Диффузия в германии и кремнии – основы материаловедения

June 9, 2013 by admin Комментировать »

К настоящему времени наиболее полные данные о коэффициентах диффузии различных примесей получены для германия и кремния. Первоначально основное внимание при исследовании диффузии было сосредоточено на определении коэффициентов диффузии тех примесей, которые существенно изменяли электрические свойства этих полупроводников и приводили к возникновению p n-переходов. К таким примесям прежде всего относятся элементы IIIA и VA подгрупп таблицы Менделеева, которые образуют с германием и кремнием, как правило, твердые растворы замещения и создают в запрещенной зоне «мелкие» водородоподобные энергетические уровни. Эти примеси сравнительно легко ионизуются, поэтому в широком интервале температур являются основными источниками носителей тока; при этом приводимость Ge и Si изменяется в большом диапазоне (на несколько порядков).

Дальнейшие исследования были сосредоточены на изучении диффузии Li, Cu, Au, Ag, Zn, Ni и Fe. Эти элементы, за исключением лития, также образуют с германием и кремнием, как правило, твердые растворы замещения, но создают в запрещенной зоне глубоколежащие многозарядные, как правило, акцепторные уровни, число которых соответствует разности между числом валентных электронов германия (кремния) и атома примеси (см. гл. 3). Такие «глубокие» уровни выступают как уровни захвата или рекомбинации носителей тока и играют большую роль в неравновесных процессах, уменьшая время жизни и ускоряя рекомбинацию неосновных носителей тока в полупроводниках. Литий с германием и кремнием образует твердый раствор внедрения и является донором с одним уровнем.

В табл. 8.1 приведены данные исследований температурных зависимостей коэффициента диффузии D для различных примесей в Ge, которые практически все удовлетворительно описываются формулой D =

D0 exp(−Q/kT).

Из таблицы видно сильное различие в значениях коэффициентов диффузии D и параметров D0 и Q у элементов IIIA–VA групп и некоторых элементов из II и VI групп, с одной стороны; и у элементов IB, VIII (переходные металлы) групп таблицы Менделеева и Li, с другой сто

Таблица 8.1. Диффузионные параметры различных примесей в Ge [19, 24, 41].

Примесь    Группа    D0, см2/с    Q, эВ      T , ◦C       D, см2/с Na             I             0.07         2.08     700–850    1.2 · 10−11

Be             II             0.5           2.5      720–920    9.1 · 10−13

Zn            II             0.65         2.55     825–918    6.9 · 10−13

Cd           II        1.75 · 109        4.42    760–915    3.0 · 10−12

B            III        6.0 · 108           45      760–850    4.4 · 10−13

Al           III        1.0 · 103         3.45    554–905    6.2 · 10−14

Ga            III              10            30      650–900    8.1 · 10−14

In            III         1.8 · 104          3.64     554–919    1.6 · 10−13

Tl            III         1.7 · 103           3.4      800–920    1.8 · 10−13

Ge            IV            13.6          3.09     535–904    4.2 · 10−14

Sn            IV             70           3.05     798–846    5.7 · 10−13

Pb           IV         1.6 · 103           3.6         800       2.0 · 10−14

P              V              1.2            24      650–900    6.4 · 10−12

As            V               3            2.43     750–900    1.2 · 10−11

Sb            V             3.5          2.45     750–850    1.1 · 10−11

Bi            V            3.3           2.5      750–850    6.0 · 10−12

O             VI             0.4          2.08     285–760    6.8 · 10−11

Te           VI            5.6          2.43    770–900    2.2 · 10−11

Li            I         1.3 · 10−3        0.46    350–800    9.0 · 10−6

Fe           VIII           0.13           1.1      775–930     8.9 · 10−7

Ni           VIII            0.8          0.91     700–875     4.3 · 10−5

Co          VIII           0.16          1.12     750–850    8.8 · 10−7

Cu            I         1.9 · 10−4        0.18    700–900    2.8 · 10−5

Ag            I         7.4 · 10−2         1.0     730–900    8.8 · 10−7

Au            I         3.5 · 10−6        0.63    800–900    3.8 · 10−9

H             I        2.72 · 10−3       0.38    780–930    4.5 · 10−5

He           0        6.1 · 10−3        0.69     795–872    3.5 · 10−6

Xe           0         5 · 10−6           1.2     250–980    1.2 · 10−11

роны. Первая группа примесей имеет D на несколько порядков меньше («медленно» диффундирующие примеси), чем вторая группа («быстро» диффундирующие примеси); энергии активации диффузии Q у первой группы больше, чем у второй; D0 тоже больше в первой группе, чем во второй. Однако из таблицы видно, что существует большой разброс в значениях D0 и Q в самих группах. Здесь следует иметь в виду, что интервал надежного определения параметров диффузии, особенно для примесей первой группы, довольно узок из-за их малых глубин проникновения в кристалл. Поэтому к приведенным значениям D0, полученным экстраполяцией, следует относиться как к оцененным с точностью до порядка. Тем не менее полученные данные позволяют сделать вывод о различных механизмах диффузии для этих двух групп примесей. Аналогичная ситуация наблюдается и при исследовании диффузии различных примесей в Si [39, 41].

Так как примеси первой группы образуют с германием твердые растворы замещения, то можно полагать, что и диффузия в них носит вакансионный характер. В этом случае Q можно отождествить с соответствующей энергетической характеристикой Qa + Qv в формуле (8.9).

Диффузию примесей второй группы можно трактовать как междоузельную. С этим полностью согласуются экспериментальные данные по Li. Он образует с германием твердый раствор внедрения и в кристаллической решетке является донором, создающим электронные уровни, расположенные на 0.01 эВ ниже дна зоны проводимости. Действительно, Li имеет наименьший по сравнению с другими элементами ионный радиус rLi+  = 0.68 A˚ , поэтому ионизованный атом Li+ может свободно перемещаться по междоузлиям решетки Ge. Относительно других «глубоких» примесей второй группы (Cu, Ni, Fe, Au и т. д.) вопрос о междоузельном механизме диффузии не столь очевиден. Эти примеси являются, как правило, акцепторами в Ge, а такой характер их электрической активности возможен только в том случае, когда эти примеси расположены в узлах решетки. Предположение о их междоузельной диффузии может быть подтверждено лишь в том случае, если будет экспериментально доказано, что диффундируют они не в виде ионизованных акцепторов A−, а в виде ионизованных доноров D+. Для этого необходимо определить зарядовое состояние диффундирующих примесных ионов.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты