Легирование полупроводников и получение p – n-переходов

Чистый беспримесный полупроводник – исходный материал для изготовления полупроводниковых приборов. В нем создают электронно-дырочный p – n-переход, возникающий на стыке зон разной проводимости, который позволяет выпрямлять и усиливать ток, превращать различные виды энергии в электрическую и т.д.

Для получения в монокристаллах определенной проводимости применяют специальное легирование очищенных германия или кремния. Легирующие элементы вводят в микродозах, содержание их не превышает 10-5 – 10-7%.

Для полупроводниковых приборов используют пластины, на которые разрезают легированные объемные монокристаллы определенной проводимости. Для стабильности рабочих характеристик таких приборов монокристалл должен иметь по всей длине однородную проводимость, т.е. равномерное распределение легирующей примеси.

Метод вытягивания монокристалла из расплава очищенного полупроводника с введенной легирующей примесью – один из способов получения легированных монокристаллов германия и кремния. Легирующие примеси должны иметь небольшие значения коэффициента распределения. Только в этом случае при обогащении расплава легирующей примесью состав растущего монокристалла незначительно изменяется по длине и его можно выровнять снижением скорости вытягивания.

Коэффициент распределения снижается при уменьшении скорости вытягивания (см. рис. 11.16). Используя это, можно начать процесс выращивания монокристалла из расплава при скорости 1. Для компенсации увеличения концентрации легирующей примеси в расплаве вследствие убыли атомов полупроводника скорость вытягивания 1 со временем несколько снижают. Это приводит к снижению К и обеспечивает постоянство легирующей присадки в растущем монокристалле.

Метод зонного выравнивания (рис. 11.17) применяют также для получения легированных монокристаллов с однородной проводимостью по длине.

Очищенный монокристалл вместе с затравкой помещают в вакуумную камеру. После оплавления затравки индуктор перемещают вправо с постоянной скоростью. В расплавленную зону вводят легирующую примесь.

Из формулы (11.3) следует, что постоянство концентрации примеси в прутке будет достигнуто при малом К, если легирующая примесь введена в него в большом количестве и убыль ее в ходе процесса ничтожно мала. При большом значении К (см. рис. 11.17) расплав быстро обедняется, что вызывает уменьшение примеси в монокристалле.

Степень легирования, так же как и степень очистки, контролируют изменением электросопротивления. Специальными методами определяют тип проводимости, время жизни или диффузионную длину L. Измеренные параметры указывают в марках легированных полупроводников.

Некоторые марки чистого и легированного германия и кремния приведены в табл. 11.5.

Таблица 11.5. свойства чистого и легированного германия и кремния

 

 


Первое число в марке указывает значение удельного электросопротивления, второе – диффузионную длину L.

Для получения p – n-переходов используют диффузионный или сплавно-диффузионный методы и ионное легирование в тлеющем разряде.

При диффузионном методе легирующая примесь попадает в пластинку полупроводника в результате диффузии из газовой фазы, в состав которой входит легирующая примесь. Так, для диффузии донорной примеси – фосфора в дырочный германий используют соединение, которое при нагреве испаряется, переносится потоком аргона в зону диффузии с более высокой температурой и там диссоциирует с образованием активного атомарного фосфора.

 На поверхности пластины фосфор взаимодействует с атомами полупроводника и диффундирует в германий, образуя с ним твердый раствор замещения. Возможность диффузии атомов легирующей примеси обусловлена наличием в полупроводнике точечных дефектов (вакансий).

Этот метод дает хорошую воспроизводимость основных характеристик, что позволяет использовать его в серийном производстве. Кроме того, он дает возможность вводить примеси совместно, используя различные коэффициенты диффузии вводимых веществ. При диффузии донорной примеси в пластинке германия с p-проводимостью на некотором расстоянии от поверхности возникает p – n-переход (рис. 11.18). Изменяя температуру процесса и время выдержки, можно получать p – n-переход на любой глубине.

 Метод диффузии позволяет получать сразу несколько p – n-переходов в одной пластине. В этом случае газовая среда должна содержать и донорную N n и акцепторную N p примеси. Коэффициенты диффузии донорных примесей для германия больше, чем акцепторных. В кремнии, наоборот акцепторные примеси диффундируют быстрее. На рис. 11.19 показана диффузия в дырочный германий акцепторной (Ga) и донорной (Sb) примесей. Скорость донорной примеси больше, а поэтому она распространяется на большую глубину. При таком методе в наружном p-слое распределение примеси неравномерно. Кроме того, около p – n-перехода концентрация примеси изменяется плавно, что ухудшает характеристики прибора.

Этих недостатков лишен p – n – p-переход, полученный на германии или кремнии сплавно-диффузионным методом.

В этом случае на пластину германия с p-проводимостью помещают шарик из сплава на основе свинца с примесью галлия (акцептор) и сурьмы (донор) и нагревают до 760 . При этой температуре сплав расплавляется, и примесь растворяется в германии. Ее растворимость определяется точкой а ' диаграммы состояния системы германий – примесь (см. рис. 11.11). После выдержки (2 ч) температуру понижают до 720 , и растворимость увеличивается (точка а на рис. 11.11). Германий захватывает небольшое количество донорной и акцепторной примесей, но в связи с небольшой растворимостью в германии галлия, чем сурьмы, эта зона германия, обогащенная примесью, сохраняет p-проводимость (рис. 11.20).

В процессе длительной (10 ч) выдержки при 720  происходит диффузия галлия и сурьмы из образовавшейся p-зоны в основную пластинку p-Ge. Благодаря большей диффузионной подвижности сурьмы в пластинке германия создается зона n-проводимости, что в итоге приводит к образованию двух переходов типа p – n – p.

При ионном легировании используют тлеющий разряд, в котором газовая фаза, содержащая легирующую примесь, ионизируется. Ионы легирующего элемента внедряются в кристалл. В зависимости от энергии иона внедрение происходит на определенном расстоянии от поверхности (рис. 11.21), что позволяет создавать несколько p – n-переходов.



Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электросопротивление равно 108 – 1016 Ом м.

Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения; при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры.

Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему полю. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость . Она оценивается отношением емкостей Сд0 конденсатора. Емкость Сд определяется, когда между пластинами конденсатора находится диэлектрик, а емкость С0 – когда вместо диэлектрика – вакуум. В твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации которые в сумме определяют значение  и его зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение  (не более 10 – 12). Диэлектрики, которые используют в конденсаторах, должны иметь высокие значения , чтобы увеличить емкость конденсатора. у конденсаторных диэлектриков изменяется от 12 – 15 до 100000.

Наиболее важными видами поляризации являются электронная, ионная, дипольно-релаксационная (рис. 11.22) и самопроизвольная (спонтанная).

Электронная поляризация (рис. 11.12, а) вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно, время установки поляризации ничтожно мало (10-15 с), и поэтому она не зависит от частоты.

Ионная поляризация (рис. 11.12. б) возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы – в сторону отрицательного. Время установления ионной поляриации также мало (10-15 с), и  также не зависит от частоты.

Дипольно-релаксационная поляризация (рис. 11.22. в) проявляется в полярных диэлектриках. Повороты диполей существенно меняют . У неполярных диэлектриков  немного больше 2, у полярных – в несколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение их к неупорядоченному состоянию после его снятия требуют преодоления некоторого сопротивления молекулярных сил. Эта поляризация появляется и исчезает значительно медленнее электронной и ионной поляризации.

При нагреве диэлектрическая проницаемость  изменяется, температурный коэффициент αε принимает значения от –1300 до 3000 10-6 -1. Отрицательный αε имеют диэлектрики с электронной поляризацией, при нагреве увеличивается их объем и соответственно уменьшается плотность зарядов. Диэлектрики с ионной поляризацией имеют положительный αε. При нагреве поляризация возрастает вплоть до верхней границы рабочего интервала температур. Это объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения.

Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы начинают смещаться на расстояния больше межионных. В этом случае поляризация зависит от частоты, устанавливается медленно (за 10-5 – 10-3с) и называется ионно-релаксационной.

Изменения дипольно-релаксационной поляризации при нагреве определяются соотношением межмолекулярного притяжения и теплового движения. Ослабление притяжения облегчает ориентацию диполей, а усиление теплового движения ей мешает. В связи с этим поляризация сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.

Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков – сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Объем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация Р равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации доменов. При циклическом изменении поля от +Е до –Е возникает петля гистерезиса (рис.11.23). Когда напряженность поля возрастает, поляризация Р достигает насыщения; при этом  увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность поля Ес, при которой меняется направление поляризации, называется коэрцитивной силой. Когда Ес 0,1 МВ/м, сегнетоэлектрик является мягким; когда Ес  1МВ/м – жестким. Известно около 500 сегнетоэлектриков. Они принадлежат к классу активных диэлектриков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы и минимумы. В частности, максимальное значение  достигается около точки Кюри.

Электрическая проводимость твердых диэлектриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. Основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями.

Электрическую проводимость диэлектрика подразделяют на объемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них характеризуется своим удельным электросопротивлением: объемным v  (Ом м) и поверхностным s (Ом).

Диэлектрики имеют высокое удельное объемное электросопротивление v  108 Ом м). при нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов.

Поверхностное электросопротивление s зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и от состояния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия – лаки, эмали, глазури.

Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц их величина становится одним из самых важных параметров диэлектрика. Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока (рис 18.24). у идеального конденсатора угол сдвига фаз между током I и напряжением U равен 90 , поэтому активная мощность N а = IU cos  равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90  на угол , называемый углом диэлектрических потерь. Тангенс угла и диэлектрическая постоянная  характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), Вт/м3:

                                                           p = k E 2 f tg ,

где k – коэффициент; Е – напряженность электрического поля, Вт/м; f – частота поля, Гц.

Произведение tg  называют коэффициентом диэлектрических потерь. В зависимости от значения tg  диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg  = 0,1 … 0,001) и высокочастотные (tg    0,001). К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электрическая проводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений.

Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. Пробой – это необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств. Электрической прочностью или пробивной напряженностью Епр называется отношение пробивного напряжения U пр к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.

Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за 10-7 – 10-8 с) под действием поля большой напряженности (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.

Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность Епр из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше Епр. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так кк при этом возрастают потери) и замедлении теплоотвода.

Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.

По химическому составу диэлектрики подразделяют на органические и неорганические. К первым относятся полимеры, резина, шелк; ко вторым – слюда, керамика, стекло, ситаллы.

По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические). Для электроизоляционных материалов решающее значение имеет их стойкость к нагреву, т.е. способность без ущерба для свойств выдерживать нагрев в течение длительного времени. По этой стойкости диэлектрики разделяют на классы (ГОСТ 8865-93): Y, A, E, B, F, H и др. В классе Y объединены наименее стойкие целлюлозные, шелковые и полимерные материалы, для них рабочая температура не превышает 90 . Самыми стойкими к нагреву являются слюда, керамика, ситаллы, а также полиимиды и фторопласт-4. Они выдерживают длительный нагрев 180  и выше. Большое влияние на свойства диэлектриков оказывают гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование токопроводящих пленок на поверхности и в толще изделий понижает изолирующую способность и может закончиться пробоем. Наиболее гигроскопичны материалы с порами и капиллярами на поверхности – бумага, обычная пористая керамика, слоистые пластики. Проницаемость для водяных паров исключительно важна для пропиточных, заливочных и других защитных материалов. Диаметр молекулы воды равен всего 2,5 10-10 м, и водяной пар проходит сквозь мельчайшие поры. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры. Для изделий из гигроскопичных диэлектриков используют пропитку, их поверхности защищают лаками, глазурью и т.п.Прочность диэлектриков и особенности их механических свойств являются дополнительным критерием выбора материалов. Керамика, стекло и ситаллы – наиболее прочные диэлектрики. Характерной особенностью этих материалов является хрупкость; их прочность на сжатие в несколько раз больше прочности на изгиб. Предел прочности на изгиб равен 30 – 300 МПА, а у ряда ситаллов возрастает до 500 МПа. Для хрупких диэлектриков исключительно важно учитывать тепловое расширение, особенно когда речь идет о работе в условиях быстрых смен температуры или о соединении диэлектриков с металлами. Температурный коэффициент линейного расширения керамики и тугоплавкого стекла не превышает 8 10-6 К-1, а у ситаллов в зависимости от химического состава – (-4 …31,5) 10-6 К-1. Особенно велико тепловое расширение органических диэлектриков ( α t = (60 …100) 10-6 К-1), но у пластмасс с неорганическими наполнителями оно примерно такое же, как у металлических сплавов. Кроме того, органические диэлектрики достаточно пластичны, для них термические напряжения не столь опасны.

Стабильность структуры и свойств диэлектриков определяет сроки их эксплуатации. Наибольшую стабильность имеет керамика и ситаллы, в стеклах под влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются электропроводящие мостики. Добавки PbO и BaO увеличивают стойкость стекла против электрохимического пробоя, связанного с миграцией ионов щелочных металлов. Органические диэлектрики разрушаются при комбинированном действии нагрева, окисления на воздухе и ионизации, поэтому их срок службы меньше, чем у керамики или стекла. Большинство пластмасс под действием разрядов обугливается и теряет изолирующую способность. Этого недостатка лишены полистирол, органическое стекло, фторопласты и кремнийорганические пластики. Среди диэлектриков самыми важными являются керамические материалы и особенно сегнетокерамика. Керамика имеет наиболее разнообразные электрические свойства (табл. 18.6), она почти не подвержена старению и устойчива к нагреву.

Установочная керамика применяется для изготовления изоляторов, колодок, плат, каркасов, катушек и т.п. Она должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность.

 

Таблица 11. 6. Свойства диэлектриков

 


Для работы на низких частотах используют электрофарфор, который дешев и имеет неплохие электрические свойства. Его недостатки – большие потери, резко возрастающие при нагреве выше 200 , и низкая механическая прочность. Объясняются они свойствами стекла, которго в электрофарфоре содержится довольно много.

Основным материалом, используемым для изготовления деталей, предназначенных для работы на высоких частотах, является стеатит, который получают из талька. Стеатиты не содержат вредных примесей, их свойства стабильны до 100 . Они легко прессуются (при обжиге дают усадку всего 1 – 2%) и используются для деталей с плотной и пористой структурой и точными размерами. В отличие от других видов керамики стеатит удовлетворительно режется (после предварительного обжига). Недостатки стеатита – растрескивание при быстрых сменах температуры и трудность обжига.

Кондесаторная керамика, применяется при высоких частотах, не должна иметь очень большие значения во избежание потерь. Для высокочастотных конденсаторов применяют ультрафарфор, стеатит, станнатную керамику, но лучшие свойства имеет керамика на основе TiO 2. Эту керамику подразделяют на две группы: тиконды – Т-60, Т-80, Т-150 и термоконды – Т-20, Т-40 (цифра указывает значение ). В тикондах основным видом кристаллов является рутил – наиболее плотная модификация TiO 2. Чембольше содержание TiO 2 в керамике, тем выше значения  и α . Основная область применения тикондов термокомпенсирующие конденсаторы. Термоконды наряду с TiO 2 содержат ZrO 2 и другие добавки. Они имеют низкие значения α  и используются для конденсаторов с высокой стабильностью.

Лучшая конденсаторная керамика, применяемая при низких частотах, – сегнетокерамика, так как у нее велики значения . Недостатками сегнетокерамики являются сравнительно большие потери и невысокая электрическая прочность. Сегнетокерамику подразделяют на материалы с небольшой и большой линейностью. У материалов первой группы  во всем интервале рабочих температур и напряженностей поля изменяется не более чем на 30% (рис. 11.25). различные марки керамики этой группы отличаются значением  (изменяется от 1000 до 7500) и положением температурного максимума . У материалов второй группы зависимость  от

Напряженности поля характеризуется коэффициентом нелинейности К, равному отношению  в слабом поле (2 – 5 В/м).

Материалы с большой нелинейностью используют в варикондах – конденсаторах переменной емкости. При одновременном действии постоянного и переменного полей  ситановится изменчивой (ее называют реверсивной ), а ее значение определяется соотношением напряженностей полей. Выбором постоянного и переменного напряжений, приложенных к конденсатору, изменяют его емкость в несколько раз (в пределах, определяемых коэффициентом нелинейности). Вариконды используют в усилителях, делителях, умножителях частоты и других устройствах.

Пьезоэлектрики – вещества, у которых под действием механических напряжений возникает поляризация (прямой пьезоэффект) или под действием электрического поля изменяются размеры (обратный пьезоэффект). К пьезоэлектрикам относятся поляризованные сегнетоэлектрики с остаточной поляризацией, а также кристаллы не имеющие центра симметрии. В основе пьезоэффекта лежит смещение ионов в кристаллической решетке при упругой деформации. Пьезоэффект анизотропен и характеризуется пьезомодулем – зарядом, который появляется на поверхности пластин пьезоэлектрика под действием единичной силы. Обычно измеряют так называемый продольный пьезомодуль dзз по заряду на поверхности, перпендикулярной направлению поляризации, когда нагрузка приложена перпендикулярно этой же поверхности. От пьезоэлектриков требуются высокие значения пьезомодуля и малые потери. Пьезомодули dзз у сегнетокерамики и пленки поливинидиленфторида [–CH2–CF2–]n равны соответственно 2…4 10-10 и 3,5 10-11 Кл/Н, что на один-два порядка больше пьезомодудей кварца.

В полимерных пленках свойства пьезоэлектрика появляются после создания в материале системы «сидячих» зарядов благодаря ориентации диполей или обработке поверхности высокоэнергетическим потоком электронов. Для практического применения таких материалов требуется стабильность исходных характеристик, чтобы время полураспада было бы не меньше нескольких лет. Утечка зарядов из-за малой, но не равной нулю объемной проводимости или медленная релаксация ориентированных диполей уменьшают исходные значения пьезомодулей.

Применение полимерных пленок со свойствами пьезоэлектриков обходится дешевле и имеет технологические преимущества при изготовлении датчиков с большой рабочей поверхностью. Высокая чувствительность пленок к сжатию стала основой для их применения в датчиках давления, акселерометрах, а также в датчиках, работающих в жидких средах (гидроакустическая аппаратура, медицинские приборы).


 




Дата: 2019-02-18, просмотров: 582.