Изучение глубины залегания p-n перехода в диффузионных процессах

Страницы работы

Содержание работы

Министерство образования Российской Федерации

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

 


Кафедра: КиПР

Отчет по лабораторным работам (№1-6)

Дисциплина: ФХМ

Выполнил:ст-т гр Р31-3

Петрова А. В.

Проверил: Томилин В. И.

Красноярск 2003

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССАХ

Диффузионные процессы играют большую роль в современных микроэлектронных технологиях. Они (диффузионные процессы) представляют собой проникновение атомов примеси в кристаллическую решётку (для кристаллов) вещества с вытекающим изменением электрофизических свойств. Диффузия может протекать не только в кристаллах, элементарным примером диффузионного процесса может служить растворение сахара в воде.

Существует несколько подходов к анализу диффузионных процессов (термодинамический, теория переходного состояния, Флинна и др.) каждый из них обладает своими минусами. На данный момент не существует такого подхода, который описывал бы все характеристики диффузионного процесса и в тоже время был достаточно прост в вычислении.

Каждый диффузионный процесс совершается по какому-то конкретному механизму или в нем сочетается сразу несколько механизмов возможных для данного типа кристаллической решётки. Каждый механизм можно охарактеризовать энергией активации, необходимой для его осуществления. В данном случае преобладающим будет тот механизм, который обладает минимальной энергией активации.

Для нахождения распределения примеси по объёму кристалла используются дифференциальные уравнения Фика, т.к. мы считаем, что примесь по поверхности кристалла распределена равномерно, то изменение концентрации будет происходить только в одном направлении. По этому во всех уравнениях участвует только одна координата.

В лабораторных работах нам необходимо найти глубину залегания p-n перехода. Расчеты проводятся по формуле.

Данная формула используется при расчете глубины залегания p-n перехода в полу бесконечное тело из постоянного (концентрация примеси на поверхности постоянна) источника.

diffus42.gif (1161 bytes)

Эта формула используется при расчете глубины залегания p-n перехода в полу бесконечное тело из ограниченного (концентрация примеси на поверхности убывает) источника.

Расчеты в 1-2 работе проводятся с учётом того, что температура при протекании диффузии постоянна, глубина залегания p-n перехода зависит только от времени. В 3-4 работе время берётся стандартное 24 часа глубина залегания p-n перехода зависит только от температуры.

 На практике для создания p-n перехода диффузионные процессы проводят в две стадии. Первая так называемая «загонка» это диффузионный процесс из неограниченного источника проводимый за короткое время в результате которого в тонком поверхностном слое кристалла формируется область обогащенная примесью. Во второй стадии так называемой «разгонке» эту область используют как ограниченный источник примеси. Этот диффузионный процесс проводится за достаточно длительное время (десятки часов) за которое примесь распределяется по объёму кристалла. В 5-6 работах рассчитывается профиль распределения примеси по толщине кристалла. Если выполняется условие Dзtз<Dрtр то глубина залегания примеси на стадии загонки считается бесконечно мала и расчеты проводятся по формуле

diffus41.gif (1352 bytes)

Если же это условие не выполняется то глубина залегания примеси после «загонки» считается сопоставима с глубиной залегания на стадии разгонки и расчёты проводятся по формуле

diffus44.gif (1895 bytes)


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1


Диффузия из конечного источника при постоянной температуре (T=1473K)

Цель: Изучение процессов диффузии и временной зависимости глубины залегания p-n перехода.

Исходные данные

Элемент: In

Исходная концентрация доноров C = 5,0.1011м-3

Предельная растворимость примеси N0 = 1,0.1025м-3

Константа диффузии при T=1473K, D0 = 1,40.10-003м2/c

Энергия активации: 3,89 эВ

Элемент: Fe

Исходная концентрация доноров C = 5,0.1011м-3

Предельная растворимость примеси N0 = 2,0.1016м-3

Константа диффузии при T=1473K, D0 = 6,20.10-007м2/c

Энергия активации: 0,72 эВ

Элемент: B

Исходная концентрация доноров C = 5,0.1011м-3

Предельная растворимость примеси N0 = 1,0.1027м-3

Константа диффузии при T=1473K, D0 = 1,06.10-003м2/c

Энергия активации: 3,50 эВ

Результаты расчета

Временная зависимость глубины залегания p-n перехода

Время проведения процесса t, час

Глубина p-n перехода

In

Fe

B

5

9,2744

29,176

43,586

10

13,25

42,538

62,103

15

16,322

52,991

76,391

20

18,925

61,910

88,479

25

21,225

69,837

99,156

30

23,311

77,052

108,83

35

25,233

83,725

117,74

40

27,026

89,965

126,04

45

28,712

95,850

133,85

50

30,309

101,44

141,25


Рис. 1.1

нм

 

Рис. 1.2

Рис. 1.3

Выводы: В данной лабораторной работе легирование проводилось тремя элементами: индий, железо и бор. Все три элемента диффузировали при одинаковой температуре и одинаковой исходной концентрации. В результате наибольшая глубина залегания p-n перехода (в одинаковые моменты времени) оказалась при легировании бором, а наименьшая при легировании индием.

 Такое различие глубины залегания р-n перехода можно объяснить и с  точки зрения теории атомов. Бор в таблице Менделеева стоит самый первый из данных элементов, т. е. у него самая маленькая масса атома, следовательно, проникать в полупроводник ему будет легче и значит глубина залегания р-n перехода будет больше. У индия самая большая масса атома, поэтому глубина залегания р-n перехода будет меньше.

 


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Диффузия из источника постоянной концентрации при постоянной температуре (T=1473K)

Цель: Изучение процессов диффузии и временной зависимости глубины залегания p-n перехода.

Исходные данные

Элемент In

Исходная концентрация доноров C = 5,0.1011м-3

Предельная растворимость примеси N0 = 1,0.1025м-3

Константа диффузии при T=1473K, D0 = 1,40.10-003м2/c

Энергия активации: 3,89 эВ

Элемент Fe

Исходная концентрация доноров C = 5,0.1011м-3

Предельная растворимость примеси N0 = 2,0.1016м-3

Константа диффузии при T=1473K, D0 = 6,20.10-007м2/c

Энергия активации: 0,72 эВ

Элемент B

Исходная концентрация доноров C = 5,0.1011м-3

Предельная растворимость примеси N0 = 1,0.1027м-3

Константа диффузии при T=1473K, D0 = 1,06.10-003м2/c

Энергия активации: 3,50 эВ

Результаты расчета

Временная зависимость глубины залегания p-n перехода

Время проведения процесса t, час

Глубина p-n перехода

In

Fe

B

5

4,2032

11,777

20,096

10

6,0124

17,336

28,655

15

7,4121

21,708

35,263

20

8,5982

25,449

40,855

25

9,6472

28,781

45,796

30

10,598

31,819

50,273

35

11,475

34,633

54,397

40

12,293

37,267

58,242

45

13,063

39,753

61,858

50

13,792

42,116

65,283


 


Рис.2.1

нм

 

Рис.2.2

Рис.2.3

Выводы: Так же как и в предыдущей лабораторной работе, глубина залегания p-n перехода главным образом определяется предельной растворимостью примеси, поэтому она наибольшая у бора. Наименьшая глубина залегания у индия. Но результаты данной лабораторной работы отличаются от результатов предыдущей (глубина залегания p-n перехода при одинаковых легирующих примесях во второй работе меньше). Это можно объяснить тем, что в данной лабораторной работе  легирование производится из неограниченного источника, следовательно, концентрация примеси на границе не уменьшается и требуется большее время для  перераспределения примесей по объему.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Диффузия из конечного источника при постоянном времени проведения процесса (t=24час).

Похожие материалы

Информация о работе