Grzegorz

Smyczyński

nr alb. 129000

7

. Złącza

półprzewodnikowe -
właściwości, metody
wytwarzania

Złącze
półprzewodnikowe

Definicja

Złącze półprzewodnikowe – obszar

w obrębie którego występuje

skokowa lub stopniowa zmiana typu

przewodnictwa lub materiału

półprzewodnikowego.

Ogólnie złączem półprzewodnikowym

nazywa się obszar przejściowy

pomiędzy dwoma obszarami

półprzewodnika o różnych

właściwościach elektrycznych.

Rodzaje złącz:



homozłącze, czyli złącze p-n – dwa obszary tego

samego półprzewodnika, o różnym typie

przewodnictwa (różnią się rodzajem

domieszkowania);



dodatkowo można wyróżnić złącze pp-pp tego

samego typu przewodnictwa, lecz o różnych

koncentracjach domieszek (p+-p- lub n+-n-); jest

to tzw. złącze l-h (ang. Lightly doped region –

heavily doped region)



heterozłącze – złącze dwóch półprzewodników

różnego rodzaju (np. german-krzem);



złącze metal-półprzewodnik, m-s;



złącze metal-izolator-półprzewodnik, MIS.

Złącze
półprzewodnikowe

Rodzaje złącz

Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch

półprzewodników niesamoistnych o różnych typach

przewodnictwa: p i n.

W obszarze typu

n

n występują nośniki większościowe

ujemne (elektrony) oraz unieruchomione w siatce

krystalicznej atomy domieszek - donory.
Analogicznie w obszarze typu

p

p nośnikami

większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym

dodatnim oraz atomy domieszek - akceptory.

Rodzaje złącz p-n:



skokowe (metoda stopowa, metoda epitaksji, płytka

dyfuzja)



symetryczne (Nd≈Na)



niesymetryczne (np. Na>>Nd: p+ - n)



liniowe (głęboka dyfuzja)

Złącze
półprzewodnikowe

Złącze p-n

Złącze
półprzewodnikowe

Model pasmowy złącza p-n

Założenia:

Założenia:



pole elektryczne - tylko w warstwie

zaporowej, zerowa rezystancja pozostałych

obszarów;



ruchy nośników poza obszarem złącza –

dyfuzyjne;



pomija się generację i rekombinację w

warstwie zaporowej;



pomija się zjawisko przebicia złącza;



model jest jednowymiarowy (x), a obszary „p”

i „n” są jednorodne, nieskończenie rozległe.

Złącze
półprzewodnikowe

Idealne złącze p-n

Zjawiska i parametry:



rezystancja szeregowa złącza (kierunek przewodzenia) R

s

-

rezystancja liniowa, kilka –kilkanaście  (rezystancja doprowadzeń

i kontaktów, rezystancja obszarów „p” i „n” poza złączem);



prąd rekombinacji (kierunek przewodzenia) – rekombinacja

nośników „wstrzykiwanych” do warstwy;



rezystancja równoległa złącza (kierunek zaporowy) R

r

– zwana

również rezystancją upływu, związana jest przede wszystkim ze

stanami powierzchniowymi, których wpływ niweluje częściowo

pasywacja (SiO

2

na Si). Jest liniowa, duża;



prąd generacji (kierunek zaporowy). Silne pole „opróżnia”

warstwę zaporową z nośników, emisja elektronów i dziur z centrów

generacji-rekombinacji przeważa nad ich przechwytywaniem

(pułapkowaniem), a więc generacja przeważa nad rekombinacją;



przebicie elektryczne złącza p-n (kierunek zaporowy). W stanie

polaryzacji zaporowej następuje gwałtowny wzrost prądu, gdy

napięcie osiąga wartość zwaną napięciem przebicia. Dwa

mechanizmy przebicia: a) Zenera (jonizacja elektrostatyczna), b)

przebicie lawinowe

Złącze
półprzewodnikowe

Rzeczywiste złącze p-n

Złącze p-n = dioda

Złącze p-n = dioda

Dioda półprzewodnikowa to

dwukońcówkowy element zbudowany z

dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie

domieszkowanych- typu n i typu p,

tworzących razem złącze p-n, lub z

połączenia półprzewodnika z odpowiednim

metalem – dioda Schottky’ego;
końcówka dołączona do obszaru n nazywa

się katodą, a do obszaru p - anodą.

Dioda

IDEALNA

charakteryzuje się

jednokierunkowym przepływem prądu - od

anody do katody, w drugą stronę prąd nie

płynie (zawór elektryczny).

Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest prostowanie

prądu przemiennego (tj. umożliwianie przepływu prądu tylko

w jedną stronę), jednak ich gama zastosowań jest o wiele

szersza; w związku z tym rozróżniamy następujące rodzaje

diod:



dioda prostownicza - prostowanie prądu przemiennego,



stabilizacyjna (stabilistor, d. Zenera) – w układach stabilizacji U i I



tunelowa - z odcinkiem ch-ki o ujemnej rezystancji dynamicznej,



pojemnościowa (warikap) - o pojemności zależnej od przyłożonego

napięcia,



LED (elektroluminescencyjna) – (dioda świecąca od UV do IR)



laserowa,



mikrofalowa (np. Gunna),



detekcyjna - niewielkiej mocy, używana w układach demodulacji

AM,



fotodioda - dioda reagująca na promieniowanie świetlne

(widzialne, UV, IR).

Dioda
półprzewodnikowa

Rodzaje i zastosowania

Dioda
półprzewodnikowa

Charakterystyka diody (1)

gdzie:
          - I

S

jest teoretycznym prądem wstecznym,

          - m jest współczynnikiem korekcyjnym i wynosi od 1 do 2,
          - U

T

=kT/q jest potencjałem elektrokinetycznym.

Potencjał ten w temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi:

Dioda
półprzewodnikowa

Charakterystyka diody (2)

Dioda
półprzewodnikowa

fotodioda a fotoogniwo

Tranzystor jest elementem

o trzech końcówkach

(elektrodach) i służy do

wzmacniania lub przełączania

sygnałów



wyróżnia się dwa typy tranzystorów

bipolarnych: npn lub pnp.   



patrząc na diodowe modele zastępcze

tranzystorów można stwierdzić, że

tranzystor składa się z dwóch

połączonych ze sobą diod o wspólnej

warstwie n lub p. Dołączona do

wspólnej warstwy elektroda

nazywana jest bazą - B. Pozostałe

elektrody tranzystora bipolarnego

mają następujące nazwy: C - kolektor,

E - emiter.

Złącz

a

półprzewodnikowe

p-n + n-p = tranzystor bipolarny

Złącz

a

półprzewodnikowe

charakterystyki tranzystora
bipolarnego

wejściow
e

wyjściow
e

przejściow
e

zwrotn
e

Złącza
półprzewodnikowe

tranzystor polowy

Tranzystory polowe (unipolarne) tak jak i
tranzystory bipolarne są elementami
półprzewodnikowymi lecz różnią się od
bipolarnych po pierwsze tym, że są sterowane
poprzecznym polem elektrycznym, a po drugie –
działanie tranzystorów unipolarnych jest oparte
na przepływie tylko jednego rodzaju nośników.

Złącza
półprzewodnikowe

charakterystyki tranzystorów
polowych

Dioda PIN (od

ang.

p-type, intrinsic, n-type

semiconductor) to element półprzewodnikowy ze

złączem p-n z wbudowaną pomiędzy obiema

warstwami warstwą niedomieszkowaną (najlepiej

warstwa półprzewodnika samoistnego),

stosowany jako rezystor w układach wysokiej

częstotliwości, a także jako detektor.

Złącze
półprzewodnikowe

struktura p-i-n

Złącze
półprzewodnikowe

struktura p-i-n

Diody te charakteryzuje

wysoka rezystancja oraz niska

pojemność dla polaryzacji w

kierunku zaporowym, a w

układzie pracy ze zmienną

impedancją: niewielkie

tłumienie diody załączonej i

wysokie tłumienie, gdy dioda

nie przewodzi. Zmiany te

mogą być ogromne, a czas

powrotu do napięcia

zaporowego, zwany

bezwładnością zależy od

czasu życia nośników

mniejszościowych. Poniżej

określonej granicy diody te

funkcjonują jak zwykłe złącze

p-n

HETEROZŁĄCZE: granica rozdziału pomiędzy dwoma

różnymi półprzewodnikami tworzącymi strukturę

monokrystaliczną.- (Anderson–1960 r.).
Jest ono szeroko wykorzystywane w diodach

laserowych LD elektroluminescencyjnych LED i

laserach. Różnica między złączem homogennym a

heterozłączem polega na tym, że w heterozłączu

bariera dla dziur i elektronów nie jest jednakowa.

Półprzewodniki po obu stronach heterozłącza:



mają różną szerokość przerwy energetycznej



charakteryzują się różnymi wartościami mas

efektywnych i ruchliwości nośników



mogą mieć różne współczynniki załamania

Złącze
półprzewodnikowe

Heterozłącze - definicja

Złącze
półprzewodnikowe

Heterozłącze – model pasmowy

Heterozłącze izotypowe

Heterozłącze anizotypowe

Złącze
półprzewodnikowe

Heterozłącze - zastosowania

Strutura MIS (Metal – Insulator –

Semiconductor) jest zasadniczym elementem

składowym tranzystorów MIS i układów

scalonych MIS. Odpowiednia polaryzacja

warstwy metalicznej powoduje odpowiednie

stany w warstwie półprzewodnika: stan

neutralny, akumulacji, zubożenia oraz inwersji.

Złącze
półprzewodnikowe

Struktura MIS (1)

Złącze
półprzewodnikowe

Struktura MIS (2)

Złącze p-n metodą stopową wykonuje się przez

umieszczenie na płytce (np. germanu)

niewielkiej ilości domieszki (np. indu). Całość

podgrzewa się do temperatury, w której

stopiona domieszka rozpuszcza znajdujące

się w najbliższym sąsiedztwie podłoże.

W czasie odpowiednio wolnego studzenia

podłoże krystalizuje zatrzymując w swojej

sieci dużą liczbę atomów domieszki.

Koncentracja domieszkowanych atomów (np.

akceptorów) przewyższa znacznie w

rekrystalizowanym obszarze koncentrację

domieszki podłoża (np. donorów) i w ten

sposób omawiany obszar zmienia typ

przewodnictwa.

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Złącze stopowe (1)

Ilość podłoża rozpuszczonego w stopionej

domieszce, podczas wykonywania złącza

p-n zależy od objętości domieszki i od

temperatury, do której została podgrzana

płytka półprzewodnika.

Z uwagi na bardzo dużą ilość atomów

domieszki uczestniczących w procesie

stopowym, wykonane tą metodą złącza p-

n są niesymetryczne. Konduktywność

rekrystalizowanego półprzewodnika jest

bardzo duża. Złącze p-n ma dość dużą

pojemność dyfuzyjną.

Obecnie rzadko stosuje się tę technologię.

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Złącze stopowe (2)

Dioda ostrzowa (złącze ostrzowe) powstaje na

granicy zetknięcia germanu typu n lub krzemu

typu p z ostrzem metalowym, wykonanym z

wolframu lub złota.

Złącze ostrzowe „uformowane

powierzchniowo” powstaje przez kontakt

ostrza metalowego z półprzewodnikiem, co z

kolei powoduje powstanie dużej liczby

stanów powierzchniowych, które wywołują

inwersję typu przewodnictwa przy

powierzchni półprzewodnika. W ten sposób

pod ostrzem powstaje złącze p-n

uformowane wskutek zjawisk

powierzchniowych.

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Złącze ostrzowe (1)

Złącze ostrzowe „uformowane napięciowo”

powstaje w wyniku przepuszczenia impulsu

elektrycznego przez styk złoto-german (około 100s,

kilka amperów ).

Wówczas pod ostrzem wytwarza się wysoka

temperatura i do półprzewodnika dyfundują

akceptory z igły metalowej (często pokrytej warstwą

indu lub aluminium).

W ten sposób powstaje warstewka półsferyczna typu p i

mówi się o złączu p-n „uformowanym elektrycznie”

Cechy złącz ostrzowych:



małe wartości pojemności złączowych (< 1pF),



małe wartości pojemności dyfuzyjnych ze względu na

małe rozmiary poprzeczne złącza,



śladowe ilości ładunku gromadzonego przy przełączaniu

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Złącze ostrzowe (2)

Dioda ostrzowa jest zatem w praktyce diodą ze

złączem m-s, a co za tym idzie nie ma w

ogóle pojemności dyfuzyjnej. Jedyną

pojemnością jest pojemność złącza,

ewentualnie pojemność oprawki.

Charakteryzuje się ona bardzo niskim

napięciem progowym, dzięki czemu może

demodulować sygnały z dobrą liniowością.

Obecnie można ją zastąpić specjalnymi

diodami Schottky’ego (m-s) z bardzo niską

barierą potencjału

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Złącze ostrzowe (3)

Złącze dyfuzyjne- powstaje poprzez

wprowadzenie do materiału półprzewodnika

atomów domieszki w drodze dyfuzji. Dzięki temu

można uzyskać:



odpowiedni rozkład domieszek w złączu;



mniejszą pojemność złącza w porównaniu ze

stopowymi złączami p-n;



większą wartość napięcia wstecznego;



niemal prostokątną charakterystykę

przełączania.

Zjawisko dyfuzji polega na przemieszczaniu się

atomów z obszaru o większej koncentracji do

obszaru o mniejszej koncentracji wskutek

chaotycznego ruchu cieplnego tych atomów.

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Dyfuzja / złącze dyfuzyjne (1)

Dyfuzję atomów domieszki do wnętrza

półprzewodnika przeprowadza się w podwyższonej

temperaturze, w piecu dyfuzyjnym, przy czym

materiał domieszki znajduje się w stanie ciekłym

lub gazowym.
Przy dyfuzji ze stanu lotnego płytkę, do której

wprowadza się atomy, umieszcza się w atmosferze

składającej się z par domieszki i gazu nośnego

(np.N

2

).

Przy dyfuzji ze stanu ciekłego na wybranej

powierzchni półprzewodnika jest umieszczony

materiał domieszki w stanie ciekłym.

W celu selektywnego domieszkowania

półprzewodnika można stosować maski tlenkowe

zasłaniające miejsca, których nie chcemy

domieszkować.

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Dyfuzja / złącze dyfuzyjne (2)

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Epitaksja / złącze epitaksjalne (1)

Złącze epitaksjalne – powstaje w wyniku osadzania

(wykrystalizowania) monokrystalicznej warstwy

półprzewodnikowej (z fazy ciekłej lub gazowej) na

podłożu monokrystalicznym z zachowaniem

ciągłości sieci krystalograficznej podłoża.
Złącze powstaje na styku podłoża z warstwą

epitaksjalną. Podłoże ma stosunkowo dużą

rezystywność i przeciwny typ przewodnictwa w

stosunku do warstwy epitaksjalnej.
Technologicznie możliwe jest wytwarzanie warstw

epitaksjalnych typu n na podłożu p+ (i przeciwnie),

typu n na podłożu p, typu p na podłożu n (lasery np.

VCSEL).

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Epitaksja (2)

LPE – VPE – MOVPE –

LPE – VPE – MOVPE –

MBE

MBE

Epitaksja

Epitaksja jest procesem tworzenia pojedynczych
warstw monokryształu na monokrystalicznym podłożu.
Gdy warstwa epitaksjalna i podłoże stanowi dokładnie
taki sam materiał to proces epitaksji nazywamy
homoepitaksją.
Gdy warstwa epitaksjalna różni się od podłoża w
jakikolwiek sposób to proces taki nazywamy
heteroepitaksją.
Przyjęto jednak nazywać homoepitaksją te procesy,
gdzie warstwa epitaksjalna ma taką samą strukturę
krystaliczną i chemiczną, natomiast heteroepitaksją
procesy, w których mamy do czynienia z różnymi
materiałami.

Uniwersalną metodą otrzymywania płytkich

złącz półprzewodnikowych jest technika

implantacji jonów.

Umożliwia ona dokładną kontrolę głębokości

złącza i koncentracji domieszki. Metoda ta

polega na wstrzeliwaniu jonów danej

domieszki do krzemu przez bombardowanie

jego powierzchni strumieniem jonów

(około 10

16

jonów/cm

2

) o dużej energii

(5-300keV). Głębokość wytworzonego

złącza zależy od energii jonów.

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Złącze implantowane / implantacja (1)

Implantacja powoduje jednak w krzemie powstanie

dużej liczby defektów strukturalnych, które można

usunąć albo przez wygrzewanie termiczne, albo też

napromieniowanie wiązką elektronową lub laserową.

Metodę implantacji jonów można stosować do

produkcji wydajnych krzemowych ogniw

słonecznych.

Wytwarzanie złącz
półprzewodnikowych

Złącze implantowane / implantacja (2)

Dziękuję za
uwagę