Физические основы микроэлектроники, конспект лекций, страница 5

	Рис. 2.3. Зонная диаграмма полупроводников: n-типа (а) и p-типа (б)

 

          Здесь ΔЕ_Д и ΔЕ_а – соответственно энергии активации (ионизации) донорной и акцепторной примеси. Необходимо отметить, что переходы электронов из зоны в зону (или на локальные примесные уровни и с них) являются обратными процесами. При повышении энергии электрон переходит либо в зону проводимости, либо на примесный уровень – происходит увеличение концентрации носителей зарядов, их генерация. Если энергия электронов уменьшается, происходит обратный процесс, который получил название рекомбинация.

          Легирование полупроводника донорной примесью, проводимая специально для превращения его в материал n-типа, или акцепторной примесью с целью превращения в материал p-типа – важнейшая технологическая операция при изготовлении полупроводниковых приборов. Особенно полезной характеристикой процесса легирования является то, что легированный кристалл можно компенсировать последующим добавлением легирующей примеси, противоположного типа. В диапазоне температур, при которых используются полупроводниковые приборы, каждый донорный атом теряет электрон, а каждый акцепторный атом приобретает электрон. Так как акцепторные атомы обеспечивают состояние при более низких энергиях, чем те, которые соответствуют зоне проводимости или донорным уровням, электроны с донорных уровней перейдут на акцепторные уровни, обладающие меньшей энергией, лишь только какие-либо из них окажутся незанятыми. Таким образом, в легированном полупроводнике эффективная концентрация легирующей примеси равна абсолютной величине между концентрациями доноров и акцепторов

N_пр=|N_Д-N_а|                                                (2.9.)

          Полупроводник имеет проводимость n-типа, если N_Д > N_а и p-типа, если N_Д < N_а. Хотя теоретически можно достигнуть нулевой эффективной концентрации легирующей примеси с помощью компенсации, такое управление концентрацией легирующих примесей технически неосуществимо. Обычно компенсирующее легирование связано с добавлением легирующей примеси, концентрация которой примерно на порядок выше, чем концентрация исходной примеси [4].

ПРИМЕР  I. ДОНОРЫ И АКЦЕПТОРЫ

          Известно, что кристалл кремния в качестве легирующей примеси содержит 10^-4 атомных процента As. Затем он равномерно легируется 3·10¹⁶. атом/см³ фосфора P и после этого равномерно легируется 10¹⁸ атом/см³ боа В. вслед за этим термический отжиг полностью активизирует все примеси. Определить тип проводимости образца кремния и концентрация основных носителей.

          Решение: Мышьяк – элемент V группы, поэтому он действует как донор. Так как кремний содержит 5·10²² атом/см³, концентрация примесей равна 10^-4 атомных процента, означает, что кремний легирован 5·10²²·10^-6=5·10¹⁶ атом/см³. Дополнительно легирование 3·10¹⁶ атом/см³ увеличивает содержание доноров в кристалле до 8·10¹⁶ атом/см³.