Примесная проводимость кремния

В данном разделе будет обсуждаться диффузия примесей в условиях квазиравновесия, т. е. в таких условиях проведения технологического процесса, когда сам процесс заметно не меняет равновесную концентрацию точечных дефектов в кремнии. Квазиравновесие может иметь место в условиях как собственной, так и примесной проводимости кремния, т. е., как отмечалось выше, в зависимости от соотношения между концентрацией носителей в кристалле и собственной концентрацией при температуре проведения процесса диффузии. В случае, когда диффузия происходит в условиях собственной проводимости, можно получить аналитическое выражение для результирующего распределения примеси к такому типу процесса относится ионная имплантация малой дозы примеси с последующей разгонкой. Классический двухэтапный процесс, а именно предварительное химическое нанесение и разгонка в окисляющей среде также часто удается описать в аналитической форме. Однако решение этой задачи чаще всего неприменимо на практике, поскольку, во-первых, часто превалирует примесная проводимость, что приводит к пространственной неоднородности коэффициента диффузии, а во-вторых, атомы легирующей примеси теряются в растущем окисле. Оба эти эффекта переводят задачу в разряд задач, не имеющих аналитического решения. [c.30]

ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ КРЕМНИЯ [c.17]

Опыт показывает, что с увеличением концентрации доноров (или акцепторов) наклон прямых 1па от 1/Т в области примесной проводимости уменьшается. Согласно (7.168) это значит, что уменьшается энергия ионизации примеси. При некоторой критической концентрации она обраш,ается в нуль. Для элементов пятой группы в германии эта критическая концентрация составляет ЗХ Х10 см , в кремнии 8-10 см . Полупроводник, в котором энергия ионизации примеси обратилась в нуль, называют часто полуметаллом. В нем концентрация электронов и электропроводность нечувствительны к температуре (кроме области температур, где начинается собственная проводимость). [c.254]

Электрическая проводимость полупроводников весьма чувствительна даже к небольшому количеству примесей. Например, введение в кремний всего 0,001% В увеличивает его проводимость при 20°С примерно в 1000 раз в ряде случаев примеси увеличивают проводимость в миллионы раз. Проводимость полупроводников, обусловленная наличием примесей, называется примесной проводимостью, а полупроводники — примесными полупроводниками. [c.281]

IJT ДЛЯ двух образцов кремния по данным Пирсона и Бардина [8]. На кривых видны два почти линейных участка, соответствующих собственной и примесной проводимостям эти линейные участки кривой хорошо описываются приведенными выше предельными выражениями для удельного сопротивления р. В каждой из этих областей изменение удельного сопротивления р с температурой определяется прежде всего экспоненциальным сомножителем, описывающим активацию носителей и переход их через запрещенную зону. Следует отметить, что при переходе от примесной к собственной проводимости в результате повыщения температуры часто наблюдается область, где удельное сопротивление возрастает с ростом температуры. В этой температурной области концентрация носителей тока почти постоянна, все донорные или акцепторные примеси оказываются ионизированными и изменение удельного сопротивления с те.м-пературой определяется изменением подвижности носителей тока. [c.164]

Рис. 1.6. Связь между коэффициентом диффузии в условиях примесной проводимости и концентрацией электронов в кремнии вблизи 1090°С (о, ) и 1200°С (Д, а). Сплошная линия - прямая, наилучшим образом аппроксимирующая экспериментальные данные [1.2] , А - легирование фосфором о, д -легирование мышьяком

Учитывая, что в германии е=16, а т =0,25т, получаем для энергии ионизации примесных атомов V группы d 0,01 эВ. В кремнии, где e =12, а т 0,4т, энергия ионизации должна быть примерно 0,04 эВ. Таким образом, достаточно весьма незначительной энергии, чтобы перевести пятый электрон из связанного состояния в свободное , т. е. в зону проводимости. Примеси, которые поставляют свободные электроны, называют донорными. В табл. 7.2 приведены измеренные значения энергии ионизации доноров в кремнии и германии. Они достаточно хорошо согласуются с расчетными значениями Ed. [c.238]

Рекомбинация. Электроны в зоне проводимости полупроводника находятся в возбужденном состоянии и, следовательно, имеют конечное время жизни. При встрече они аннигилируют с дырками. Однако вероятность такой рекомбинации очень мала, потому что и электроны, и дырки движутся с большими скоростями и вероятность их нахождения в одном и том же месте пространства в один и тот же момент времени ничтожна. Поэтому главный путь рекомбинации осуществляется посредством захвата электронов (или дырок) примесными атомами. Захваченный электрон (или дырка) удерживается около примесного атома до тех пор, пока не аннигилирует с пролетающей мимо дыркой (или электроном). Этот механизм значительно более эффективен, чем прямая рекомбинация. Тем не менее вероятность рекомбинации посредством захвата также не очень велика и обычно обеспечивает сравнительно большую продолжительность жизни соответствующих носителей. В германии и кремнии продолжительность жизни носителей до рекомбинации имеет порядок 10" с. [c.355]

Распределения плотности состояний в пленках аморфного кремния, не содержащих (а-51) и содержащих (а-5 Н) водород, показаны на рис. 5, в. Сравнивая этот рисунок с рис. 4, г, можно увидеть, что даже в аморфном кремнии, содержащем водород, хвосты валентной зоны, зоны проводимости, а также зона разрешенных состояний в середине запрещенной зоны перекрывают друг друга, образуя непрерывное по энергии распределение локализованных состояний в запрещенной зоне. Однако плотность этих состояний во много раз меньше плотности локализованных состояний аморфного кремния, не содержащего водород. В аморфном кремнии, содержащем водород, плотность состояний примесных (донорных или акцепторных) уровней в запреш,енной зоне выше, чем обусловленных дефектами. В этом случае электрофизические свойства пленок аморфного кремния определяются видом и количеством введенной примеси. [c.14]

Рис. 3.15. Зависимость относительной удельной электрической проводимости примесного кремния от температуры ао - удельная

Если теперь в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести элемент III группы, например алюминий, то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей, одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной (рис. 8.1, в). В незаполненную связь около атома алюминия за счет тепловой энергии может перейти электрон от соседнего атома основного вещества. При этом образуются отрицательный ион алюминия и свободная дырка, перемещающаяся по связям основного вещества и, следовательно, принимающая участие в проводимости кристалла. Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной. Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома основного вещества к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния. В силу этого количества дырок может быть значительно больше количества свободных электронов и проводимость кристалла будет дырочная. [c.270]

В кристаллах с ковалентной связью проводимость электрического тока может осуществляться как путем перемещения электронов (электронная, или п-проводимость), так и путем перемещения дырок (дырочная, или р-проводимость). Вследствие большой подвижности электронов в идеальных кристаллах химически чистого полупроводника электронная проводимость превалирует. В реальных кристаллах химически чистых германия и кремния может превалировать дырочная проводимость из-за неизбежных дефектов в упаковке атомов (дислокации вакансии границы зерен, блоков и т.д.). Проводимость в химически чистом полупроводнике называется собственной проводимостью. Однако получить химически чистые элементы весьма сложно. Вследствие этого полупроводники всегда содержат примеси, которые изменяют характер и значение проводимости. Электрическая проводимость, обусловленная присутствием примесей в полупроводнике, называется примесной. [c.587]

Примесные полупроводниковые кристаллы. Германий и кремний, элементы IV основной группы Периодической системы, обладают в чистом виде низкой проводимостью. Однако они приобретают свойства полупроводников, если к ним добавить элементы III и V основных групп с приблизительно одинаковым атомным радиусом, так как в этом случае примесный центр становится электрически активным. Благодаря внедрению элементов этих групп, к примеру Р, Аз, 5Ь (V группа), в германии образуются дефекты, вызывающие появление избытка электронов. При таком замещении получаются дефекты донорного типа, так как избыточный пятый валентный электрон сурьмы связан только слегка и вблизи примесного центра образует протяженное облако отрицательного заряда, которое охватывает область приблизительно в 1000 атомов германия (рис. 10.6). Так как свободные электроны являются носителями зарядов, то речь идет о полупроводнике типа п. [c.214]

Как полупроводники в полупроводниковых приборах используют эпитаксиальные пленки кремния и германия. Меняя природу и количество примесей в них, получают слои разного удельного сопротивления с примесной электронной проводимостью (тип п) [c.169]

Если же в германий или кремний в качестве примеси добавить один из пятивалентных элементов, таких как мышьяк, фосфор или сурьма, то в кристаллической структуре возникнет излишек одного электрона, как показано на рис. 5-1-4,а. Энергия ионизации при отрыве лишнего (пятого) электрона атома приме си значительно меньше энергии ионизации при отрыве электрона ковалентной связи и находится в пределах 0,01—0,5 эВ. Ее значение зависит от количества и типа примеси. Энергетическая диаграмма, соответствующая случаю введения в германий пятивалентного примесного элемента, показана на рис. 5-1-4,б, из нее видно, что в этом случае образуется заполненный примесный уровень, отстоящий от нижней границы Ес зоны проводимости на 0,01—0,05 эВ. Электроны, находящиеся на это.м уровне, уже при температуре, близкой к нормальной, вследствие теплового движения могут легко переходить в зону проводимости. Указанные электроны способствуют увеличению проводимости вещества. Механизм электропроводности в это.м случае обусловливается носителями отрицательного заря- [c.310]

Энергия ионизации при образовании дырки мала (ю сравнению с германия или кремния. Энергетический уровень, образующийся вследствие наличия примеси, показан на рис. 5-1-5,б, В этом случае образуется примесный незаполненный уровень, расположенный на 0,01—0,05 эВ выше верхней границы заполненной зоны. Уже при температуре, близкой к нормальной, незаполненный примесный уровень захватывает электроны из заполненной зоны, при этом в последней образуется дырка, обусловливающая проводимость. Примесный уровень в полупроводниках п-типа имеет смысл назвать уровнем, который снабжает зону проводимости электронами, и потому его называют донорным уровнем, В противоположность такому уровню незаполненный примесный уровень, который захватывает электроны из заполненной зоны, носит название акцепторного уровня. Полупроводники, подобные показанному на рис. 5-1-5, называют дырочными полупроводниками (р-типа), так как носителями заряда, обусловливающего проводимость, служат дырки—места с положительным зарядом. [c.311]

Большое практическое значение имеют также примесные полупроводники. Малые количества примесных атомов в основном кристалле поставляют электроны в зону проводимости, либо захва-. тывают электроны из заполненной полосы, образуя в ней дырки. Например, если в кристалл кремния введено небольшое число атомов мышьяка, то они уже при комнатной температуре могут терять по одному электрону, которые переходят в состояние, соответствующее свободной полосе энергетических состояний кремния. Чем выше концентрация атомов мышьяка и чем выше температура, тем большее число электронов попадает в зону проводимости. Атомы, которые могут отдавать свои электроны в зону проводимости кристалла, называются донорными примесями. Полупроводники с такими примесями называются электронными полупроводниками или полупроводниками п-типа (электронная проводимость) (см. рис. 27). [c.147]

Самый чистый пример плотной системы с беспорядком газового типа дают нам примеси замещения (например, фосфор) в ковалентном полупроводнике типа кремния [43, 126]. Если нет заметной химической тенденции к сегрегации примесей или к образованию кластеров при кристаллизации образца (подобное предположение справедливо отнюдь не всегда ), то примеси будут случайно распределяться по узлам решетки, как в любом сильно разбавленном сплаве ( 1.2). Для электронов проводимости, однако, роль размера примесного атома играет эффективный боровский радиус ан, отвечающий низшему примесному уровню. Этот радиус может в 10 или 100 раз превышать постоянную решетки исходного кристалла. Соответственно концентрацию примесей в 10" —10 ат.% следует считать очень большой , так как здесь оказывается несправедливым предположение о независимости электронных процессов, протекающих на отдельных примесях (рис. 2.55). Такая система будет подробно рассмотрена в гл. 13. [c.129]

Общепринятой считается точка зрения, согласно которой примеси групп П1А (акцепторы) и VA (доноры) образуют в Si растворы замещения и поэтому диффундируют по таким же механизмам, как и атомы кремния. Атомы всех указанных примесей диффундируют в S i быстрее атомов кремния. Так как все эти примеси обладают высокой электрической активностью, то при достаточно высоких концентрациях они сдвигают положение уровня Ферми в кремнии и, следовательно, изменяют равновесную концентрацию точечных дефектов каждого из заряженных состояний. Поэтому, как следует из приведенного выше обсуждения самодиффузии в Si, наличие донорных или акцепторных атомов в Si при концентрациях, превышающих п. при температуре диффузии, должно приводить к увеличению коэффициента диффузии атомов как кремния, так и атомов примеси той же группы и к уменьшению коэффициента диффузии атомов примеси противоположного типа. При интерпретации измерений коэффициентов диффузии очень важно знать, были ли во время эксперимента проводимость кристалла кремния собственной, т. е. была ли концентрация легирующих примесей ниже п.(Т), или, наоборот, проводимость была примесной. В дальнейшем это условие будет заранее оговариваться. [c.25]

Зависимость электропроводности аморфного кремния от дозы облучения приведена на рис. 11.13. Видно, что пока доза облучения не превышает некоторого порогового значения, резкого увеличения электропроводности не наблюдается. При этом практически все электроны с донорных примес- ных уровней переходят на локализованные состояния вблизи р-Лишь после того как все эти состояния будут заполнены, начинает доминировать примесная проводимость, связанная с забросами электронов из донорной зоны в зону проводимости. Аналогичная ситуация имеет ме сто в аморфном гер-мании. в [c.367]

Кроме собственной проводимости, в полупроводниках наблюдается еще и примесная проводимость. Она появляется благодаря присутствию в полупроводнике атомов некоторых примесей. Если, например, в кремнии имеется примесь сурьмы или другого элемента пятой группы таблицы Д. И. Менделеева, то происходит следующее явление. Атом сурьмы имеет пять валентных электронов, четыре из них образукзт ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон очень легко переходит в зону проводимости. Таким образом, получается полупроводник (кремний) п-тина с электронной проводимостью. Название п-тип произошло от английского слова negative — отрицательный. Добавки, подобные сурьме, создающие электроны проводимости в полупроводниках, называются донорами. Электрический ток в полупроводниках п-типа осуществляется только электронами доноров, поскольку их в 10 —10 раз больше, чем собственных носителей зарядов полупроводника. [c.19]

Рис. 1.9. Нормированный коэффициент диффузии в условиях примесной проводимости как функция нормированной концентрации носитепей заряда в кремнии ( ) -коэффициент диффузии в условиях собственной проводимости)

Примером простого донорного примесного центра в полупроводнике является кристалл кремния с одним атомным узлом, занятым атомом фосфора. Каждый атом в кристалле кремния образует ковалентные связи с четырьмя ближайшими соседями. Это означает, что атом фосфора обладает лишним валентным электроном, который не нужен для связи. Этот электрон непол1ностью свободен, так как ядро фосфора имеет больший положительный заряд, чем ядро атома кремния. Но лишний электрон связан со своим ядром недостаточно прочно, что позволяет ему перемещаться в окрестностях данного примесного центра. Для сохранения нейтральности примесного центра электрон должен л о к а- лизоваться в запрещенной зоне ниже дна зоны проводимости, т. е. электрон может перейти в нелокалйзованное бло-ховское состояние, получив дополнительную энергию не менее АЕй. Тогда донор становится ионизованным и ведет себя как локализованный положительный заряд. [c.92]

Не удивительно, что концентрация кислорода оказывает сильное влияние на радиационную чувствительность приборов, так как известно, что кислород взаимодействует с вакансиями, образуя рекомбинационный уровень (А-центр), расположенный примерно на 0,16 эв ниже дна зоны проводимости [77]. О влиянии А-центров или других примесно-вакансиоп-ных комплексов на радиационную стойкость приборов известно очень мало. Однако поскольку известно, что кремниевые вакансии подвижны при комнатной температуре и склонны к образованию комплексов с кислородом и фосфором [77, 78], то несомненно полезными и интересными были бы исследования влияния различных примесей на радиационную стойкость полупроводниковых приборов. Основные рекомбинационные уровни кремния и их свойства приведены в табл. 6.10. [c.310]

В наст оящее время промышленные методы очистки позволяют получать монокристаллы германия с удельным электрическим сопротивлением, близким к собственному, а монокристаллы кремния — с удельным электрическим сопротивлением, равным 3000— 5000 Ом См. Высокоомный кремний, как правило, имеет дырочный тип проводимости из-за неконтролируемого содержания в нем бора. В электронной технике обычно используются примесные полупроводники, удельное электрическое сопротивление которых лежит в широких пределах (0,1—10 ОмХ Хсм). [c.401]

При на.тичии в полупроводнике примеси его оптическое поглощение может быть связано с ионизацией примеси или возбуждением электрона нейтральной примеси в кристалле. Это поглощение называют примесным. При ионизации примеси энергия поглощенного кванта света расходуется на переход электронов с донорных уровней в зону проводимости и из валентной зоны на акцепторные уровни, что в спектре поглощения проявляется в виде примесной полосы поглощения. Если при освещении полупроводника светом происходит переход электрона примеси из основного состояния в возбужденное, то наблюдается линейчатый спектр поглощения. В случае, когда донорные уровни находятся вблизи дна зоны проводимости, примесное поглощение, обусловленное переходами электронов примеси из основного состояния в возбужденное или в зону проводимости, должно находиться в далекой инфракрасной области спектра и экспериментально может наблюдаться лишь при низких температурах, когда большая часть атомов примеси не ионизована. То же самое можно сказать и о спектре поглощения акцепторной примеси. На рис. 12.6 изображен спектр примесного поглощения бора в кремнии. [c.85]

Появление электронной или дырочной проводимости при введении в идеальный кристалл различных примесей происходит следующим образом. Предположим, что в кристалле кремния один из атомов замещен атомом сурьмы. Сурьма на внешней электронной оболочке имеет пять электронов (V группа периодической системы). Четыре электрона образуют парные электронные связи с четырьмя ближайшими соседними атомами кремния. Оставшийся пятый электрон будет двигаться около атома сурьмы по орбите, подобной орбите электрона в атоме водорода, но сила его электрического притяжения к ядру уменьшится соответственно диэлектрической проницаемости кремния. Поэтому, чтобы освободить пятый электрон, нужна незначительная энергия, равная примерно 0,05 эв ( =0,008 адж). Слабо связанный электрон легко может быть оторван от атома сурьмы под действием тепловых колебаний решетки при низких температурах. Такая низкая энергия ионизации примесного атома означает, что при температурах около —100° С, все атомы примесей в германии и кремнии уже ионизированы, а освободившиеся электроны участвуют в процессе электропроводности. В этом случае основными носителями заряда будут электроны, т. е. здесь имеет место электронная проводимость или проводимость п-типа п — первая буква слова negative). [c.149]

На свойства собственных полупроводников сильно влияют П римеси, П ричем это влияние тесно связано с валентностью примесных атомов. Так, например, чистый кремний или германий являются собственными полупроводниками и кристаллизируются в структуре ал маза, которая отличается целиком заполненной зоной с четырьмя валентными электронами иа атом. При растворении в них мышьяка или фосфора, имеющих пять валентных электронов на атом, один электрон от каждого атома может лерейти в зону проводимости, и при этом получается полупроводник п-типа. Наоборот, бор или галлий, имеющие по три валентных электрона на атом, образуют гери этом. незанятые состояния вблизи валентной зоны,. и таким образом получается полупроводник р-типа. [c.40]

Для кремния донорными примесями обычно служат элементы V группы периодической системы — фосфор (Р) или сурьма (Sb). Атом донорной примеси образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами кремния посредством четырех валентных электронов пятый л<е валентный электрон становится свободным носителем заряда. Количество свободных электронов оказывается равным сумме атомов донорной примеси и собственных электронов. Так как электропроводность в рассмотренном случае будет в основном определяться электронами, то их называют основными носителями заряда в противовес дыркам, называемым в этом случае неосновными носителями. Такой примесный кремний называют электронным или кремнием /г-типа (от латинского negative — отрицательный) говорят также, что такой кремний обладает электронным видом электропроводности. Акцепторными примесями обычно служат элементы III группы периодической системы — алюминий (А1), бор (В), галий (Ga). Атому акцепторной примеси для образования ковалентной связи с четырьмя соседними атомами кремния в дополнение к трем валентным электронам необходим четвертый. Этот электрон отбирается у одного из соседних атомов — возникает ион кремния, т. е. образуется дырка. В этом случае дырки как примесные , так и собственные называют основными носителями, а электроны — неосновными. Такой примесный кремний называют дырочным или /7-типа (от латинского positive—положительный) говорят также, что такой кремний обладает дырочной проводимостью. [c.46]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...