной температуре, что обеспечивает отсутствие существенного электрического или внешне управляемого получения пары. Произведение является функцией температуры, так как вероятность получения достаточной тепловой энергии для производства пары возрастает с увеличением температуры, которая приблизительно равна 1/exp, где k - постоянная Больцманна, Т - абсолютная температура.

Вероятность соприкосновения увеличивается за счет перехватчиков носителей - примесей или дислокаций, которые могут захватывать электроны или дырки и удерживать их до тех пор, пока пара будет завершена. Такие перехватчики носителей иногда умышленно добавляются, чтобы сократить время, необходимое для достижения установившегося режима.

2.5 Легирование

Свойство полупроводников, которое делает их наиболее полезным для создания электронных приборов, является то, что их проводимость может быть легко изменена введением примесей в их кристаллическую решетку. Процесс добавления примесей в полупроводник известен как легирование. Количество примеси или легирующего элемента, добавленного к собственному (чистому) полупроводнику меняет уровень его проводимости. Легированные полупроводники часто называются примесными.

2.6 Легирующие элементы

Материалы, которые выбираются в качестве легирующего элемента, зависят от атомных свойств и легирующего элемента, и материала, который должен быть легирован. В общем, легирующие элементы, которые производят желаемые управляемые изменения классифицируются как акцепторы элекронов или доноры. Атом - донор, который активизируется, отдает слабо-связанные валентные электроны материалу, создавая избыточные отрицательные носители заряда. Эти слабо-связанные электроны могут двигаться в кристаллической решетке сравнительно свободно и могут облегчать электропроводимость в присутствии электрического поля. И наоборот, активизированный акцептор оставляет дырку. Полупроводники, легированные донорными примесями, называются полупроводниками n-типа, а легированные акцепторными примесями известны как полупроводники р-типа. Обозначения n и p-типы указывают на то какой носитель заряда выступает в качестве основного носителя в материале. Противоположный носитель называется неосновным носителем, который существует в результате термического возбуждения в гораздо более низкой концентрации по сравнению с основным носителем.

Например, чистый полупроводник кремний имеет четыре валентных электрона. Для кремния наиболее подходящими легирующими элементами являются 13 группа (известная как группа III) и 15 группа по ИЮПАК (известная как группа V). Все элементы 13 группы содержат три валентных электрона, что заставляет их вести себя как акцепторы при легировании кремния. Элементы группы 15 имеют пять валентных электронов, которые позволяют им действовать как доноры. Следовательно, кристалл кремния, легированный бором, создает дырочный полупроводник, а легированный фосфором полупроводник с электронной проводимостью.

2.7 Концентрация носителей заряда

Концентрация легирующих элементов, введенных в собственный полупроводник определяет его концентрацию и косвенно влияет на многие его электрические свойства. Важнейший фактор, на который непосредственно влияет легирование - концентрация носителей заряда в материале. В беспримесном полупроводнике при тепловом равновесие концентрация электронов и дырок одинакова. То есть

n = p = n_i .

Где n - концентрация проводящих электронов, p - концентрация дырок, и n_i - концентрация носителей в чистом материале. Концентрация носителей в собственном полупроводнике изменяется в зависимости от материала температуры. n_i кремния приблизительно 1Ч10¹⁰ см^-3 при 300 кельвинах (комнатная температура).

В общем, увеличение концентрации примеси позволяет увеличить электропроводность в связи с более высокой концентрацией носителей заряда, доступных для проводимости. Сильно легированные полупроводники имеют уровень проводимости, сравнимый с металлами, они часто применяются в современных интегральных схемах в качестве замены металла. Надстрочные индексы плюс и минус часто используются для обозначения относительной концентрации примеси в полупроводниках. Например, n ⁺ обозначает полупроводник n-типа с высокой концентрацией примеси. Аналогично, p ^? указывает на слегка легированный материал с дырочной электропроводимостью. Также необходимо отметить, что даже высокие уровни легирования подразумевают низкие концентрации примесей по отношению к основному полупроводнику. В собственном кристаллическом кремнии приблизительно 5Ч10²² атомов/см³. Концентрация примеси для кремниевых полупроводников может варьироваться от 10¹³ см^-3 до 10¹⁸ см^-3. Концентрация примеси свыше 10¹⁸ см^-3 считается высокой при комнатной температуре. Высоколегированный кремний содержит соотношение примеси к кремнию как частей на тысячу. Это соотношение может быть уменьшено до частей на миллиард в слегкалегированном кремнии. Типичные значения концентрации находятся в этом диапазоне и приспособлены, чтобы воплотить желаемые свойства в приборе, для которого этот полупроводник предназначен.

2.8 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_B для бора в кремнии составляет 0.045 эВ, для сравнения ширина запрещенной зоны кремния 1.12 эВ. Поскольку E_B мала, 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-n перехода согласно изменениям энергии зоны, получаются в результате выравнивания уровней Ферми в контактирующих областях полупроводников р- и n-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.

2.9 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 желаемый материал рекристаллизуется, делая твердый материал более чистым и с меньшим количеством кристаллических дефектов.



Bibliography

1. Muller, Richard S.; Theodore I. Kamins (1986). Device Electronics for Integrated Circuits, 2d, New York: Wiley.

2. Sze, Simon M. (1981). Physics of Semiconductor Devices (2nd ed.). John Wiley and Sons (WIE).

3. Turley, Jim (2002). The Essential Guide to Semiconductors. Prentice Hall PTR.

4. Yu, Peter Y.; Cardona, Manuel (2004). Fundamentals of Semiconductors : Physics and Materials Properties. Springer.

Размещено на Allbest.ru

...