Download pdf - Materiale-semiconductoare REV 0

MATERIALE SEMICONDUCTOARE

1


1.1 Clasificarea materialelor semiconductoare; Legtura covalent

Pentru a stabili proprietile pe care le implic tehnologia dispozitivelor semiconductoare trebuie mai nti studiate proprietile i structura intern a materialelor cu proprieti semiconductoare.

Materialele semiconductoare (MS) sunt materiale a cror conductivitate electric se situeaz ntre conductoare i izolatoare, aa cum se prezint n fig.1.1.

Fig.1.1 Conductivitatea tipic pentru izolatori, semiconductori i conductori.

n general, MS sunt rezistene neliniare i rezistivitatea lor este puternic influenat de defectele existente n structura cristalin a materialelor i de factorii externi (tensiunea aplicat, iluminarea la care sunt supuse, temperatura etc.), n timp ce la conductori acestea n-au practic nici o influen.

Coeficientul de temperatur al rezistivitii semiconductoarelor este negativ n domeniul de temperaturi ce intereseaz n tehnic, asemnndu-se din acest punct de vedere izolatorilor.

Clasificarea MS poate fi fcut dup diferite criterii: chimic, fizic i funcional.

n funcie de numrul elementelor chimice care intr n structura chimic, exist MS elementare (n numr de 12, din grupa a patra a tabelului Mendeleev: C, Si, Ge, Sn; din grupa a treia: B; din grupa a cincea: P, As i Sb; din grupa a asea: S, Se, i Te; din grupa a aptea: I) i MS compuse (n numr de cteva sute, compui binari de tipul III-V, IV-IV, II-IV, II-V, II-VI, I-V, I-VI, III-VI etc.; compui ternari de tipul I-III-V, II-IV-V, I-IV-VI, I-II-VI, IV-IV-VI etc.; compui cuaternari de tipul I-IV-V-VI, CuPbAsS3; soluii solide Ge-Si, InAs-InSb, PbSe-PbTe etc.).


2

n funcie de natura legturii interatomice care st la baza structurii lor MS se clasific n urmtoarele categorii:

- semiconductoare cu legtur covalent direcional, caracterizate prinrigiditate i duritate deosebite, cazul Si, Ge, Se, Te;

- semiconductoare cu legtur hibrid covalent-ionic, caracterizatede gradul de ionicitate (SiC 18%, CdS 69%, GaAs 32%).

Din punctul de vedere al ordinii cristaline, MS se clasifica astfel:

- S cu structur cristalin monoclinic LiAs;- S cu structur cristalin ortorombic CdAs2, SnS, SnSe, Ag2Te;- S cu structur cristalin trigonal Bi2Se, Sb2Te3;- S cu structur cristalin hexagonal GaSe, ZnSb, CdSb;- S cu structur cristalin cubic Si, Ge, SiC, GaP, GaAs, InSb;- S cu structur cristalin policristalin As2Se3AsS3.Din punctul de vedere al funciilor de utilizare, MS se clasific n:- funcia de conducie comandat n tensiune electric (cmp electric);- funcia de conversie optoelectronic;- funcia de detecie a radiaiilor nucleare;- funcia de conversie electrooptic;- funcia de conversie termoelectric;- funcia de conversie magnetoelectric (efectul Hall i efectul

magnetorezistiv);

- funcia de conversie mecanoelectric (efectul piezosemiconductor).MS sunt utilizate la obinerea dispozitivelor semiconductoare:

tranzistoare, diode, etc. precum i la realizarea circuitelor integrate. Dup apariia tranzistorului (1950), germaniul era principalul material

semiconductor, dar prezenta dezavantajul curentului rezidual ridicat la

temperaturi mari pecum i proprieti modeste ale oxidului de germaniu. Dup 1960, siliciul devine nlocuitorul practic al germaniului, datorit:

- curenilor reziduali mult mai mici,- proprietilor remarcabile ale oxidului de de siliciu,- considerente economice (costul siliciului monocristalin destinat

dispozitivelor semiconductoare i a circuitelor integrate este cel mai sczut). n ultimii ani, Si devine i el de multe ori inutilizabil datorit limitelor de

performan la frecvene ridicate sau n domeniu optic. Astfel, au aprut materiale semiconductoare compuse, compuii

intermetalici: SiC, GaP, GaAs, InSb, CdS etc.

Tipurile reprezentative de reele cristaline sunt determinate de caracterul i intensitatea forelor de legtur din cristal. Legtura covalent, ce caracterizeaz i modul de cristalizare pentru Ge i Si (cristalizeaz n sistemul cubic tip diamant), reprezint una din cele mai puternice fore de legtur chimic. Particulele constituente tind s-i formeze o configuraie electronic stabil; acest lucru realizndu-se de aceast dat prin punerea n comun a unor


3

perechi de electroni de valen, electronii fiind colectivizai doar parial ntre doi atomi.

Siliciul, n prezent cel mai utilizat element pentru obinerea materialelor semiconductoare, ca i celelalte materiale semiconductoare pure, la care atomii din reeaua cristalin sunt de un singur tip, din grupa a IV-a a tabelului periodic al elementelor, are structura sa, cu cei patru electroni de valen, prezentat n fig.1.2.

Fig.1.2 Atomul de Si

La temperatura de 00K, atomii de siliciu sunt legai prin legturi

covalente, aa cum se prezint n fig.1.3, la care fiecare dintre acetia particip cu cte patru electroni de valen.

Fig.1.3 Legtura covalent

n general, rezistivitatea conductoarelor pure (sau intrinseci) este prea mare pentru necesiti practice.

Revenind la diagrama benzilor energetice, la temperatura de 00K,

electronii sunt plasai numai n banda de valen. Deoarece nu exist electroni de conducie (electroni liberi), n structura materialului semiconductor nu se genereaz curent electric.

Obs. Banda interzis Fermi pentru siliciu, wi 1eV, este prea mare pentru a permite trecerea, sub aciunea unui cmp E, a unui numr suficient de mare de electroni din banda de valen BV n banda de conducie BC, chiar la temperatura camerei.


4

1.2 Conducia intrinsec

Conducia unui semiconductor intrinsec se poate totui realiza prin promovarea unor electroni din BV n BC.

La temperaturi mai mari de 00K, o parte a energiei termice este preluat

de ctre electronii de valen, care, beneficiind de acest aport energetic, pot trece de nivelele energetice din banda interzis i ajunge pe nivelele energetice din banda de conducie, devenind liberi s se deplaseze prin structura materialului.

Prin plecarea acestor electroni din banda de valen, locul ocupat iniial de ctre acetia pe nivelul energetic din banda de valen devine liber, altfel spus gol. Acest gol poate fi ocupat de un alt electron de valen, fr un aport energetic substanial. Acest al 2-lea electron de valen, prin ocuparea nivelului energetic lsat liber de primul electron, las la rndul lui un nou loc liber, un nou gol, pe nivelul energetic ocupat n banda de valen. Se constat astfel, o deplasare a golurilor n banda de valen, motiv pentru care i golul este un purttor de sarcin mobil (purttor fictiv). Acest fenomen este prezentat n fig.1.4.

Fig.1.4 Apariia unui electron i a unui gol de conducie n benzile energetice

Acelai fenomen poate fi explicat pe baza structurii reelei cristaline a atomului de siliciu. La temperatura de 0

0K, atomii de siliciu sunt legai prin

legturi covalente la care fiecare dintre acetia particip cu cte 4 electroni de valen. La nivelul reelei cristaline, electronii de valen pot cpta suficient energie astfel nct s rup legturile covalente n care au fost fixai. Prin ruperea legturii covalente, electronii de valen devin liberi (devin electroni de conducie) i las n urm, la nivelul atomului de unde au plecat un gol, caracterizat printr-un un exces de sarcin pozitiv la nivelul atomului respectiv. Din acest motiv, golul respectiv poate fi echivalat, din punct de vedere electric,

cu o sarcin electric pozitiv fictiv. n continuare, dac un alt electron de

Figura 4.


5

valen rupe o legtur covalent, devenind liber, poate ocupa golul lsat de primul electron de valen. Acest fenomen este sugerat n fig.1.5.

Fig.1.5 Reeaua cristalin, apariia unui electron liber i a unui gol

Purttorii mobili de sarcin electric n semiconductoare sunt electronii de conduci e i golurile. Deoarece acetia sunt mobili, se pot deplasa prin structura semiconductorului. n cazul n care deplasarea purttorilor de sarcin este orientat (nu este haotic), fenomen care se poate observa, de exemplu, n cazul n care se aplic asupra semiconductorului un cmp electric, prin structura semiconductorului se observ apariia unor fenomene de conducie electric (fenomene legate de generarea curentului electric).

n consecin, se poate apune c ntr-un semiconductor intrinsec procesul de conducie se realizeaz prin electronii din banda de conducie i prin golurile din banda devalen, ca n fig.1.6; conducia astfel realizat se numeteconducie intrinsec.

Fig.1.6 Conducia n semiconductorii intrinseci

Generarea purttorilor mobili de sarcin. Din cele prezentate mai sus se constat c, ntr-un material semiconductor, purttorii mobili de sarcin (electroni de conducie i goluri) sunt generai prin ruperea legturilor covalente.

n plus, se constat c prin creterea temperaturii, numrul de electroni de valen care capt suficient energie pentru a rupe legturile covalente, crete.


6

n concluzie, prin creterea temperaturii, tot mai multe legturi covalente se rup i astfel sunt generai tot mai muli purttori mobili de sarcin.

Mecanismul de generare a purttorilor mobili de sarcin n semiconductoare pe baza creterii temperaturii se numete generare termic de purttori de sarcin.

Din fenomenele descrise mai sus s-a constatat c, prin ruperea legturilor covalente, electronii de conducie i golurile sunt generai n perechi.

Deoarece electronii de conducie i golurile sunt generai n perechi, concentraiile de purttori mobili de sarcin electric ntr-un semiconductor intrinsec sunt egale. Concentraiile de purttori mobili de sarcin electric ntr-un semiconductor se noteaz astfel:

n = concentraia de electroni de conducie, p = concentraia de goluri. Valoarea comun a acestor concentraii se numete concentraie

intrinsec i se noteaz cu ni. n concluzie, pentru un semiconductor intrinsec este valabil relaia:

in p n (1.1)

Fig.1.7 Variaia cu temperatura a concentraiei intrinseci la Si i Ge

Concentraia intrinsec crete cu creterea temperaturii semiconductorului.

La temperatura camerei, considerat 3000K, ni are valoarea 1,451010

cm-3

pentru

siliciu, respectiv 21013 cm-3, la germaniu. n fig.1.7 se prezint modul n carevariaz cu temperatura T concentraia intrinsec a unui material semiconductor din siliciu sau germaniu.


7

Recombinarea purttorilor de sarcin. n cadrul semiconductoarelor, pe lng mecanismul de generare a purttorilor de sarcin este prezent i mecanismul invers, care duce la dispariia purttorilor de sarcin. Mecanismul respectiv se numete recombinare de purttori de sarcin i este caracterizat prin revenirea electronilor de pe un nivel energetic superior, din banda de

conducie, pe un nivel energetic inferior, n banda de valen. Revenirea n banda de valen a unui electron de conducie duce att la

dispariia unui electron de conducie ct i a unui gol. Deci, mecanismul de recombinare a purttorilor de sarcin duce la

dispariia n perechi a acestora.

1.3 Conducia extrinsec

Fenomenul de dopare const n introducerea n materialul semiconductor intrinsec, prin diverse procedee controlate, a unor atomi diferii fa de cei din Si sau Ge, denumii i atomi de impuritate, n scopul modificrii proprietilor electrice ale materialului semiconductor. Un material semiconductor dopat cu

atomi de impuritate se numete material semiconductor extrinsec. Condiia necesar ca un material semiconductor s fie extrinsec este ca concentraia de atomi de impuritate cu care este dopat materialul semiconductor intrinsec, notat Nimpuriti s fie mult mai mare dect concentraia intrinsec ni:

impuritati iN n (1.2)Materialele semiconductoare extrinseci sunt utilizate pentru realizarea

dispozitivelor semiconductoare: circuite integrate, tranzistoare sau diode.

Atomii de impuritate cu care se dopeaz materialele semiconductoare intrinseci sunt atomi din grupele V, respectiv III, din care cei mai frecvent

utilizai sunt cei prezentai n fig.1.8.

Fig.1.8 Atomii de impuritate cu care se dopeaz materialele semiconductoare

n funcie de atomii de impuritate cu care sunt dopate materialele semiconductoare intrinseci, materialele semiconductoare extrinseci se mpart n dou categorii:

- materiale semiconductoare de tip n;

- materiale semiconductoare de tip p.


8

n concluzie, semiconductorii extrinseci au banda interzis Fermi prin care trece nivelul wF = Ei relativ larg, astfel nct conducia electric este posibil numai prin crearea unor niveluri permise adiionale ce rezult prin doparea cu atomi strini de tip donor Ed, semiconductor de tip n, ca n fig.1.9asau acceptor Ea, semiconductor de tip p, ca n fig.1.9b; n prezent, n tehnic seutilizeaz numai semiconductori extrinseci.

Fig.1.9 Niveluri permise adiionale de tip donor Ed (a) sau acceptor Ea (b)n banda interzis Fermi

Materiale semiconductoare de tip n. Pentru obinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este dopat cu atomi de impuritate

pentavaleni, din grupa a V-a a tabelului periodic al elementelor chimice, care n structura cristalin a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Patru din cei cinci electroni de valen ai atomului de impuritate formeaz 4 legturi covalente cu electronii de valen ai atomilor de siliciu sau germaniu nvecinai, n timp ce al 5-lea electron de valen al atomului de impuritate este slab legat, astfel c la temperatura camerei primete suficient energie pentru a se desprinde de atomul de impuritate, devenind astfel electron liber, sau electron de

conducie, capabil s participe la fenomenele de conducie, aa cum este prezentat i n fig.1.10.

Fig.1.10 Crearea unui electron de conducie


9

d c dw w

Elementele pentavalente formeaz niveluri donoare apropiate de banda de conducie ca n fig.1.11, pentru ca tranziia s se efectueze i la temperaturaambiant; conducia electric se realizeaz n acest caz prin intermediul electronilor ajuni n banda de conducie, iar semiconductorii respectivi sunt numii semiconductori de tip n; impurificarea germaniului i siliciului pentru obinerea semiconductorilor de tip n se face cu fosfor, arseniu sau stibiu.

Pentru aceste elemente se prezint n continuare poziiile nivelelor

donoare n banda interzis Fermi: . Astfel, n germaniu w dweste de: 0,012 eV pentru P, 0,0127 eV pentru As i 0,0096 eV pentru St. Iar n

siliciu dw este de: 0,044 eV pentru P, 0,049 eV pentru As i 0,039 eV pentru

St.

Fig.1.11 Dopare cu elemente donoare; nivelul adiional donor Wd

Se constat c formarea electronului de conducie nu este nsoit de generarea unui gol.

Electronii de conducie obinui n acest mod sunt generai prin doparea materialului cu atomii de impuritate. Pe lng acest procedeu de obinere a electronilor de conducie, acetia mai pot fi generai i prin mecanismul de generare termic (prin creterea temperaturii), dar, n acest caz, generarea unui electron de conducie este nsoit de generarea unui gol.

Din cele prezentate mai sus, se constat c, n cazul materialului semiconductor de tip n, concentraia de electroni de conducie este mult mai mare dect cea de goluri. Din acest motiv, electronii de conducie se numesc purttori de ssarcin majoritari, iar golurile se numesc purttori de ssarcin minoritari.

Deoarece atomul de impuritate cedeaz acest al 5-lea electron de valen, el se numete atom donor. n urma cedrii celui de al 5-lea electron, atomul donor devine ion pozitiv (se reamintete c un atom este neutru din punct de vedere electric; prin cedarea unui electron, atomul respectiv devine ion pozitiv,

iar prin primirea unui electron, atomul respectiv devine ion negativ).

Materiale semiconductoare de tip p. Pentru obinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este impurificat cu atomi trivaleni, (din


10

grupa a III-a a tabelului periodic al elementelor chimice), cum ar fi borul, galiul,

indiul, care, n structura cristalin a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Atomul de impuritate poate participa, prin cei trei electroni de valen ai si, la formarea numai a trei legturi covalente cu electronii de valen ai atomilor de siliciu sau germaniu nvecinai, lsnd electronul de valen al celui de-al 4-lea atom de siliciu nvecinat fr legtur covalent, astfel se creaz un gol la nivelul atomului de impuritate respectiv.

Electronul de valen al celui de-al 4-lea atom de siliciu nvecinat, fig.1.12 (atomul de siliciu din dreapta), poate forma o legtur covalent cu unalt electron de valen al unui alt atom de siliciu nvecinat, care, prin completarea acestei legturi covalente, las la rndul su, n urma sa un gol.

Fig.1.12 Crearea unui gol, purttor fictiv de sarcin electric pozitiv

Elementele trivalente utilizate ca impuriti formeaz niveluri acceptoare situate imediat deasupra benzii de valen ca n fig.1.13, astfel c tranziiile seefectueaz i la temperatura ambiant; deoarece conducia se realizeaz prin golurile din banda de valen, semiconductorii dopai cu elemente acceptoare sunt numii semiconductori de tip p; impurificarea germaniului i siliciului pentru obinerea semiconductorilor de tip p se face cu cu bor, aluminiu, galiu, indiu.

Fig.1.13 Dopare cu elemente acceptoare; nivelul adiional acceptor Wa


11

Pentru aceste elemente se prezint n continuare poziiile nivelelor

acceptoare n banda interzis Fermi: a a vw w w . Astfel, n germaniu

aw este de: 0,0104 eV pentru B, 0,0102 eV pentru Al, 0,0108 eV pentru Ga i

0,0112 eV pentru In. Iar n siliciu aw este de: 0,045 eV pentru B, 0,057 eV

pentru Al, 0,065 eV pentru Ga i 0,16 eV pentru In. Se constat c formarea unui gol nu este nsoit de generarea unui

electron de conducie. Golurile obinute n acest mod sunt generate prin impurificarea

materialului cu atomii de impuritate. Pe lng acest procedeu de obinere a golurilor, acestea mai pot fi generate i mecanismul prin generare termic (prin creterea temperaturii), dar, n acest caz, generarea unui gol nu este nsoit de generarea unui electron de conducie.

Din cele prezentate mai sus, se constat c, n cazul materialului semiconductor de tip p, concentraia de goluri este mult mai mare dect cea a electronilor de conducie. Din acest motiv, golurile se numesc purttori de sarcin majoritari, iar electronii de conducie se numesc purttori de sarcin minoritari.

Deoarece atomul de impuritate primete un electron de valen de la un atom de siliciu nvecinat, el se numete atom acceptor. n urma primirii acestui electron, atomul acceptor devine ion negativ.

Prin doparea unei zone dintr-un cristal semiconductor cu impuriti acceptoare i o alt zon separat de prima printr-o suprafa plan dopat cu impuriti donoare, se obine jonciunea p-n, care st la baza construciei dispozitivelor electronice.

1.4 Concentraia purttorilor mobili de sarcin n materialele semiconductoare extrinseci

n cazul n care un material semiconductor nu este supus nici unei surse de energie extern i nu exist variaii n timp ale mrimilor care l caracterizeaz (de exemplu concentraiile de purttori de sarcin) se spune c acesta lucreaz n regim de echilibru termic.

Concentraiile de purttori de sarcin electric la echilibru termic ntr-un semiconductor se noteaz astfel:

n0 = concentraia de electroni de conducie, p0 = concentraia de goluri.

La echilibru termic, legtura dintre concentraiile de purttori mobili de sarcin dintr-un semiconductor i diagramele energetice se poate exprima prin relaiile:

- concentraia de electroni de conducie la echilibru termic:

0 expF i

i

E En n

k T

(1.3)


12

- concentraia de goluri la echilibru termic:

0 expF i

i

E Ep n

k T

(1.4)

unde:

- EF este nivelul energetic din diagrama benzilor energetice, care se numetenivelul Fermi la echilibrul termic i care are o valoare constant n tot volumulmaterialului;

- Ei este nivelul energetic din diagrama benzilor energetice, care reprezintnivelul Fermi pentru un semiconductor intrinsec, fiind situat la mijlocul benzii

interzise;

- k este constanta lui Boltzmann;

- T este temperatura.

Din relaiile de mai sus, rezult c, ntr-un material extrinsec, legtura dintre concentraiile celor dou tipuri de purttori mobili de sarcin electric este:

2

0 0 ip n n (1.5)

Aceast relaie este adevrat pentru orice tip de semiconductor, cu condiia ca acesta s fie la echilibru termic.

n cazul materialelor semiconductoare omogene, dopate uniform cu impuriti, legtura dintre concentraiile de purttori mobili de sarcin electric i concentraiile de atomi de impuritate se determin din condiia de neutralitate electric a unui material semiconductor, care indic faptul c, ntr-un material semiconductor aflat la echilibru termic, densitatea de sarcin electric din volumul semiconductorului este nul:

0q (1.6)

unde prin q s-a notat densitatea de sarcin electric din volumul materialului semiconductor, aceasta fiind exprimat n [C/cm3].

Cunoaterea valorii densitii de sarcin electric ntr-un material electronic este deosebit de util n analizarea fenomenelor de conducie sau pentru determinarea concentraiei de purttori de sarcin electric din acesta. Prin definiie, densitatea de sarcin electric ntr-un material este egal cu produsul dintre sarcina electric elementar, notat cu +q, respectiv q, n funcie de semnul sarcinii, pozitiv, respectiv negativ i concentraia purttorilor de sarcin electric n volumul materialului considerat, notat generic cu Cq:

q qq C (1.7)

Sarcina electric q se msoar n Coulombi [C] i este egal cu 1,6x10-19

[C], semnul depinznd de tipul sarcinii electrice: negativ pentru electroni, pozitiv pentru goluri.

ntr-un material semiconductor dopat cu atomi de impuritate, exist tipurile de purttori de sarcin, n concentraiile specificate n Tabelul 1.1:


13

Tabelul 1.1semnul

purttorilor de sarcin

purttori mobili purttori imobili

negativi Electroni de

conducie: n0

Ioni acceptori:

NA*

pozitivi Goluri:

p0

Ioni donori:

ND*

Se reamintete c numai purttorii mobili de sarcin electric sunt responsabili pentru fenomenele de conducie din semiconductor, fiind generai prin dopare i generare termic; ionii provin din atomii de impuritate, prin cedarea, respectiv acceptarea electronilor de valen.

Pe baza relaiei (1.7) i a Tabelului 1, rezult c densitatea de sarcinelectric din volumul unui semiconductor dopat cu impuriti donoare i acceptoare este:

* *

0 0q D Aq p q N q n q N (1.8)

Pentru ca relaia (4.8) s fie util n calcule, este necesar cunoaterea valorilor concentraiilor de ioni din materialul semiconductor dopat. Deoarece procesul de dopare al semiconductorului intrinsec este controlat, concentraiile de atomi de impuritate se cunosc, acestea fiind notate ca mai jos:

- ND = concentraia de atomi de impuritate donori (pentavaleni).- NA = concentraia de atomi de impuritate acceptori (trivaleni).

Ambele concentraii se expim n [particule/cm3]. Se poate considera c la temperatura camerei toi atomii de impuritate

cedeaz, respectiv primesc electroni de valen, devenind ioni. Din acest motiv, concentraiile de ioni din materialul semiconductor dopat se pot aproxima ca mai jos:

*

*

D D

A A

N N

N N

(1.9)

Astfel, pe baza relaiilor (1.8) i (1.9), densitatea de purttori de sarcin din volumul unui semiconductor se determin cu relaia de mai jos:

0 0q D Aq p q N q n q N (1.10)

innd cont de condiia de neutralitate electric (4.6), specific materialului semiconductor i valoarea densitii de sarcin electric (4.10), se poate obine relaia de calcul a concentraiilor de purttori mobili de sarcin i concentraiile de atomi de impuritate:

0 0 A Dp n N N (1.11)


14

Astfel, n cazul unui semiconductor dopat cu impuriti, relaiile (1.5) i(1.11) formeaz un sistem cu necunoscutele care reprezint concentraiile depurttori mobili de sarcin din care se pot calcula valorile acestor necunoscute.

Concentraia purttorilor mobili de sarcin n materialele semiconductoare de tip N. Un material semiconductor devine extrinsec dac concentraia de atomi de impuritate este mult mai mare dect cea intrinsec. Pentru un semiconductor extrinsec de tip N, concentraia de atomi de impuritate respect relaiile:

0D i AN n si N (1.12)

Utiliznd sistemul compus din relaiile (1.5) i (1.11), innd cont deconcentraiile de atomi de impuritate i de faptul c ntr-un astfel de material n0>>p0, relaiile de legtur dintre concentraiile de purttori mobili de sarcin i concentraiile de atomi de impuritate sunt:

2

0 0i

D

D

nn N si p

N (1.13)

Concentraia purttorilor mobili de sarcin n materialele semiconductoare de tip P. Pentru un semiconductor extrinsec de tip P,

concentraia de atomi de impuritate respect relaiile:

0A i DN n si N (1.14)

Utiliznd sistemul compus din relaiile (1.5) i (1.11), innd cont deconcentraiile de atomi de impuritate i de faptul c ntr-un astfel de material p0>>n0, relaiile de legtur dintre concentraiile de purttori mobili de sarcin i concentraiile de atomi de impuritate sunt:

2

0 0i

A

A

np N si n

N (1.15)

1.5 Fenomenele de conducie electric din materialele semiconductoare

Chiar i n condiii de echilibru termic, purttorii de sarcin mobili se afl ntr-o continu micare aleatorie (micare brownian) datorit energiei termice, sensul micrii fiind imprevizibil i dictat de ciocnirile frecvente ale purttorului mobil de sarcin cu atomii din structura semiconductorului, aa cum este sugerat i n exemplul din fig.1.14, n care se prezint traiectoria aleatorie a unuipurttor de sarcin n structura unui semiconductor.

n condiii de echilibru, aceast micare termic aleatorie nu d natere la fenomene de conducie. Echilibrul se poate perturba n dou moduri:

- prin aplicarea asupra semiconductorului a unui cmp electric;


15

- prin neuniformizarea distribuiei concentraiei de purttori mobili desarcin electric n volumul semiconductorului.

Fig.1.14 Traiectoria aleatorie a unui purttor de sarcin

n condiii de echilibru, aceast micare termic aleatorie nu d natere la fenomene de conducie. echilibrul se poate perturba n dou moduri: - prin aplicarea asupra semiconductorului a unui cmp electric;- prin neuniformizarea distribuiei concentraiei de purttori mobili de sarcinelectric n volumul semiconductorului.

n ambele cazuri, purttorii mobili de sarcin electric vor suferi o deplasare (micare) orientat, care permite apariia fenomenelor de conducie electric n structura semiconductorului. Fiecare mecanism care duce la perturbarea echilibrului unui semiconductor permite generarea unui curent

electric. Curenii electrici generai prin aplicarea asupra semiconductorului a unui cmp electric se numesc cureni de c mp (sau cureni de drift), iar curenii electrici generai prin neuniformizarea distribuiei concentraiei de purttori mobili de sarcin electric n volumul semiconductorului se numesc cureni de difuzie.

Curenii de camp. Aplicarea unui cmp electric de intensitate E asupra unui semiconductor, face ca purttorii mobili de sarcin electric s se deplaseze orientat, n funcie de sensul cmpului electric aplicat asupra semiconductorului, aa cum se sugereaz n fig.1.15 n care se prezint traiectoria unui electron liber, orientat n sens invers sensului cmpului electric aplicat asupra semiconductorului. Electronii se vor deplasa n sens opus direciei cmpului electric iar golurile pe direcia cmpului electric.

Ca urmare a aplicrii cmpului electric asupra semiconductorului, purttorii mobili de sarcin electric capt o vitez medie pe direcia cmpului electric, acest fenomen purtnd denumirea de drift. Viteza medie a purttorilor mobili de sarcin electric este direct proporional cu intensitatea cmpului electric:

:

:

n n

p p

electroni v E

goluri v E

(1.16)


16

/E V cm

/v cm s

Fig.1.15 Deplasare orientat a purttorilor la aplicarea unui cmp electric

unde: E este intensitatea cmpului electric i se msoar n , vn i vp sunt vitezele

de cmp sau de alunecare n benzi, ale purttorilor de sarcin i se msoar n ,

iar n i p se numesc mobilitatea electronului,

respectiv a golului i se msoar n 2cm

V s

(cm = centimetru, V = volt -

unitatea de msur a tensiunii electrice, s = secund).

Fig.1.16 Mobilitatea purttorilor mobili de sarcin electric

Mobilitile purttorilor mobili de sarcin electric reprezint o msur a lejeritii cu care purttorii mobili de sarcin electric se pot deplasa orientat, n funcie de sensul cmpului electric aplicat, reprezentnd un rezultat al ciocnirilor purttorilor mobili de sarcin electric cu atomii din reeaua cristalin a semiconductorului. Mobilitatea purttorilor mobili de sarcin electric depinde invers proporional de temperatur i de concentraia total de atomi de impuriti din semiconductor, situaie prezentat n fig.1.16, n care s-a


17

considerat un material semiconductor la T=300K, din care se remarc faptul c golurile au o mobilitate inferioar electronilor de conducie.

Deplasarea purttorilor mobili de sarcin electric la aplicarea unui cmp electric asupra unui semiconductor genereaz un curent electric compus dintr-o component datorat deplasrii electronilor de conducie i o component datorat deplasrii golurilor.

Densiti de curent (intensitatea de curent pe suprafaa de arie) ale acestor cureni electrici sunt egale cu produsul dintre densitatea de sarcin electric a purttorilor mobili de sarcin i viteza medie de deplasare a acestoa sub aciunea cmpului elctric aplicat:

qJ v (1.17)

Densitatea de curent se exprim n 2/J A cm , unde A = amper (unitatea de msur a curentului electric).

innd cont de (4.7) i de concentraiile purttorilor mobili de sarcin electric, densitile curenilor de cmp se pot defini astfel:

:

:

Cn n

Cp p

electroni J q n v

goluri J q p v

(1.18)

sau, innd cont de (4.16),

:

:

Cn n

Cp p

electroni J q n E

goluri J q p E

(1.19)

Densitatea totat de curent electric, datorat aplicrii cmpului electric asupra unui semiconductor, reprezint suma densitilor de curent electric a celor dou componente:

C n pJ q n E q p E (1.20)

Pe baza legii lui Ohm se poate defini rezistivitatea semiconductorului,

care se noteaz cu :

,C

Ecm

J (1.21)

i care, pe baza relaiei (4.21), se poate calcula cu relaia:

1

n pq n p

(1.22)

Se definete conductivitatea materialului semiconductor ca inversul rezistivitii:

11

, cm

(1.23)


18

Pe baza relaiei (1.22) i a relaiilor de calcul pentru concentraiile purttorilor mobili de sarcin electric, rezistivitatea materialelor semiconductoare extrinseci se poate calcula cu formulele:

1_ _ ,

1_ _ ,

n

D n

p

A p

material semiconductor Nq N

material semiconductor Pq N

(1.24)

Din relaiile (1.24) se observ c rezistivitatea unui material semiconductor depinde invers proporional cu nivelul de dopare cu impuriti al semiconductorului, iar n fig.1.17 se exemplific aceast observaie.

Fig.1.17 Variaia rezistivitaii semiconductorului n funcie de dopare

Curenii de difuzie. n cazul n care exist concentraii neuniforme de purttori mobili de sarcin electric n volumul unui semiconductor, acetia au tendina de a se deplasa din regiunea n care sunt n concentraie mare spre regiunea n care sunt n concentraie mic, pentru uniformizare. Acest fenomen se numete difuzia purttorilor mobili de sarcin electric. n fig.1.18, se sugereaz difuzia electronilor de conducie din regiunea n care sunt n concentraie mare spre regiunea n care sunt n concentraie mic.

Fig.1.18 Difuzia electronilor de conducie n funcie de concentraie


19

Ca urmare a deplasrii purttorilor mobili de sarcin electric n volumul unui semiconductor, iau natere cureni electrici. Curenii electrici generai prin difuzia purttorilor de sarcin se numesc cureni de difuzie i au dou componente, una de electroni i una de goluri, pentru fiecare fiind definit cte o densitate de curent conform relaiilor de mai jos

:

:

Dn n

Dp p

electroni J q D n

goluri J q D p

(1.25)

Ca atare, fluxul J de particule de impuritate care trece n unitatea de timp prin unitatea de suprafa este proporional cu gradientul de concentraie (prima lege a lui Fick dedus pentru difuzia gazelor n medii izotrope) i unde coeficienii notai cu D se numesc coeficieni de difuzie pentru electroni,

respectiv pentru goluri i se exprim n 2 /D cm s , reprezentnd o msur alejeritii difuziei purttorilor mobili de sarcin electric, iar reprezint gradientul acestora; pentru concentraii care variaz dup o singur direcie x, se

poate considera c: /d dx . Coeficienii de difuzie D ai impuritilor n corpul (mediul) considerat

depind de tipul atomilor ce difuzeaz, de natura materialului n care difuzez, precum i de temperatura la care are loc procesul de difuzie.

ntre coeficienii de difuzie D i mobilitaile purttorilor mobili de sarcin electric exist urmtoarea relaie de legtur:

pn

n p

DD k T

q

(1.26)

unde k, T, q au semnificaiile deja introduse. Coeficientul de difuzie a purttorilor depinde de drumul liber mediu sau

mijlociu al acestora, ca i mobilitatea. De asemenea, se precizeaz c purttorii particip la procesele de transport pe durata numit timp de via mediu, timp n care respectivii purttori parcurg prin difuzie n semiconductor o distan L numit lungime de difuzie.

ntre parametrii L, i D exist relaiile:

n n nL D , pentru electroni (1.27)

i

p p pL D , pentru goluri. (1.28)

1.6 Ecuaiile curenilor n semiconductoare

Pentru un semiconductor, se definete ca densitate total de curent J suma dintre densitatea curenilor de cmp i densitatea curenilor de difuzie, generai de deplasarea electronilor i densitatea curenilor de cmp i densitatea curenilor de difuzie generai de deplasarea golurilor:


20

Cn Dn Cp Dp n pJ J J J J J J (1.29)

Densitatea de curent total are o component de cmp i o component de difuzie, ambele componente incluznd cte o component de electroni i una de goluri:

_ _ :

_ _ :

n n n

p p p

componeta de electroni J q n E q D n

componenta de goluri J q p E q D p

(1.30)

1.7 Dependena de frecven a conductivitii electrice a materialelor semiconductoare

Un material semiconductor se comport n cmp electric ca un material dielectric cu pierderi prin conducie relativ ridicate, ntruct limita inferioar a conductivitii materialului semiconductor este egal cu limita superioar a conductivitii unui material dielectric: =10-8[S/m]. n materialul semiconductor, deoarece pierderile prin conducie sunt preponderente, cele prin polarizare se pot neglija.

Schema echivalent a unui condensator cu material semiconductor ntre armturi este identic cu cea a condenstorului cu polarizare de deplasare i pierderi prin conducie, i reprodus n fig.1.19a.

Fig.1.19 Schemele echivalente ale unui condensator cu semiconductor (a) i cea corespunztoare unitii de volum a materialului semiconductor (b);

Dependenele de frecven a componentelor conductivitii complexe (c, d)

Admitana condensatorului cu material semiconductor, avnd suprafaa S, a armturilor i distana d ntre ele, conform schemei echivalente, are expresia:

0

1r

p

Y j Cr

, (1.31)


21

unde: p

dr

S este rezistena de pierderi prin conducie, iar 00

SC

d

este

capacitatea condensatorului cu aceleai dimensiuni, dar avnd aer ntre armturi. Considernd mrimile cu variaie sinusoidal n timp, reprezentate n

complex simplificat, pentru o tensiune expU U j t , aplicat armturilor,se stabilete un curent: I Y U i un cmp /E U d ntre armturi.

Relaia (4.31) obine forma:

0/ / rS S

Y I U JS Ed jd d

, (1.32)

unde: J , este densitatea de curent, iar conductivitatea s-a considerat mrime complex, ntruct n regim nestaionar, datorit anizotropiei materialului sau a

frecvenelor ridicate, liniile densitii de curent J E i ale curentului

I J S sunt diferite de liniile cmpului electric E . Relaia (1.32), corespunztoare unitii de volum a materialului

semiconductor, are expresia n complex simplificat:

0 rJ j E (1.33) Densitatea de curent /J I S este curentul electric care strbate unitatea

de suprafa a semiconductorului, iar intensitatea cmpului electric: /E U d , este tensiunea electric distribuit pe unitatea distanei dintre armturi sau a grosimii semiconductorului. Termenul al doilea al relaiei (4.33), s-a introdus pentru a caracteriza comportarea dielectric a materialului semiconductor, iar primul termen este asociat proprietii de conducie a materialului semiconductor.

Comportarea semiconductorului n regim nestaionar poate fi descris prin aceleai expresii ca i n regim staionar, constanta de timp de relaxare fiind ns o mrime complex:

0

01 j

, (1.34)

unde: 0 reprezint constanta de timp de relaxare pentru regimul staionar.Expresia conductivitii complexe este similar expresiei (4.34):

20

1n p

n p

n pe

j m m

, (1.35)

unde: 0 este conductivitatea n regim staionar.Cu relaia (1.35), relaia (1.33) obine forma:


22

00 0

0 0

1

11r rJ j E j Ej j

(4.36)

Schema echivalent corespunztoare unitii de volum a materialului semiconductor este reprezentat, conform relaiei (1.36), n fig.1.19b i este

compus din rezistena unitar 01/ur , capacitatea unitar 0u rC i

inductivitatea unitar: 0/uL . Schema echivalent pune n eviden apariia rezonaei la frecvena:

0

0

0

0

1 1 1

222

rru u

r

fL C

, (1.37)

care are valori n domeniul microundelor. Relaia (4.35) poate fi scris sub forma:

00 0 02 2 2

1

1 1 ( ) 1 ( ) 1 ( )

jj

j

(1.38)

Utiliznd relaiile (4.33) i (4.38), din relaia:

' ''j (1.39) rezult prin identificare expresiile componentelor conductivitii complexe a materialului semiconductor n funcie de frecvena cmpului electric aplicat:

0

2'

1

, (1.40)

0

0 2''

1r

(1.41)

Dependenele de frecven, la temperatura mediului ambiant, ale

componentelor conductivitii (partea real) i (partea imaginar) normate sunt reprezentate n fig.4.19c,d. Interaciunile purttorilor de sarcin cu impuritile ionizate i cu fononii sunt predominante.

1.8 Factorii care influeneaz proprietile semiconductoare

Influena impuritilor. Creterea gradului de impurificare prin dopare sau accidental (impuriti necontrolate) determin creterea conductivitii semiconductorilor. Impurificarea necontrolat afecteaz negativ caracteristicile funcionale ale semiconductorului respectiv i de aceea trebuie evitat n procesul de fabricare.


23

Influena temperaturii. Odat cu creterea agitaiei termice a particulelor, crete numrul electronilor din banda de conducie i al golurilor din banda de valen, i deci crete conductivitatea total a semiconductorului; spre deosebire de metale, n domeniul temperaturilor uzuale rezistivitatea semiconductorilor scade pe msur ce temperatura crete, fig.1.20.

Fig.1.21 Efectul Hall n semiconductori Fig.1.20 Infleuna temperaturii asupra conduciei semiconductorilor i metalelor

Influena cmpului electric. Probabilitatea de tranziie a electronilor de pe nivelurile donoare (sau din banda de valen) crete odat cu creterea intensitii cmpului electric, ceea ce conduce la creterea conductivitii electrice. n cazul cmpurilor electrice foarte intense, poate avea loc trecerea n avalan a electronilor n banda de conducie, adic strpungerea semiconductorului care devine inutilizabil datorit efectului distructiv al strpungerii. Anumii semiconductori prezint fenomenul de luminiscen sub aciunea cmpului electric datorit unor tranziii cu efect radiativ n domeniul spectrului vizibil.

Influena cmpului magnetic. Aciunea cmpurilor magnetice exterioare se manifest prin efectul Hall i efectul magnetostrictiv. Efectul Hall const n apariia unei tensiuni electrice UH ntre feele laterale ale unei plci semiconductoare de grosime d parcurs de curentul I i situat ntr-un cmp magnetic de inducie B, perpendicular pe plac, fig.1.21, Tensiunea UH are valoarea:

HH

R BIU

d , (1.42)

unde RH este constanta Hall a semiconductorului respectiv; generatoarele Hall construite pe baza acestui efect au aplicaii n msurarea cmpului magnetic, a intensitii curentului electric etc. Efectul magnetostrictiv n general const n modificarea dimensiunilor unui corp sub aciunea unui cmp magnetic; efectul magnetostrictiv la semiconductoare este mai redus dect n cazul unor metale.


24

Influena radiaiilor. Lumina sau a alte radiaii acioneaz asupra semiconductorilor prin creterea energiei purttorilor de sarcin, ceea ce poate avea urmtoarele efecte: - efect fotoelectric manifestat prin smulgerea unor electroni din suprafaamaterialului (fotocatozi);

- efect fotoconductiv manifestat prin creterea conductivitii electrice;- efect fotovoltaic manifestat prin apariia unei tensiuni electromotoare lajonciunea p-n dintre dou semiconductoare;- luminiscen ce se manifest ndeosebi la aciunea radiaiilor cu energiimai mari (ultraviolete sau Rentgen).

Influena solicitrilor mecanice. Solicitrile mecanice produc modificarea distanelor interatomice n reeaua cristalin, ceea ce are ca efect modificarea rezistivitii corpurilor.

Fig.1.22 Fenomenul piezoelectric n cristale

n cazul unor cristale semiconductoare prin deformarea reelei cristaline corpul se polarizeaz electric i produce o tensiune electromotoare, efect numit piezoelectricitate. Pentru exemplificare n fig.1.22 se prezint cazul unei reele cristaline n care n absena solicitrilor mecanice ionii formeaz triplete ABC simetrice, cu moment electric nul; prin solicitarea cu fore F, reeaua se deformeaz, se modific ungiurile legturilor i suma momentelor electrice nu mai este nul, adic se produce polarizarea electric. Efectul piezoelectric este utilizat la construirea traductoarelor mecano-electrice i a generatoarelor de ultrasunete.

Din analiza factorilor care influeneaz proprietile semiconductoare se deduc cu uurin i funciile materialelor semiconductoare:

- funcia de conducie comandat n tensiune;- funcia de conversie opto-electronic;- funcia de detecie a radiaiilor nucleare;- funcia de conversie electro-optic;- funcia de conversie termo-electric;- funcia de conversie magneto-electric;- funcia de conversie mecano-electric.


25

1.9 Tehnologia materialelor semiconductoare

Realizarea dispozitivelor semiconductoare i a circuitelor integrate comport mai multe etape tehnologice:

- obinerea unui material semiconductor policristalin cu puritatea necesar pornind de la compui chimici ai acestuia;

- realizarea unor lingouri monocristaline (de form cilindric cu diametre de ordinul a 100-200 mm) dopate uniform, avnd puritate nalt;

- tierea lingourilor n plachete (wafer) cu grosimi de ordinul a 300 m, i marcarea acestora ( pentru a putea distinge tipul de conductivitate, doparea);

- prelucrarea plachetelor prin metode litografice combinate cu procedee de impurificare selectiv i controlat (pentru a obine jonciuni n diferite zone ale plachetei) pentru a obine simultan mai multe dispozitive (sau circuite integrate) pe o aceeai plachet;

- tierea plachetelor n "structuri" componente dup ce acestea au fost testate funcional i marcate cele defecte;

- ncapsularea structurilor i marcarea acestora.n fig.1.23 sunt exemplificate simplificat etapele principale n tehnologia

siliciului pornind de la lingoul monocristalin, realizarea structurilor i ncapsularea acestora.

Fig.1.23 Etape tehnologice parcurse pentru obinerea circuitelor integrate

Obinerea unui material semiconductor plecnd de la compui ai acestuia, implic:

- obinerea pe cale chimic a materialului semiconductor de puritate metalurgic (de exemplu pentru Si, MGS metalurgical grade silicon) din compui naturali;

- purificarea chimic prin care se obine materialul de puritate tehnic;- purificarea fizic prin care se ajunge la puritatea necesar (EGS

electronic grade silicon, consumul mondial de EGS este n prezent de cca 5000 tone/an);

- obinerea materialului sub form de monocristal cu o densitate redus adefectelor de structur.


26

1.9.1 Metoda cristalizrii directe (procesul de solidificare normal)

n aceast metoda tot materialul este topit iniial i apoi rcit gradat, unidirecional; n fig.1.24 este prezentat un lingou orizontal "strbtut" de la stnga la dreapta de un front de solidificare, FS.

Se presupune c: difuzia impuritilor din lichid n solid este neglijabil; coeficientul de segregaie este constant; modificrile de densitate n cursul solidificrii sunt nesemnificative.

Fig.1.24 Determinarea concentraiei de impuriti n lingoul semiconductor n urma cristalizrii directe

1.9.2 Metoda tragerii din topitur (Czochralsky-CZ)

Metoda CZ este practic una din cele mai utilizate metode de obinere a monocristalelor. Procedeul a fost folosit prima dat n 1918 i a fost permanent perfecionat. Procesul de tragere CZ este artat schematic n fig.1.25. Instalaia de tragere este format, n principal din trei componente principale: - cuptorul care include un creuzet aezat pe un susceptor din grafit, un mecanismde rotaie, un element de nczire i o surs de alimentare;- mecanismul de tragere care include o mandrin pentru germene (smn), osurs de gaz (cum ar fi de exemplu argonul);- procesul este controlat n ntregime de un sistem electronic cu microprocesorcare menine parametrii de lucru (cum ar fi temperatura, diametrul lingoului tras,


27

vitezele de rotaie ale mandrinei i creuzetului etc.) n limite optime pentru calitatea cristalului.

Fig.1.25 Instalaie de tragere din topitur; Metoda Czochralsky

Iniial, policristalul este topit n creuzet (4) cu ajutorul bobinelor de radiofrecven (5). Instalaia este plasat ntr-o "camer de cretere" (nefigurat) n care presiunea este sczut (pint ~ 10-5Torr) sau este umplut cu gaz inert (argon) sau hidrogen.

n mandrin portgermene (1) se fixeaz un monocristal (germene) cu o anumit orientare. Acesta este cobort (odat cu mandrina) pn cnd germenele atinge topitura. Din acest moment mandrina este tras cu vitez constant. Pe timpul tragerii, mandrina se rotete simultan cu creuzetul dar n sensuri i cu turaii diferite n scopul uniformizrii temperaturii la interfaa solid lichid (3). Cristalul cilindric obinut prin tragere "copiaz" modul de aranjare al atomilor germenului, diametrul acestuia depinznd de parametrii procesului. Un termocuplu (6) ataat la creuzet permite micorarea puterii de nclzire pe msura tragerii (deoarece scade cantitatea de material topit i temperatura la interfa trebuie s rmn constant).

Metodele recente utilizeaz un control automat riguros al diametrului, reglnd dinamic cu precizie parametrii procesului. Pentru Si (unul dintre cele mai utilizate materiale semiconductoare) apar probleme datorit reactivitii ridicate a acestui material n stare topit, existnd posibilitatea de a se contamina prin reacie cu creuzetul (din silice).


276

Astfel pot apare concentraii relativ importante de oxigen (n principal) care produc microdefecte de structur pe durata creterii i a tratamentelor ulterioare; n plus exist pericolul contaminrii cu carbon (de la susceptorul de grafit al creuzetului i de la elementele de nclzire).

n cazul compuilor intermetalici unul din componeni poate fi mai volatil i astfel, nepstrndu-se proporia ntre atomii din topitur cristalul va avea defecte de structur. Pentru a evita aceste neajunsuri se folosesc variante modificate ale procesului de tragere.

1.9.3 Metoda tragerii Czochralsky pentru materiale semiconductoare compuse

n principiu, pentru ca metoda CZ s aib rezultate bune, materialul trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii: - punct de topire convenabil;

- conductivitate termic ridicat;- vscozitate sczut;- presiune de vapori sczut; lipsa tranziiilor de faz ntre temperatura de topirei temperatura ambiant.

Materialele semiconductoare elementare la temperatura de topire prezint presiuni sczute de vapori. Dimpotriv, materialele compuse conin constituieni care se pot evapora cu uurin din topitur dac nu sunt luate precauii speciale. Din acest motiv s-au dezvoltat tehnici speciale de cretere (LEC - liquid encapsulated CZ, tragere magnetic CZ, reactor Bridgman orizontal etc). Toate aceste metode impun o cretere ntr-un sistem nchis.

n fig.1.26 sunt prezentate trei variante ale metodei CZ. Prima metod folosete un tub nchis (folosit iniial pentru GaAs i InAs i dezvoltat ulterior i pentru ali compui). Cu ajutorul unui magnet exterior reactorului i a unei piese polare interioare este tras mandrina portgermene.

Fig.1.26 Variante ale metodei de tragere pentru compui semiconductori binari


29

n cazul GaAs, stoechiometric, As reprezint componenta volatil. Este necesar a aduga n topitur o cantitate suplimentar bine determinat de As care evaporndu-se creeaz la temperatura de lucru o presiune parial a As n reactor la nivelul presiunii maxime care oprete (din momentul stabilirii) evaporarea As, meninndu-se echilibrul ntre cei doi componeni ai materialului. Complicaiile legate de tubul nchis sunt rezolvate de varianta tubului seminchis n care semireactorul superior este etanat prin topitur materialului ce reprezint componenta volatil. Principiul este asemntor.

n cazul n care presiunea de vapori este prea mare (de exemplu pentru GaP presiunea necesar a P este n jur de 35 atm) primele dou metode sunt nlocuite de o a treia: LEC. n aceast variant componenta volatil este mpiedicat s se evapore (pstrnd astfel proporia celor dou componente) printr-un lichid "ncapsulat" n prezena unei presiuni importante (30) de gaz neutru n reactor. Metoda este larg folosit pentru materiale A III-B V.

Procesul este monitorizat cu un sistem de televiziune iar cristalul care

crete este controlat cu raze X (inclusiv diametrul lingoului).

1.9.4 Metoda zonei flotante

Cu toate c metoda CZ este versatil (materiale semiconductoare, conductoare, organice, disociabile i chiar refractare) i conduce la cristale de calitate, pentru a evita contaminarea topiturii datorit creuzetului au fost dezvoltate (n particular pentru siliciu) tehnici fr creuzet.

Metoda zonei flotante este o alternativ a tragerii Czochralski. Instalaia este prezentat schematic n fig.1.27.

Procesul este iniiat prin topirea zonei inferioare a barei monocristaline cu ajutorul bobinelor de radiofrecven.

Zona topit (meninut prin tensiuni superficiale) este adus n contact cu gemenele monocristalin (orientat ntr-un anumit fel), dup care bobinele de nclzire ncep s urce cu vitez constant.

Cele dou zone solide ale lingoului se rotesc n sensuri diferite uniformiznd topitura.

Atmosfera "protectoare" n care se desfoar procesul este important deoarece aceasta este o cale de impurificare necontrolat. Se prefer folosirea unor gaze (H2, inerte) n locul vidului pentru a evita condensarea siliciului evaporat din topitur pe pereii reactorului.

Metoda FZ poate fi folosit i pentru purificarea fizic prin topire zonar sau pentru doparea uniform a lingoului monocristalin (dac procesul se desfoar n atmosfera unui gaz purttor cu impuriti introduse controlat).

n general puritatea materialului semiconductor (nedopat) obinut prin FZ este superioar celei obinute prin metode de tragere CZ (n urma creia sunt posibile impurificri necontrolate semnificative ca de exemplu oxigen, carbon, bor sau alte materiale metalice n cazul siliciului). Din acest motiv pentru


30

aplicaii care implic rezistiviti mari FZ devine preferabil, putnd fi obinute pentru siliciu rezistiviti n domeniul 10-200 ... 30.000 .cm.

Fig.1.27 Instalaie de tragere vertical folosit n metoda zonei flotante

Metoda FZ este n general mai scump dect CZ i nu poate realiza cu aceeai uurin lingouri de diametre mari (150 - 200 mm) ca n cazul CZ. De asemenea de-a lungul lingoului FZ pot apare variaii de rezistivitate mai mari dect n cristalele CZ. Acestea pot fi n general eliminate prin "NTD" (neution transmutation doping). Prin aceast metod, cristalele FZ de mare rezistivitate sunt plasate ntr-un reactor nuclear i expuse unui flux de neutroni termici.

Prin controlul fluxului apare n lingou o dopare uniform cu P la nivelul necesar. Materialul FZ NTD este apoi tratat termic pentru restabilirea reelei cristaline alterat prin bombardamentul neutronic.

Pentru materialele semiconductoare cu rezistivitate redus metoda este neatractiv datorit costului i performanelor mai modeste.

1.9.5 Metoda de cretere prin depunere chimic din faza de vapori (CVD)

CVD este o metod puternic n tehnologia actual. Ea permite: - realizarea unor straturi epitaxiale la temperaturi (ce) inferioare temperaturiide topire (t);- controlul relativ simplu al grosimii stratului epitaxial i a doprii (uniforme) aacestuia;


31

- perfeciune cristalin ridicat a stratului (mai ales n varianta homoepitaxial);- folosirea unor presiuni "rezonabile" n reactor (0.1-3 atm) evitnd dificultiletehnologice pentru producerea unui vid naintat;- creterea unor straturi compuse (muli component).

Exist sigur i unele dezavantaje legate de: - complexitatea fazei de vapori; urme ale gazului purttor n stratul depus;- reacii chimice nedorite; interdifuzii strat - substrat; autodopare;- echipamentul CVD se poate realiza n diferite variante de reactoare: verticale,orizontale, Barrel, Pancake, etc. n funcie de tipul epitaxiei i productivitateanecesar.

n general, trebuie asigurate: - nclzirea uniform a plachetelor;- rcirea pereilor reactorului cu aer sau ap de rcire.

Fig.1.28 Reactor pentru cretere epitaxial a straturilor dopate de siliciu

Doparea poate fi realizat nglobnd n gazul purttor specii dopante (fig.1.28) cum ar fi diboran B2H6 (gaz), pentru B n siliciu sau fosfin (PH3), arsin (AsH3) pentru dopani de tip n cum ar fi fosfor respectiv arseniu.

1.9.6 Metoda MOVPE pentru InGaAsP

Aceast metod folosete compui metal organici pentru epitaxie din faza de vapori. Aceti compui, fierb la temperaturi joase i au presiuni de vapori extrem de sczute. Schia instalaiei este prezentat n fig.1.29. Pe un suport de grafit la o temperatur n domeniul 550-7000oC sunt dispuse plachetele din InP n reactorul de epitaxie. Pentru Ga i In sunt folosii doi compui metalorganici (MO) prin care trece gazul purttor (H2 sau He). Compuii MO utilizai sunt TMIn i TMGa.


32

Viteza de cretere poate fi cuprins ntre 1 i 10 micrometru/or, mult mai mic dect vitezele obinuite, depinznd de viteza gazului, presiunea din reactor i presiunea de vapori a compusului MO. Aceast valoare redus permite controlul riguros al grosimii straturilor.

Metoda MOVPE a fost folosit cu succes pentru realizarea structurii cristaline a LED-urilor cu emisie n albastru.

Fig.1.29 MOVPE pentru realizarea uniu compus semiconductor ternar InGaAsP

1.9.7 Metoda de dopare selectiv i controlat a materialelor semiconductoare

Cea mai folosit metod este difuzia. Difuzia este un proces prin care o specie atomic neuniform distribuit ntr-un anumit spaiu, se deplaseaz pentru a realiza o distribuie uniform n acel spaiu.

Procesul de difuziune are dou etape importante: - predifuzia (difuzia din sursa finit de impuriti), prin care se introducesuperficial, n placheta semiconductoare o cantitate bine determinat de atomi deimpuritate;

- difuzia propriu-zis (difuzia n surs constant) care realizeaz o redistribuireconvenabil a impuritilor predifuzate.

Predifuzia se desfoar ntr-un reactor n care, ntr-un gaz purttor se introduc (din surs solid, lichid sau prin reacie chimic de suprafa)atomi de impuritate a cror presiune parial (n gaz) depete o valoare ce ar corespunde solubilitii maxime a impuritii n materialul semiconductor la temperatura de lucru.

Difuzia propriu-zis urmeaz predifuziei (sau unei operaii de implantare ionic prin care, superficial, a fost introdus o anumit cantitate de dopant).

Difuzia propriu-zis se desfoar n atmosfer oxidant i lipsit de impuriti ntr-un reactor de difuziune. Oxidul ce se formeaz mpiedic alte impuriti s intre n plachet i le pstreaz pe cele deja introduse.


33

1.9.8 Echipamentul de implantare ionic

Implantarea ionic este un proces prin care ionii dopani sunt introdui direct ntr-un substrat (prin bombardament ionic) dup ce n prealabil au fost accelerai, cptnd energii ntre 10-200 KeV10.

Tehnologia de implantare trebuie s permit: - introducerea unei cantiti exacte (specifice de impuriti);- speciei dopante s ajung n locurile i la adncimea necesar n substrat;- activarea electronic a ionilor implantai;- modificarea minim a structurii cristaline a substratului n timpul procesuluide implementare.

Echipamentul de implantare (implantoarele), sunt practic cele mai

complexe sisteme folosite n fabricarea circuitelor integrate pe scar larg, VLSI (fig.4.10).

Fig.1.30 Reprezentare schematic a unui echipament de implantare ionic

Ele conin mai multe sisteme: - sursa de alimentare cu dopant care conine speciile ce vor fi implantate; ceimai comuni ioni folosii pentru implantare n siliciu sunt B, P i As; surselepreferate sunt gazoase, astfel nct se folosesc compui ai acestor dopani; ovalv reglabil permite alimentarea cu un astfel de gaz a sursei de ioni;- sursa de ioni cu sursa proprie de alimentare i pomp de vid ce permiteionizarea gazului furnizor de ioni dopani producnd plasm cu presiune redus10

-3 Torr; n surs ionii sunt formai fie prin ciocnire cu electronii produi

printr-o descrcare n arc fie produs prin emisia termic a unui catod fierbinte(de tip Freeman n implantoare de curent mediu);- extractor de ioni i dispozitiv de analiz prin care sunt selectai anumii ionin funcie de masa lor.