WYTWARZANIE MATERIAŁÓW I ELEMNTÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Półprzewodniki-

najczęściej

substancje krystaliczne

których

konduktywność

(zwana też konduktancją właściwą)

jest rzędu 10^-8 do 10^6 S/m (

simensa

na metr), co

plasuje je między

przewodnikami

dielektrykami

Wartość

rezystancji

półprzewodnika maleje ze wzrostem

temperatury. Półprzewodniki posiadają

pasmo wzbronione

między

pasmem walencyjnym

pasmem przewodzenia

zakresie 0 - 5

(np.

0,7 eV,

1,1 eV ,

GaAs

1,4 eV,

GaN

3,4 eV). Koncentracje nośników ładunku w

półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich

granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub

natężenie padającego na niego światła lub nawet przez

ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika.

W przemyśle

elektronicznym

najczęściej stosowanymi

materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy IV (np.

krzem

german

) oraz związki pierwiastków grup III i V (np.

) lub II i VI (

). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w

postaci

monokryształu

polikryształu

lub proszku.

Rodzaje półprzewodników

Samoistne:

Półprzewodnik samoistny jest to półprzewodnik, którego

materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń

struktury krystalicznej.

Koncentracja

wolnych elektronów w

półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur.

Przyjmuje się, że w temperaturze 0 kelwinów w paśmie

przewodnictwa nie ma elektronów, natomiast w T>0K ma

miejsce generacja par elektron-dziura; im wyższa

temperatura, tym więcej takich par powstaje.

Rodzaje półprzewodników

Domieszkowe:

Półprzewodniki samoistne

nie posiadają zbyt wielu

elektronów swobodnych

(co objawia się dużym oporem

właściwym, czyli małą przewodnością właściwą), dlatego

też stosuje się

domieszkowanie

. Materiały uzyskane

przez domieszkowanie nazywają się

półprzewodnikami

niesamoistnymi

lub

półprzewodnikami domieszkowanymi

Domieszkowanie polega na wprowadzeniu do struktury

kryształu dodatkowych atomów pierwiastka, który nie

wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego. Na

przykład domieszka krzemu (Si) w arsenku galu (GaAs).

Ponieważ w

wiązaniach kowalencyjnych

bierze udział

ustalona liczba elektronów, zamiana któregoś z jonów na

atom domieszki powoduje wystąpienie nadmiaru lub

niedoboru elektronów.

Wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (w

stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje

powstanie

półprzewodnika typu n

, domieszka taka zaś

nazywana jest

domieszką donorową

. W takim półprzewodniku

powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom donorowy)

położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko dna

pasma przewodnictwa, lub w samym paśmie przewodnictwa.

Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa

(prawie pustego w przypadku półprzewodników samoistnych) w

postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia

prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie elektronowym, lub

przewodnictwie typu

(z ang.

negative

- ujemny).

Wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów (w

stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje

powstanie

półprzewodnika typu p

, domieszka taka zaś

nazywana jest

domieszką akceptorową

. W takim

półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny

(poziom akceptorowy) położony w obszarze energii wzbronionej

bardzo blisko wierzchołka pasma walencyjnego, lub w samym

paśmie walencyjnym. Poziomy takie wiążą elektrony znajdujące

się w paśmie walencyjnym (prawie zapełnionym w przypadku

półprzewodników samoistnych) powodując powstanie w nim

wolnych miejsc. Takie wolne miejsce nazwano

dziurą

elektronową

. Zachowuje się ona jak swobodna cząstka o

ładunku dodatnim i jest zdolna do przewodzenia prądu.

Mówimy wtedy o przewodnictwie dziurowym, lub

przewodnictwie typu

(z ang.

positive

- dodatni). Dziury, ze

względu na swoją

masę efektywną

, zwykle większą od

masy efektywnej elektronów, mają mniejszą

ruchliwość

przez to oporność materiałów typu

jest z reguły większa

niż materiałów typu

Rolę domieszki może pełnić również atom międzywęzłowy

(atom umiejscowiony poza węzłami sieci) oraz wakans

(puste miejsce w węźle sieci w którym powinien znajdować

się atom).

Zastosowanie półprzewodników w elektronice

Jeśli do monokryształu krzemu doprowadzi się niewielką

domieszkę pierwiastka V grupy układu okresowego, to

jeden z elektronów walencyjnych domieszki nie jest

powiązany siłami sieci krystalicznej.

Wystarczy niewielka energia, aby przenieść ten elektron do

pasma przewodnictwa.

Jeśli do monokryształu krzemu doprowadzi się niewielką

domieszkę III grupy układu okresowego, to jeden z

elektronów walencyjnych krzemu położony w sąsiedztwie

atomu domieszki nie jest powiązany siłami sieci

krystalicznej z sąsiednimi atomami.

Wystarczy niewielka energia, aby elektron ten opuścił

pasmo walencyjne, pozostawiając po sobie swobodną

dziurę.

Do wytwarzania elementów półprzewodnikowych

wykorzystuje się materiały w postaci:

MONOKRYSTALICZNEJ:



Krzemu*



Germanu*



Tranzystorów



Obwodów scalonych

do budowy diod

POLIKRYSTALICZNE:



Materiały na warystory



Termistory



Ogniwa słoneczne i

termoelektryczne

Produkcja półprzewodników powinna spełniać

poniższe wymagania:

-mała szerokość pasma zabronionego

-łatwość wprowadzania domieszek, aby

w sposób kontrolowany

uzyskać rezystywność w granicach 10

³…10³Ω *cm

-energia aktywacji stanów domieszkowych winna zawierać się w

granicach (1…5) *10

-duża ruchliwość nośników ładunków (co najmniej 1000 cm

/V*s)

-odpowiedni długi czas życia nośników (co najmniej 10 do 1000

-możliwość uzyskiwania struktury monokrystalicznej

umiarkowanym nakładem kosztów

-trwałość chemiczna w normalnych warunkach klimatycznych

-dobre własności mechaniczne (wytrzymałość, twardość)

-łatwość wykonywania odprowadzeń

Złącze p-n:

nazywane jest

złącze

dwóch

półprzewodników niesamoistnych

o różnych typach

przewodnictwa: p i n.

W obszarze typu n (negative) nośnikami większościowymi

są elektrony (ujemne). Atomy domieszek (

donory

) pozostają

unieruchomione w siatce krystalicznej. Analogicznie w

obszarze typu p (positive) nośnikami większościowymi są

dziury

ładunku elektrycznym

dodatnim. Atomy domieszek

są tu

akceptorami

. W półprzewodnikach obu typów

występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku

niż większościowe;

koncentracja

nośników

mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych.

Obszar o mniejszej koncentracji domieszek znajdujący się

pomiędzy kontaktem złącza a warstwą zubożoną nazywany

jest bazą

Polaryzacja złącza

Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas

równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości

napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji

złącza:

+ w kierunku przewodzenia

, wówczas dodatni biegun napięcia

jest dołączony do obszaru

;

+ w kierunku zaporowym

, wówczas dodatni biegun napięcia

jest dołączany do obszaru

Bez względu na polaryzację dla większości złącz można przyjąć,

że całe napięcie zewnętrzne odkłada się na obszarze

zubożonym.

Monokryształ:

to materiał będący w całości jednym kryształem; może zawierać

w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże struktury a

jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury

krystalicznej.

Do hodowli monokryształów wykorzystywana jest metoda

Czochralskiego, będąca najstarszą i jedną z najpowszechniej

stosowanych metod do produkcji monokryształów metali i ich

stopów. Została opracowana w 1918 roku przez wybitnego

polskiego uczonego Jana Czochralskiego.

Metodą Czochralskiego produkuje się w skali światowej ponad

90% krzemu, zużywanego do wytwarzania układów scalonych. Z

uwagi na specyfikę owej metody uzyskiwany krzem zawsze

zawiera domieszkę tlenu w położeniu międzywęzłowym, który

ulega przemianom w czasie wytwarzania układów scalonych.

Wyprodukowane monokryształy krzemu są przetwarzane na

płytki szlifowane, polerowane lub płytki stanowiące podłoże na

warstwy epitaksjalne.

Metoda Czochralskiego:

technika otrzymywania

monokryształów

, która polega na

powolnym, stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału

zarodka krystalicznego

w sposób zapewniający kontrolowaną i

stabilną

krystalizację

na jego powierzchni. Dodatkowo, jeśli

wymagają tego warunki procesu krystalizacji zarodek oraz

tygiel

mogą zostać wprawione w ruch obrotowy celem polepszenia

warunków transportu masy i ciepła.

W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o

orientacji krystalograficznej

zarodka. Wymiary i kształt

hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są

poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka,

ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego

do hodowli.

Proces Czochralskiego

W metodzie Czochralskiego najczęściej stosuje się

piece indukcyjne

. W zależności od krystalizowanego materiału do

topienia stosuje się tygle wykonane z

kwarcu

grafitu

azotku boru

bądź innego materiału żaroodpornego nie

wchodzącego w reakcję z krystalizowaną substancją. W celu

zapewnienia czystości i zapobieżenia

utlenieniu

proces

przeprowadzany jest w

próżni

bądź atmosferze

gazu obojętnego

Metoda Czochralskiego jest najstarszą i jedną z najpowszechniej

stosowanych metod produkcji monokryształów

metali

i ich

stopów

. Została opracowana w

1916

roku przez

Jana Czochralskiego

Metodę Czochralskiego na skalę przemysłową stosuje się do

produkcji monokryształów

krzemu

np. przy produkcji

półprzewodników

Metoda Bridgmana

technika otrzymywania

monokrystalicznych

materiałów

gemmologicznych

oparta na stopniowym schładzaniu

wcześniej stopionej masy krystalizowanego materiału. W

metodzie tej kryształy formują się na dnie

tygla

i rosną aż

do całkowitego wyczerpania się masy stopionego substratu.

Metoda ta stosowana jest do krystalizacji substancji o

bardzo wysokiej temperaturze topnienia. Osiąganie

wysokiej temperatury bez szkody dla tygla, jest możliwe

dzięki wytwarzaniu się tzw.

autotygla

, który formuje się z tej

samej ale nie stopionej substancji, która ulega procesowi.

Autotygiel zapobiega topieniu się warstwy przylegającego

bezpośrednio do ścian tygla właściwego i stanowi ochronę

przed działaniem wysokiej temperatury i reaktywnością

stopionego materiału. Korzyścią stosowania tej metody jest

łatwość zachowania wysokiej czystości procesu, ponieważ

ściany autotygla mają ten sam skład chemiczny co stop.

Wytwarzanie czerepu

autotygla może być

inicjowane na następujące

sposoby:

- celowe schładzane są

ściany tygla właściwego

- ogrzewanie silnym polem

elektrycznym w piecu

indukcyjnym

W metodzie tej jest też

możliwy wzrost kryształów w

warunkach ruchomego

gradientu temperatury. W

momencie, gdy zastosuje się

ruchomy tygiel wypełniony

stopioną masą, który

opuszcza się stopniowo przez

obszar stałego gradienu

temperatury, wzrost

kryształów zachodzi na

powierzchni posiadającej

temperaturę zbliżoną do

temperatury topnienia

krystalizowanego materiału.

1-faza ciekła półprzewodnika | 2-tygiel |

3-cewka w.cz. Pieca indukcyjnego

Laboratorium monokryształów

Schemat blokowy laboratorium monokryształów

1.Aparatura Czochralskiego

1.1 Komora próżniowo-ciśnieniowa

1.2 Napęd monokryształu

1.3 Napęd tygla

2.Układ sterowania napędami

2.1 Panel sterowania

3. Układ do pomiaru temperatury

4. Komputer sterujący

5.Generator R.F

5.1 Sterowanie generatora R.F.

6.Zestaw pomp próżniowych

7. Układ napełniania gazem ochronnym

8.Układ chłodzenia wodą

9. Pompa wody

10. Chłodnia wentylatorowa

11. Zapasowy układ chłodzenia

12. Podstacja

13, 14. Klimatyzacja

Aparatura Czochralskiego

Aparatura Czochralskiego (wykonanie F-ka

JOTES, Łódź): nośny korpus żeliwny,

antydylatacyjny, sezonowany, posadowiony

na antywibratorach, komora próżniowo -

ciśnieniowa z chłodzącym płaszczem wodnym,

system zaworów próżniowo - ciśnieniowych,

napęd monokryształu (wrzeciono chłodzone

wodą), napęd tygla (wrzeciono chłodzone

wodą), układ sterowania napędami, układ

kontroli temperatury, termometr zdalny na

podczerwień 600 do 3000°C (±1°C),

zamiennie pirometr dwubarwowy 1000 -

1600°C, cewki indukcyjne, tygiel gorący,

tygiel zimny, tygiel lewitacyjny, itp.

Właściwości techniczne: masa ok. 1.6 t,

wysokość 2597 mm, obroty wrzecion

monokryształu i tygla (prawo, lewo) 0-120

obr/m, regulacja zgrubna i dokładna obrotów,

przesuwy wrzecion 0-300 mm, predkości

przsuwu wrzecion 0-150 mm/h, regulacja

zgrubna i dokładna, szybki przesuw

transportowy, równoległość przesuwu

supportu górnego i dolnego w mm 0.01/300,

równległość osi wrzecion do kierunku posuwu

supportów w mm a) dolny support 0.005/300

b) górny support 0.018/300, współosiowość

osi wrzecion w mm 0.009, elementarne

przemieszczenie supportów (w μm) 0.12, bicie

wrzecion w mm a) w supporcie tygla

0.001/300 b) w supporcie monokryształu

0.003/300

Generator R.F.

Generator w.cz.

(wykonanie F-ka

ELCAL, Łódź) REL-

30Tr (30kW,

440kHz), wraz z

tyrystorowym

regulatorem

napięcia PRW210 i

układem sterowania

generatorem

Układ chłodzenia wodą

zespół chłodniczy ZC-

120 (wykonanie F-ka

ELCAL, Łódź), kontrola

cisnienia i temperatury

cieczy chodzącej, obieg

ZC-120 - generator

w.cz., ZC-120 -

aparatura

Czochralskiego,

wymiennik ciepła obieg

ZC-120 - stacja pomp,

wetylatorowa chłodnia

wody, mozliwośc

awaryjnego chłodzenia

wodą z sieci miejskiej.

Document Outline