29766

Классификация полупроводниковых материалов. Собственные и примесные полупроводники. Примеси в полупроводниках

Контрольная

Химия и фармакология

Примеси в полупроводниках. Преднамеренное введение примеси называется легированием соответствующие примеси – легирующие а полупроводник – легированным или примесным. Кроме легирующих примесей существуют случайные или фоновые примеси непреднамеренно вводимые в полупроводник в процессе его производства и обработки. Фоновые примеси как правило ухудшают основные свойства материала и затрудняют управление ими.

Русский

2013-08-21

29.49 KB

105 чел.

Классификация полупроводниковых материалов. Собственные и примесные полупроводники. Примеси в полупроводниках.

Классификация полупроводниковых материалов

Условно к полупроводникам относят материалы, которые имеют удельное электрическое сопротивление от  до и ширину запрещённой зоны 0,1-3 эВ.

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические так и органические вещества, однако основу электроники составляют неорганические полупроводники. Неорганические полупроводники делятся на твёрдые и жидкие, твёрдые – на монокристаллические , поликристаллические и аморфные. Монокристаллические и поликристаллические делятся на элементарные, химические соединения и твёрдые растворы. Из интересующих нас полупроводников к элементарным относятся кремний, германий; к химическим соединениям – соединения типа , , к твёрдым растворам – твёрдый раствор кремний германий.

Отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость многих физических свойств в частности удельного сопротивления от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также от различных внешних воздействий, таких как температура, освещение, магнитное и электрическое поле и т.д. Полупроводники являются основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один в другой различные виды энергии в малом объёме вещества – это обуславливает их широкое применение в электронной технике.

Собственные и примесные полупроводники

Различают примесные и собственные полупроводники, собственные, т.е. беспримесные полупроводники. В собственных полупроводниках переход электронов в зону проводимости осуществляется только из валентной зоны, поскольку в запрещённой зоне отсутствуют разрешённые уровни, вносимые примесными атомами. Носителями заряда в таком полупроводнике являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Количество носителей в обеих зонах совпадает.

Собственные свойства полупроводников – это свойства собственных полупроводников. Определяются они химическим составом, типом межатомного взаимодействия и уровнем структурного совершенства. Собственные свойства полупроводников не зависят от технологических приёмов их получения. К собственным свойствам относятся, например, такие показатели, как концентрация собственных носителей, их подвижность, ширина запрещённой зоны и те показатели, которые, так или иначе, зависят от перечисленных. Технология полупроводниковых материалов требует использования чистых исходных материалов. Однако, очистив полупроводниковый материал до необходимого уровня, далее его снова начинают "загрязнять", поскольку основным способом придания полупроводниковым материалам необходимых свойств является введение в них тех или иных примесей. Преднамеренное введение примеси называется легированием, соответствующие примеси – легирующие, а полупроводник – легированным или примесным. Кроме легирующих примесей существуют случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в полупроводник в процессе его производства и обработки. Типичный пример – это кислород в кремнии, который попадает в кристалл при его выращивании из расплава. Кислород попадает в расплав, в результате его взаимодействия с кварцевым тиглем. Фоновые примеси, как правило, ухудшают основные свойства материала и затрудняют управление ими.

Классификация и поведение легирующей примеси

Легирующие примеси делятся на электрически активные и электрически неактивные примеси. Характер электрической активности примеси зависит от соотношения валентности примесей полупроводника. Исходя из этого, легирующие примеси делятся на:

  1. Неизовалентные, т.е. примеси, валентность которых отличается от валентности замещаемых ими атомов основного полупроводника. Они вносят разрешённые уровни в запрещённую зону основного полупроводника.
  2. Изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с валентностью замещаемых атомов основного полупроводника. В состоянии замещения они не создают разрешённых уровней и в запрещённой зоне.

В полупроводниковых материалах, в которых основным типом химической связи является ковалентная, неизовалентные примеси растворяются в небольших количествах. Предельная растворимость в этом случае составляет, как правило, атомов на . Изовалентные примеси могут растворяться в больших количествах вплоть до неограниченной растворимости. В примесных полупроводниках электроны в зону проводимости и дырки в валентную зону поставляются активными примесями донорами и акцепторами соответственно. Полупроводник, в котором основным типом носителей являются электроны, называется n-типа, донорным или электронным, если основным типом являются дырки – полупроводник называется p-типа, акцепторным или дырочным. Донорными примесями типа замещения являются такие, валентность которых больше валентности замещаемого атома, акцепторными – валентность которого меньше замещаемого атома. Примеси внедрения являются в полупроводниках или нейтральными или донорными. Поскольку ионизация акцептора связана с присоединением электрона и увеличением эффективного радиуса атома, то примесь внедрения в виде акцептора будет вызывать большие упругие локальные искажения решётки полупроводника. Поэтому примеси внедрения в роли акцептора выступают крайне редко. Поведение легирующих примесей даже в элементарных полупроводниках не всегда бывают однозначным, поскольку определяется большим числом факторов: природой атомов примеси, положением, занимаемым атомом примеси, степенью её ионизации, отклонением состава от стехиометрического, взаимодействию примесей, дефектами и другими примесями и т.д. Понимание роли этих факторов является необходимым условием обоснованного выбора легирующей примеси, её концентрации и способа введения. В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств полупроводника только в ионизированном виде. Легирование в количествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образование дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основные свойства полупроводника.

Доноры и акцепторы в кремнии и германии

Если атом примеси отдаёт или принимает только один электрон как примесные атомы 5 и3 групп периодической системы, то примесь называется простым донором или акцептором соответственно. Атом примеси, который может принимать или отдавать два и более электрона, как примесные атомы 1, 2, 6, 7 групп кремния, германия называются сложными донорами и акцепторами соответственно. Введение в кремний и германий простых доноров или акцепторов приводит к возникновению в запрещённой зоне мелких примесных уровней, расположенных приблизительно возле дна зоны проводимости, – это донорный уровень и вблизи потолка валентной зоны – это акцепторный уровень.

Энергии ионизации таких уровней малы и они становятся ионизированными при очень низких температурах, поэтому такие примеси и их концентрация определяет в основном тип и величину электропроводности полупроводника.

Сложные и акцепторы создают в запрещённой зоне полупроводника несколько уровней. Некоторые из создаваемых такими примесями энергетических уровней располагаются в запрещённой зоне далеко от её границ и называются глубокими. Энергия ионизации глубоких уровней может быть близка к значению ширины запрещённой зоны. Такие уровни являются ловушками для носителей заряда и, как правило, их наличие крайне нежелательно в полупроводнике.

Легирующие примеси в полупроводниках типа  и

Примеси замещения кристаллической решетки соединений типа распределяются таким образом, чтобы не возникло центра с большим избыточным зарядом, поэтому примеси элементов второй группы всегда занимают в решётке  узлы  и при этом являются акцепторами, поскольку имеют меньшую валентность по сравнению с валентностью замещаемого атома. Наоборот примеси элементов шестой группы всегда располагаются в узлах  и играют роль доноров. Атомы примесей 4-ой группы занимают как узлы , так и узлы , проявляя в зависимости от этого донорные или акцепторные свойства. Такое поведение называется амфотерным. При этом замещение должно сопровождаться минимальной деформацией кристаллической решётки, поэтому критерием донорного или акцепторного поведения таких примесей может служить соответствие размеров замещающего и замещаемого атомов. По этой причине в антимониде индия  кремний и германий замещают только атомы сурьмы и поэтому являются акцепторами, а в арсениде индия  они замещают индий и являются донорами. В арсениде галлия и фосфиде галлия  и  наблюдается амфотерное поведение таких примесей, т.е. они замещают и узлы  и . Однако, в зависимости от степени легирования, температуры выращивания и состава и состава кристаллизационной среды наблюдается преимущественное вхождение примеси в ту или иную подрешётку.

Примеси элементов  и  подгрупп замещают соответственно атомы  и  и образуют нейтральные центры. Растворимость этих элементов в большинстве случаев очень велика, что позволяет получать кристаллы твёрдых растворов во всём диапазоне концентраций. Примеси элементов переходной группы железо , кобальт  и т.д. создают в полупроводнике  глубокие энергетические уровни акцепторного типа и являются эффективными ловушками для электронов, что сокращает их концентрацию в зоне проводимости.

Поведение примеси типа  в целом подчиняется тем же закономерностям, что и соединения типа . В качестве акцепторов выступают элементы первой группы и пятой группы. В качестве доноров выступают элемент третьей группы и седьмой группы.

Уровни легирования полупроводников

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

  1.  

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.

  1.  

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

  1.  

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.

Назначение легирующих примесей

Легирование полупроводников осуществляется для достижения следующих целей

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

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29343. Требования к точности для разных классификаций оригиналов 44 KB
  Однако в случае невозможности создания колометрически точного воспроизведения возможно 2 пути решения: 1 – формирование колометрически точного воспроизведения большинства цветов изображения и сведения к максимальному приближению тех цветов которые находятся вне цветового охвата. В случае воспроизведения изображения для каталогов цвета чаще всего не являются насыщенными и входят в цветовой охват и задачей является точное воспроизведение необходимых цветов возможно даже за счет искажения цветов окружающих предметов. Ко второму классу...
29344. Special Literary Vocabulary 24.36 KB
  A term unlike other words directs the mind to the essential quality of the thing phenomenon or action as seen by the scientist in the light of his own conceptualization. With the increase of general education and the expansion of technique to satisfy the evergrowing needs and desires of mankind many words that were once terms have gradually lost their quality as terms and have passed into the common literary or even neutral vocabulary. Such words as 'radio' 'television' and the like have long been incommon use and their terminological...
29345. Special Colloquial Vocabulary 22.56 KB
  The first thing that strikes the scholar is the fact that no other European language has singled out a special layer of vocabulary and named it slang though all of them distinguish such groups of words as jargon cant and the like. Webster's Third New International Dictionary gives the following meanings of the term: Slang [origin unknown] 1: language peculiar to a particular group: as a: the special and often secret vocabulary used by class as thieves beggars; b: the jargon used by or associated with a particular trade profession or...
29346. Phonetic Expressive Means and Stylistic Devices 18.9 KB
  This is the way a word a phrase or a sentence sounds. The sound of most words taken separately will have little or no aesthetic value. The way a separate word sounds may produce a certain euphonic impression but this is a matter of individual perception and feeling and therefore subjective. In poetry we cannot help feeling that the arrangement of sounds carries a definite aesthetic function.
29347. Lexical Expressive Means and Stylistic Devices 21.57 KB
  By being forcibly linked together the elements acquire a slight modification of meaning. The elevated ancestors simile unhallowed disturb in the now obsolete meaning of tear to pieces are put alongside the colloquial contraction the Country's the country is and the colloquial done for. Interaction of different of different types of lexical meaning Words in context as has been pointed out may acquire additional lexical meanings not fixed in dictionaries what we have called contextual meanings. The latter may sometimes deviate from...
29348. Interaction of primary and derivative logical meanings. Stylistic Devices Based on Polysemantic Effect, Zeugma and Pun 23.92 KB
  Epithet is a stylistic device based on the interplay of emotive and logical meanings in an attributive word emotionally colored attitude of the speaker to the object he describes. 1 – refer the mind to the concept due to some quality of the object it is attached to. 2 – attributes used to characterize the object by adding a feature unexpected in it. One of the two members of oxymoron illuminates the feature observed while the other one offers a purely subjective individual perception of the object.
29349. Syntactical expressive means and stylistic devices 23.95 KB
  Its expressive effect may be based on the absence of logically required components of speech parts of the sentence formal words or on the other hand on a superabundance of components of speech; they may be founded on an unusual order of components of speech the change of meaning of syntactical constructions and other phenomena. The object is placed at the beginning of the sentence: Talent Mr. The adverbial modifier is placed at the beginning of the sentence: My dearest daughter at your feet I fall. However in modern English and American...
29350. Particular ways of combining parts of the utterance 16.65 KB
  Particular ways of combining parts of the utterance Asyndeton Asyndeton that is connection between parts of a sentence or between sentences without any formal sign becomes a stylistic device if there is a deliberate omission of the connective where it is generally expected to be according to the norms of the literary language. Polysyndeton Polysyndeton is the stylistic device of connecting sentences or phrases or syntagms or words by using connectives mostly conjunctions and prepositions before each component part as in: The heaviest...
29351. Functional Styles 19.61 KB
  Therefore functional style of language is a historical category. Thus the FS of emotive prose actually began to function as an independent style after the second half of the 16th century; the newspaper style budded off from the publicistic style; the oratorical style has undergone considerable fundamental changes and so with other FSs The development of each style is predetermined by the changes in the norms of standard English. The BellesLetters Style We have already pointed out that the belleslettres style is a generic term for three...