Изучение процесса диффузии в полупроводниках

Министерство образования Российской федерации

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра: КиПР

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

по дисциплине ФХОТ ЭС

ОТЧЕТ

Выполнил:

ст-т гр. Р__-_

ФИО_________________________

№ Зачетной книжки___________

Проверил:

ФИО_________________________

Оценка______________________

Дата________________________

Подпись_____________________

г. Красноярск

200__г.

Краткие теоретические сведенья

Диффузия в полупроводниках это процесс последовательного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движением. Для изготовления р-n переходов используется химическая диффузия примесных атомов, которые вводятся в кристаллическую решетку вещества для изменения его электрофизических свойств.
      Задачи по изучению диффузии можно разбить на три группы:

                        -изучение потоков диффундирующих частиц без анализа атомно-                      го механизма перемещения;

                        -исследование механизмов диффузии;

                        -создание на основе экспериментальных данных точных моделей,                    способных предсказывать протекание процесса диффузии путем                   теоретического анализа и определение электрических характеристик полупроводниковых приборов на основе параметров технологического процесса расчетным путем.

Для анализа диффузионных процессов применим термодинамический подход. Это возможно при учете следующих факторов:

1.движущей силой диффузионного перемещения атомов является не градиент концентрации, а градиент химического потенциала;

2.диффузионное перемещение связано с наличием в кристалле дефектов кристаллической решетки и, в первую очередь, вакансий.

 При диффузии в системе возникают потоки частиц, направленные из области с большим значением химического потенциала  в область с его меньшим значением, вплоть до установления равновесного состояния, характеризуемого равенством химических потенциалов в любой части системы.  В неравновесных процессах химический потенциал становится функцией пространственной координаты, где r - пространственная координата. Плотность потока частиц сорта пропорциональна градиенту химического потенциала и направлена в противоположную сторону:

                                  ,                                                    (1)

где       - плотность потока частиц i-го сорта;

             - коэффициент пропорциональности.

 Для диффузионных потоков справедливо уравнение:

                                                                                     (2)

где коэффициент пропорциональности, связывающий градиент концентрации диффундирующих атомов с плотностью потока, называется коэффициентом диффузии -, и не зависит от пространственных координат. Экспериментально установлено, что температурная зависимость коэффициента диффузии подчиняется закону Аррениуса:

,                                                                                    (3)

 где         - предэкспоненциальный множитель;

               -энергия активации не зависят от температуры.

Для одномерного случая можно записать, что

                   ,                                                               (4)

  где              - частота диффузионных перескоков;

 т.е. среднее число диффузионных скачков, совершаемых атомом в единицу времени; a-длина перескоков (расстояние между двумя устойчивыми состояниями);- координатное число, учитывающее тип кристаллической решетки. Частота диффузионных перескоков равна произведению частоты колебаний атомов в положении равновесия -, на вероятность перехода через барьер:

                              .                                                     (5)

 Подставляя  уравнение (1.5) в выражение (1.4), получим уравнение Аррениуса:

                                  .                                          (6)     Предэкспоненциальный множитель  называется константой диффузии.Существуют различные механизмы диффузии для различных материалов и условий. Эти механизмы зависят от типа кристаллической решетки, вида химических связей, природы диффундирующих атомов, температуры и, главным образом, наличия дефектов кристаллической структуры. Реальный кристалл содержит множество разнообразных дефектов. Согласно общепринятой классификации они подразделяются: первичные дефекты - термические (фононы), электрические (электроны на возбужденных уровнях и дырки); дефекты решетки (атомные дефекты) - точечные (вакансии междуузельные атомы, примесные атомы внедрения или замещения), а также линейные (дислокации); двумерные дефекты - границы зерен, фаз, дефекты упаковки.

При достаточно высокой температуре в металлах и полупроводниках основное значение имеют атомные дефекты и, в особенности, точечные, а также возможные их ассоциации: бивакансии и тривакансии, спаренные междуузлия, различного рода комплексы типа "вакансия - атом примеси" и т. д. При низких температурах основную роль играет диффузия по дислокациям и двумерным дефектам.

Типичными точечными дефектами являются: вакансионный точечный дефект (собственный атом в узле кристаллической решетки, вакансия); бивакансионный точечный дефект (собственный атом в узле кристаллической решетки, бивакансия); собственный междуузельный дефект (собственный атом в узле кристаллической решетки, собственный атом в междуузлии); дефект замещения (собственный атом в узле кристаллической решетки или примесный атом в узле кристаллической решетки); дефект внедрения (собственный атом в узле кристаллической решетки, примесный атом в междуузлии);

В соответствии с природой точечных дефектов различают следующие, наиболее вероятные, механизмы диффузии: простой обменный; кольцевой (циклический); междуузельный механизм; эстафетный механизм; краудионный механизм;вакансионный механизм; релаксационный механизм;

Как упоминалось ранее, процесс диффузии используется для получения р-n переходов различного назначения. И наиболее часто приходится иметь дело с процессами легирования. При этом диффузия может проводиться из бесконечного (неограниченного) и конечного (ограниченного) источника примесей. В случае, когда диффузия производится из бесконечного источника, решение уравнения диффузии имеет вид:

.                                                   (7)

И для случая, когда диффузия проводиться из конечного источника примесей:

.                                                                           (8)                                            

При создании р-n переходов различного назначения диффузионные процессы проводят обычно в две стадии. На первой стадии, стадии загонки, осуществляется низкотемпературная (700 - 1100)⁰С диффузия из источника постоянной концентрации в течение короткого времени (1 - 20) мин. В результате этого, в тонком поверхностном слое полупроводника формируется область, обогащенная примесями противоположного типа проводимости. Стадия разгонки примесей осуществляется при более высокой температуре (900 - 1200)⁰С за время (до десятков часов), когда примесииз тонкого поверхностного слоя перераспределяются по объему полупроводника

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Изучение временной зависимости глубины залегания p-n перехода при постоян-ной температуре (ограниченный источник)