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 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 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..