Pytanie 7
Złącza półprzewodnikowe
– właściwości, metody
wytwarzania.
Pytanie 7
Złącza półprzewodnikowe
– właściwości, metody
wytwarzania.
Złącze
półprzewodnikowe
obszar w obrębie którego występuje
obszar w obrębie którego występuje
skokowa lub stopniowa zmiana typu
skokowa lub stopniowa zmiana typu
przewodnictwa lub materiału
przewodnictwa lub materiału
półprzewodnikowego. Ogólnie złącze
półprzewodnikowego. Ogólnie złącze
półprzewodnikowe to obszar
półprzewodnikowe to obszar
przejściowy pomiędzy dwoma
przejściowy pomiędzy dwoma
obszarami półprzewodnika o różnych
obszarami półprzewodnika o różnych
właściwościach elektrycznych.
właściwościach elektrycznych.
Rodzaje złącz (1)
homozłącze, czyli złącze
homozłącze, czyli złącze
p-n
p-n
– dwa obszary tego
– dwa obszary tego
samego półprzewodnika, o różnym typie
samego półprzewodnika, o różnym typie
przewodnictwa (różnią się rodzajem
przewodnictwa (różnią się rodzajem
domieszkowania).
domieszkowania).
Dodatkowo można wyróżnić
Dodatkowo można wyróżnić
złącze półprzewodnik-półprzewodnik tego
złącze półprzewodnik-półprzewodnik tego
samego typu przewodnictwa, lecz o różnych
samego typu przewodnictwa, lecz o różnych
koncentracjach domieszek (
koncentracjach domieszek (
p
p
+
+
-p
-p
-
-
lub
lub
n
n
+
+
-n
-n
-
-
).
).
heterozłącze
heterozłącze
– złącze dwóch półprzewodników
– złącze dwóch półprzewodników
różnego rodzaju (np. german-krzem);
różnego rodzaju (np. german-krzem);
złącze metal-półprzewodnik,
złącze metal-półprzewodnik,
m-s
m-s
;
;
złącze metal-izolator-półprzewodnik,
złącze metal-izolator-półprzewodnik,
MIS
MIS
.
.
Rodzaje złącz (2)
Rodzaje złącz
Rodzaje złącz
p-n
p-n
:
:
skokowe (metoda stopowa,
skokowe (metoda stopowa,
metoda epitaksji,płytka dyfuzja)
metoda epitaksji,płytka dyfuzja)
s
s
ymetryczne
ymetryczne
(N
(N
d
d
≈N
≈N
a
a
)
)
niesymetryczne (np. N
niesymetryczne (np. N
a
a
>>N
>>N
d
d
:
:
p
p
+
+
- n)
- n)
liniowe (głęboka dyfuzja)
liniowe (głęboka dyfuzja)
Model pasmowy złącza
Prądy w złączu
J
pd
-gęstość
prądu dyfuzji
dziur
J
nd
-gęstość
prądu dyfuzji
elektronów
J
pu
– gęstość
pradu
unoszenia
dziur
J
pu
– gęstość
pradu
unoszenia
elektronów
Kierunek przewodzenia
<<Wpływ rezystancji
szeregowej
<<Charakterystyka I=f(U)
Kierunek zaporowy
Wpływ rezystancji>>
upływu
Charakterystyka I=f(U)
Wpływ światła na złącze
p-n
Wpływ światła na złącze
Wpływ światła na złącze
p-n
p-n
przejawia się:
przejawia się:
jako zmiana prądu
jako zmiana prądu
złącza spolaryzowanego
złącza spolaryzowanego
zaporowo –
zaporowo –
wykorzystana w
wykorzystana w
detektorach
detektorach
promieniowania;
promieniowania;
jako pojawianie się siły
jako pojawianie się siły
elektromotorycznej w
elektromotorycznej w
niespolaryzowanym
niespolaryzowanym
złączu – efekt
złączu – efekt
fotowoltaiczny
fotowoltaiczny
wykorzystany w
wykorzystany w
ogniwach słonecznych.
ogniwach słonecznych.
Przebicie lawinowe i
tunelowe
Lawinowe – energia jest
Lawinowe – energia jest
zbyt dużaelektrony z
zbyt dużaelektrony z
pasma
pasma
podstawowego
podstawowego
przechodzą do pasma
przechodzą do pasma
przewodnictwa.
przewodnictwa.
Przebicie ze zmianą
Przebicie ze zmianą
energii.
energii.
Tunelowe – gdy mała
Tunelowe – gdy mała
grubość złacza (duża
grubość złacza (duża
koncentracja
koncentracja
domieszek).
domieszek).
Przebicie bez zmiany
Przebicie bez zmiany
energii
energii
Technologia wytwarzania
złączy
Ostrzowa
Ostrzowa
Stopowa
Stopowa
Dyfuzyjna
Dyfuzyjna
Epitaksjalna
Epitaksjalna
Implantacji
Implantacji
Metoda ostrzowa
Ge
Złącze ostrzowe „uformowane napięciowo” powstaje
w wyniku przepuszczenia impulsu elektrycznego przez
styk złoto-german (około 100s, 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 sią o złączu p-n „uformowanym elektrycznie”
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.
Metoda stopowa
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 typ zmienia przewodnictwa.
Technologia dyfuzyjna
Złącze dyfuzyjne-
powstaje poprzez
wprowadzenie do
materiału
półprzewodnika
atomów domieszki w
drodze dyfuzji
Zjawisko dyfuzji polega na przemieszczaniu się atomów z obszaru
o większej koncentracji do obszaru o mniejszej koncentracji
wskutek chaotycznego ruchu cieplnego tych atomów.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
Technologia epitaksjalna
Złącze epitaksjalne – powstaje w wyniku osadzania
(wykrystlizowania) monokrystalicznej warstwy
półprzewodnikowej na podłożu monokrystalicznym z
zachowaniem sieci krystalograficznej podłoża. Złącze
powstaje na styku podłoża z warstwą epitaksjalną.
Technologia implantacji
Złącze implantowane – 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. Opisywana metoda powoduje jednak powstawanie w
krzemie dużej liczby defektów strukturalnych, które można usunąć
albo przez wygrzewanie termiczne, albo też napromieniowanie
wiązką elektronową lub laserową..