Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Transkrypt

1 Fizyka i technologia złącza P Adam Drózd r.

2 O czym będę mówił: Półprzewodnik definicja, model wiązań walencyjnych i model pasmowy, samoistny i niesamoistny, domieszki donorowe i akceptorowe, koncentracja nośników w funkcji temperatury. Sposoby domieszkowania półprzewodników epitaksja, dyfuzja, implantacja jonów. Transport nośników w półprzewodniku dyfuzja i unoszenie. Złącze P polaryzacja złącza P. Dioda półprzewodnikowa charakterystyka przejściowa

3 Prosta definicja półprzewodnika Półprzewodniki są materiałami, których rezystywność jest większa niż rezystywność przewodników (metali) oraz mniejsza niż rezystywność izolatorów (dielektryków). Właściwości różniące półprzewodniki od przewodników: Parametry elektryczne półprzewodnika zależą silnie od ilości zanieczyszczeń Rezystywność półprzewodnika zależy od różnego rodzaju promieniowania Temperaturowy współczynnik rezystancji ma duże ujemne wartości.

4 Budowa atomu krzemu i germanu K(1 2 x22) L(2 2 x28) M(3 2 x218)

5 Wiązania między atomowe w krzemie Energia konieczna do wyrwania elektronu walencyjnego z wiązania kowalencyjnego dla wynosi Si1,1eV, dla Ge0,7eV.

6 Energetyczny model pasmowy półprzewodnika

7 Półprzewodnik samoistny i niesamoistny Półprzewodnik idealnie czysty, nie mający żadnych domieszek ani defektów sieci krystalicznej nazywamy samoistnym. generacja par dziura-elektron, n i p i Półprzewodnik umyślnie zanieczyszczany domieszkowany nazywamy niesamoistnym.

8 Domieszki donorowe Są to głównie pierwiastki piątej grupy tablicy okresowej. W krzemie najczęściej stosowany jest fosfor. Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa jest w przybliżeniu równa koncentracji atomów domieszki donorowej, n D. Półprzewodnik typu n.

9 Domieszki akceptorowe Są to głównie pierwiastki trzeciej grupy tablicy okresowej. W krzemie najczęściej stosowany jest bor. Koncentracja dziur w paśmie walencyjnym jest w przybliżeniu równa koncentracji atomów domieszki akceptorowej, p A. Półprzewodnik typu p.

10 Zależność koncentracji nośników od temperatury.

11 Sposoby domieszkowania Wytwarzanie czystych półprzewodników Półprzewodnik technologicznie czysty. a 1 atom obcego pierwiastka przypada ok. 10 miliardów atomów pierwiastka podstawowego (krzemu lub germanu). Metoda Czochralskiego - wynik: pręt monokrystaniczny o średnicy 5 lub 7,5 cm (12cm). - Płytki o grubości 300 do 500µm po obróbce mechanicznej 200 µm.

12 Sposoby domieszkowania Metody wytwarzania warstw domieszkowanych epitaksja, dyfuzja, implantacja jonów.

13 Sposoby domieszkowania Epitaksja Wytwarzanie cienkiej warstwy półprzewodnika monokrystalicznego na podłożu monokrystalicznym z zachowaniem budowy krystalicznej z podłożem. arastająca warstwa, będąca przedłużeniem podłoża, nosi nazwę warstwy epitaksjalnej. Metoda osadzania chemicznego oparta na redukcji czterochlorku krzemu wodorem zgodnie z reakcją: SiCl 4( gaz) + 2H2( gaz) Si+ 4HCl( gaz)

14 Sposoby domieszkowania Epitaksja cd. Urządzenie do epitaksji 1. Zwojnica indukcyjna 2. Płytki podłożowe 3. Podstawka kwarcowa 4. Podstawa grafitowa 5. Rura kwarcowa

15 Sposoby domieszkowania Epitaksja cd. Wprowadzanie domieszek do narastającej warstwy półprzewodnika: wytworzenie warstwy typu n - wprowadzenie par PCl 3, wytworzenie warstwy typu p wprowadzenie BBr 3. ośnikiem gazowym par domieszek jest wodór.

16 Sposoby domieszkowania Dyfuzja W odpowiednio wysokich temperaturach możliwa jest dyfuzja atomów. Zjawisko to można wykorzystać w procesie domieszkowania półprzewodnika. F t D x 2 D 2 x I prawo Ficka, równanie gęstości strumienia II prawo Ficka, równanie dyfuzji F gęstość strumienia atomów domieszki, D współczynnik dyfuzji, koncentracja atomów domieszki, x współrzędna prostopadła do powierzchni płytki półprzewodnikowej, t - czas a podstawie równania dyfuzji można wyznaczyć profil domieszkowania. Zagadnienia praktyczne opisane są dwoma rodzinami warunków brzegowych: Dyfuzja z nieograniczonego źródła Dyfuzja z ograniczonego źródła.

17 Sposoby domieszkowania Dyfuzja cd. Dyfuzja z nieograniczonego źródła Dt L t M L x erfc t x t x const t D D ) ( 2 ), ( 0 ), ( 0,0) ( ) (0, π π Dyfuzja z ograniczonego źródła ] 2 exp[ ), ( 0 ), ( 0,0) ( ) 0 (,0) ( 0 ; ) ( > D D x L x L M t x t x dla x x dla x x const t M π δ δ

18 Sposoby domieszkowania Dyfuzja cd. Domieszkowanie akceptorami: I Predyfuzja 1. Wygrzewanie płytek krzemowych do temp C w atmosferze zawierającej pary B 2 O B 2 O 3 +3Si 3SiO 2 +4B 3. a powierzchni Si powstaje szkliwo borowokrzemowe i uwalnia się bor, który dyfunduje w głąb płytki krzemowej. II Redyfuzja Domieszkowanie donorami: 1. Wygrzewanie płytek Si w atmosferze P 2 O POCl 3 +3O 2 2P 2 O 5 +6Cl 2 3. Dyfuzja fosforu ze szkliwa fosforo-krzemowego.

19 Implantacja jonów (proces niskotemperaturowy) Implantacja jonów polega na wbijaniu jonów do kryształu wskutek bombardowania powierzchni płytki półprzewodnikowej jonami domieszki ( kev) rozpędzonymi w silnym polu elektrycznym.

20 Transport nośników w półprzewodniku W prądzie przewodzenia, utworzonym przez poruszające się nośniki, należy rozróżnić dwa mechanizmy: unoszenie i dyfuzję. Unoszenie: w przypadku równomiernego rozkładu koncentracji nośników w półprzewodniku prąd przewodzenia jest w całości prądem unoszenia, utworzonym przez strumień nośników poruszających się wskutek działania siły elektrycznej. J u qnv v u średnia prędkość unoszenia w polu elektrycznym, v v u u at 2 zd qt 2m zd * n u qnμe a F m E μe Ruchliwość µ zależy od koncentracji domieszek, temperatury, natężenia pola elektrycznego. * n a qe * m n

21 Transport nośników w półprzewodniku Dyfuzja: występuje wówczas gdy rozkład koncentracji nośników prądu jest nierównomierny. J dn qd n grad n J dp qd p grad p Istnieje ścisły związek między ruchliwością a współczynnikiem dyfuzji, określony tzw. wzorem Einsteina: Unoszenie i dyfuzja: D μ kt q J J n + J p J qnμ E n + qd n grad n + qnμ E p qd p grad p

22 Złącze P Bezpośredni kontakt obszarów p oraz n prowadzi do wzajemnej dyfuzji nośników: elektronów do obszaru typu p, dziur do obszaru typu n. W obszarze granicznym powstaje warstwa dipolowa ładunku. Ładunek przestrzenny jest przyczyną powstania pola elektrycznego. apięcie wytworzone w obszarze złącza to bariera potencjału, tzw. napięcie dyfuzyjne. Pole elektryczne wytwarza prądy unoszenia skierowane przeciwnie do prądów dyfuzyjnych.

23 Złącze P polaryzacja w kierunku zaporowym i przewodzenia Polaryzacja w kierunku zaporowym. Składowe prądu dyfuzji nośników większościowych maleją do zera. Składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych pozostają bez zmian. Polaryzacja w kierunku przewodzenia. Składowe prądu dyfuzji nośników większościowych są znacznie większe od składowych unoszenia nośników mniejszościowych. qu I Iu exp( ) 1 kt

24 Charakterystyka przejściowa diody Kierunek zaporowy I (ma) U Kierunek przewodze nia Obszar przebicia I (µa)

25 Założenia: Rozmiar diody na 13kA A cm -3, D cm -3, Domieszkowania D n 21cm 2 /s, D p 10cm 2 /s, Współczynniki dyfuzji τ p τ n s n i 9, cm -3 Czasy życia nośnioków mniejszościowych Gęstość domieszek samoistnych w krzemie w temperturze pokojowej Jaka musi być powierzchnia A takiego złącza aby mogło ono przewodzić prąd I F 13kA w tempertaurze pokojowej? Równanie Schokley ea diody idealnej: Gęstość prądu nasycenia w takim złączu: V I exp( ) 1 F A J s ϕt V exp( ) 1 1,45 10 ϕt Wielkość w nawiasie wynosi: 12 J s en 2 i 1 A D τ p p + 1 D D τ n n V 700mV φ T 26mV 8, A cm 3

26 A I V exp( ϕt F ) 1 J s 1, A 8, A cm 2 2 A 100cm Czyli promień płatka krzemu, w którym wykonana będzie dioda powinien wynosić: A r 5, 6cm π

27 Koniec