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

108 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

38450. Проектирование ремонтно-механической мастерской 285.62 KB
  Специализируется на проектировании и дизайне площадей торговых предприятий подборе установке запуске оборудования а также техническом обслуживании. пекарских и кондитерских производств производственных цехов в гипер и супермаркетах осуществляют проектирование и поставку оборудования для продовольственных магазинов магазинов DIY холодильных складов и камер. предлагают широкий ассортиментный перечень оборудования: o холодильное оборудование с выносным агрегатом и со встроенным агрегатом стеллажнные системы покупательские тележки...
38452. Организация системы безопасности Ресторанно-гостиничного комплекса «МАЯКОVSКИЙ» 934 KB
  Под безопасностью туризма понимается личная безопасность туристов, сохранность их имущества и ненанесении ущерба окружающей природной среде при совершении путешествий. Данная дефиниция из закона РФ «Об основах туристской деятельности» не совсем точна. Безопасность не может быть абсолютной. В то же время уровнем опасности можно управлять (устанавливать санитарно-защитные зоны вокруг опасных объектов, уменьшать массу хранящихся опасных веществ и др.).
38454. Проект промышленнго двухэтажного здания с сеткой колон 5 на 11 231.6 KB
  Арии де Вриис превратился в эксклюзивного агента по продаже оборудования в Голландии. В Словакии строится завод Rdemeker Голландские специалисты проводят курсы обучения местных работников чтобы качество производимого оборудования было одинаковым вне зависимости от того где оно сделано – в Голландии или в Словакии. 95 оборудования Rdemeker сегодня идет на экспорт.; гидротермическая обработка тестовых заготовок и выпечка хлеба; охлаждение отбраковка и хранение хлеба и упаковка Таблица 1 Состав оборудования для производственно...
38455. Методические рекомендации по выполнению выпускной квалификационной работы для специальности «Менеджмент организации» 1.13 MB
  65 Менеджмент организации Пермь 2012 Методические рекомендации по выполнению выпускной квалификационной работы для специальности Менеджмент организации Сост.65 Менеджмент организации и разработаны в помощь студентувыпускнику для подготовки выполнения и оформления выпускной квалификационной работы и знакомят с порядком защиты требованиями и правилами оформления необходимых документов. Цель и задачи выпускной квалификационной работы [3] 2.