фоэ. Электроника 3. Вариант 3 Задачи 3

• Название: Вариант 3 Задачи 3
• Дата: 07.04.2022
• Размер: 439.35 Kb.
• Имя файла: Электроника 3.docx
• Тип: Документы; #451506
• страница: 5 из 5

Задачи 81. Опишите методы получения слитков германия и стадии обработки материала для получения заготовок для твердотельной электроники. В каких приборах применяется данный материал? Почему удельное сопротивление зависит от типа носителей и их концентрации?

Для чего используется диффузия примесей в германий? Что такое коэффициент диффузии и чему он равен при Т = 800 ^оС?

Исходным сырьём для получения кремния является природная двуокись (кремнезем), из которого кремний восстанавливают углеродсодержащим материалом в электрических печах. Технический кремний представляет собой мелкокристаллический спек, содержащий около 1% примесей. Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции: 1) превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; 2) очистка соединения физическими и химическими методами; 3) восстановление соединения с выделением чистого кремния; 4) окончательная кристаллизационная очистка и выращивание монокристаллов. В полупроводниковом производстве наибольшее распространение получил метод водородного восстановления трихлорсилана SiHCl3.

Трихлорсилан представляет собой жидкость с температурой кипения. Поэтому он легко очищается методами экстракции, адсорбции и ректификации.

Эти стержни нагреваются при пропускании по ним электрического тока до температуры. Осаждение выделяющегося кремния на затравках позволяет получать чистые поликристаллические стержни необходимого диаметра. Кремний кристаллизуется в структуре алмаза с несколько меньшим, чем у германия, периодом идентичности кристаллической решетки. Меньше, чем у германия, расстояния между атомами в решетке обуславливают более сильную ковалентную химическую связь и, как следствие этого, более широкую запрещенную зону.

В планарной технологии кремниевых приборов одним из основных методов легирования полупроводниковых пластин и создания p-n-переходов является диффузия электрически активных примесей.

Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.

На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы:

Линейный резистор - удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах.

Варистор - сопротивление зависит от приложенного напряжения.

Терморезистор - сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает).

Фоторезистор - сопротивление зависит от освещенности (излучения)

Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности, как следует из простейшей модели Друде. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии. Количество термически возбуждённых носителей зависит от ширины запрещённой зоны, поэтому количество носителей тока в собственных полупроводниках мало по сравнению с легированными полупроводниками и сопротивление их значительно выше.

Рабочий диапазон германиевых приборов, фотодиодов и фототранзисторов от –60 до + 70⁰С. Кремнивые приборы благодаря большей, чем у германия ширине запрещенной зоны, могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний предел рабочей температуры достигает у кремниевых приборов 180–200^оС. Кремний является пока единственным материалом для изготовления БИС и микропроцессоров.

Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре составляет 10^-6–10⁹ Ом×м, занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают совокупностью физических свойств, которые выделяют их среди других материалов.

В отличие от проводников электропроводность полупроводников увеличивается с ростом температуры. Для полупроводников характерна зависимость значения удельной проводимости от вида и количества содержащихся в них примесей. Например, при введении в чистый кремний 0,001 % фосфора его удельная проводимость увеличивается в 10⁵ раз.



Зависимость удельной проводимости от температуры для металлов (а) и полупроводников (б)

Свойства полупроводниковых материалов сильно зависят от внешних факторов – электрического и магнитного полей, электромагнитного и ядерного излучений и др.

По химическому составу полупроводниковые материалы делят на простые вещества (атомные, элементарные полупроводники – германий, кремний, теллур и др.) и химические соединения различных типов. Если входящие в состав соединений вещества обозначить как А и В, то основные типы бинарных соединений представляют следующим образом: A^IIB^VI(Cu₂O, CuS и др.), A^IIIB^V(GaAs, GaP, InP и др.), A^IVB^IV(SiC и др.). Полупроводниковые свойства присущи тройным соединениям CuAlS₂, CuSbS₂, CuFeS₂, ZnSiAs₂, PbBiSe₂ и твердым растворам GeSi, GaAs_1-xP_x, In_xAl_1-xSb и др. К твердым органическим полупроводникам относятся фталоцианин, антрацен, нафталин и др.

Основным типом химической связи между атомами в элементарных полупроводниках является ковалентная, в химических соединениях – смешанная ионно-ковалентная. Наиболее распространенными типами кристаллической структуры являются структура типа алмаза (ГЦК с базисом) для простых веществ; сфалерита и вюрцита – для химических соединений. По структуре полупроводниковые материалы могут быть монокристаллическими, поликристаллическими и неупорядоченными (стеклообразными).

Уникальные свойства полупроводниковых материалов обусловили широкое техническое применение их для изготовления самых различных приборов – полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, а также датчиков давлений, магнитных полей, температур, излучений и др. Использование полупроводников вызвало коренные преобразования в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Полупроводниковая электроника открыла новые пути микроминиатюризации различного электронного оборудования.

Для получения германия со свойствами, необходимыми для применения Б электронике, в дальнейшем его подвергают различным видам обработки. В некоторых случаях германий прессуют или нагревают с последующей закалкой. Однако одним из самых лучших методов является легирование германия незначительными количествами соответствующих металлов. Некоторые из пригодных для этой цели сплавов были запатентованы. Обычно легирование производят в атмосфере инертного газа или в вакууме. Разработан целый ряд остроумных методов введения в германий ничтожно малых количеств других металлов. Один из таких методов — диффузия D германий соответствующего металла, другой метод — электрохимическое травление.

Условия, при которых происходит массивное превращение, должны обеспечивать относительно высокую скорость (Угр) перехода атомов через межфазную границу, но препятствовать диффузии растворенных атомов на дальние расстояния, вследствие чего происходит избирательный рост кристаллов, т. е. Утр > Уд. Переохлаждения, при которых может происходить массивное превращение, должны быть промежуточными — большими, чем для нормального превращения, но меньшими, чем при мартенситном. Массивные превращения, по-видимому, имеют место и при образовании мартенсита и являются ответственными за усложнение образующихся при этом структур. Массивные превращения обнаружены в бинарных сплавах меди с алюминием, цинком, галлием сплавах серебра с кадмием, алюминием сплавах железа с никелем, медью, углеродом и некоторых тройных сплавах, например медь — цинк — галлий и медь — цинк — германий.

Присутствие в латунях электроположительных элементов (германия, серебра, золота) уменьшает долю такого разрушения, так как атомы этих элементов выступают в качестве стопоров , которые тормозят поверхностную диффузию атомов меди и тем.

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

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

Задачи 91. Опишите свойства, технологию получения и обработки, области применения материалов: Типа A^IIB^VI.

До настоящего времени широко распространено мнение, что выращивание крупных монокристаллов (весом в десятки или сотни граммов) из паровой фазы не может иметь практического использования ввиду малых скоростей роста, присущих этому методу. Поэтому процессы роста из паровой фазы считаются применимыми лишь для выращивания эпитаксиальных пленок и в отдельных случаях для получения, например, небольших пластинчатых монокристаллов самых различных веществ. Высокопроизводительные методы выращивания монокристаллов из расплавов, как правило, не могут обеспечить необходимой высокой однородности свойств при получении диссоциирующих соединений с высокими температурами плавления (главным образом из-за трудности поддержания неизменного состояния равновесия между расплавом и паровой фазой), а также твердых растворов двух полупроводников (из-за оттеснения одного из компонентов). Поэтому для получения монокристаллов таких материалов (например, соединений AIIBVI — CdS, ZnS) все более широко используют различные методы выращивания из паровой фазы.

Метод выращивания из паровой фазы автоматически устраняет все причины неоднородности кристаллов. Процессы выращивания монокристаллов из паровой фазы являются не менее чувствительными к колебаниям внешних условий и состава питающей фазы, чем методы выращивания из расплавов. Но влияние этих колебаний значительно сглаживается благодаря малым скоростям роста, которые способствуют приближению к равновесию между наращиваемыми слоями кристалла и паровой фазой. Все методы выращивания монокристаллов из паровой фазы (в виде пленок или объемных кристаллов) можно разделить на три большие группы, отличающиеся методом доставки атомов от источника к растущему кристаллу.

Метод конденсации паров компонентов.

Выращивание кристаллов из паровой фазы, образованной атомами или молекулами компонентов, производится преимущественно в замкнутых эвакуированных контейнерах или в вакуумных камерах. Процесс сводится к созданию потока паров, испускаемых источником, нагретым до выбранной температуры возгонки или испарения; пары, пройдя некоторый путь, конденсируются на подложке. Давление насыщенных паров элементарного вещества, образующею одноатомные пары в зависимости от температуры, описывается уравнением Клаузиуса—Клапейрона.

Скорость испарения с поверхности практически не зависит от давления над ней и определяется ее температурой. Однако часть испарившихся частиц претерпевает соударения с молекулами пара и возвращается на исходную поверхность.

При проведении процессов в непрерывно откачиваемых вакуумных камерах наименее контролируемым и наименее изученным является влияние всегда присутствующих остаточных газов и паров. При давлении остаточных газов в рабочей камере 10^-6-10^-4 мм рт. ст. число газовых молекул, бомбардирующих поверхность роста, часто сравнимо с числом атомов конденсируемого пара. Остаточные газы, способные хемосорбировать на поверхности роста и входить в решетку кристалла, безусловно оказывают вредное влияние на скорость роста, совершенство и свойства растущего кристалла. Влияние же инертных газов, по-видимому, незначительно, а в отдельных случаях может быть даже благотворным. Выращивание кристаллов методом конденсации паров обычно проводится в тщательно отгазированных герметичных системах, в которых остаточное давление химически активных газов (азот, кислород, водород, углеводороды) не должно превышать 10^-8-10^-10 мм рт. ст, тогда как остаточное давление инертных газов порядка 10^-6 мм рт. ст. может считаться вполне приемлемым.

Процессы кристаллизации из паровых пучков принято характеризовать коэффициентом конденсация а. Коэффициент конденсации определяется как отношение числа атомов, встроившихся в решетку, к числу атомов, достигших поверхности конденсации Процесс конденсации можно разбить на три стадии:

1) первое соударение атомов пара с подложкой, при котором рассеивается большая часть их кинетической энергии;

2) адсорбция атома;

3) перемещение атомов по поверхности, приводящее либо к встраиванию атома в кристалл, либо к его повторному испарению. Поэтому величина коэффициента конденсации определяется скоростью рассеяния энергии атома (которая зависит от температуры подложки, от присутствия на ней монослоя «холодных» атомов инертного газа), теплотой адсорбции подложки (влияние чистоты поверхности подложки) и микрорельефом поверхности (плотность мест закрепления атомов в решетку). Величина коэффициента конденсации зависит также от природы атомов.

Таким образом, основными технологическими факторами, определяющими возможность получения методом конденсации монокристаллических образований с контролируемыми свойствами, являются: природа, кристаллографическая ориентация и состояние поверхности подложки, на которую производится наращивание, выбор величины пересыщения и температуры подложки, при которых обеспечивается с одной стороны закономерное встраивание атомов в решетку растущего кристалла, а с другой стороны установление заданного химического состава растущего кристалла.