CAP.4 Materiale semiconductoare.pdf

MATERIALE SEMICONDUCTOARE

249

CAPITOLUL 4


4.1 Clasificarea materialelor semiconductoare; Legătura covalentă

Pentru a stabili proprietăţile pe care le implică tehnologia dispozitivelor

semiconductoare trebuie mai întâi studiate proprietăţile şi structura internă a

materialelor cu proprietăţi semiconductoare.

Materialele semiconductoare (MS) sunt materiale a căror conductivitate

electrică se situează între conductoare şi izolatoare, aşa cum se prezintă în

fig.4.1.

Fig.4.1 Conductivitatea tipică pentru izolatori, semiconductori şi conductori.

În general, MS sunt rezistenţe neliniare şi rezistivitatea lor este puternic

influenţată de defectele existente în structura cristalină a materialelor şi de

factorii externi (tensiunea aplicată, iluminarea la care sunt supuse, temperatura

etc.), în timp ce la conductori acestea n-au practic nici o influenţă.

Coeficientul de temperatură al rezistivităţii semiconductoarelor este

negativ în domeniul de temperaturi ce interesează în tehnică, asemănându-se din

acest punct de vedere izolatorilor.

Clasificarea MS poate fi făcută după diferite criterii: chimic, fizic şi

funcţional.

În funcţie de numărul elementelor chimice care intră în structura

chimică, există MS elementare (în număr de 12, din grupa a patra a tabelului

Mendeleev: C, Si, Ge, Sn; din grupa a treia: B; din grupa a cincea: P, As şi Sb;

din grupa a şasea: S, Se, şi Te; din grupa a şaptea: I) şi MS compuse (în număr

de câteva sute, compuşi binari de tipul III-V, IV-IV, II-IV, II-V, II-VI, I-V, I-VI,

III-VI etc.; compuşi ternari de tipul I-III-V, II-IV-V, I-IV-VI, I-II-VI, IV-IV-VI

etc.; compuşi cuaternari de tipul I-IV-V-VI, CuPbAsS3; soluţii solide Ge-Si,

InAs-InSb, PbSe-PbTe etc.).


250

În funcţie de natura legăturii interatomice care stă la baza structurii lor

MS se clasifică în următoarele categorii:

- semiconductoare cu legătură covalentă direcţională, caracterizate prin

rigiditate şi duritate deosebite, cazul Si, Ge, Se, Te;

- semiconductoare cu legătură hibridă covalent-ionică, caracterizate

de gradul de ionicitate (SiC – 18%, CdS – 69%, GaAs – 32%).

Din punctul de vedere al ordinii cristaline, MS se clasifica astfel:

- S cu structură cristalină monoclinică – LiAs;

- S cu structură cristalină ortorombică – CdAs2, SnS, SnSe, Ag2Te;

- S cu structură cristalină trigonală – Bi2Se, Sb2Te3;

- S cu structură cristalină hexagonală – GaSe, ZnSb, CdSb;

- S cu structură cristalină cubică – Si, Ge, SiC, GaP, GaAs, InSb;

- S cu structură cristalină policristalină – As2Se3AsS3.

Din punctul de vedere al funcţiilor de utilizare, MS se clasifică în:

- funcţia de conducţie comandată în tensiune electrică (câmp electric);

- funcţia de conversie optoelectronică;

- funcţia de detecţie a radiaţiilor nucleare;

- funcţia de conversie electrooptică;

- funcţia de conversie termoelectrică;

- funcţia de conversie magnetoelectrică (efectul Hall şi efectul

magnetorezistiv);

- funcţia de conversie mecanoelectrică (efectul piezosemiconductor).

MS sunt utilizate la obţinerea dispozitivelor semiconductoare:

tranzistoare, diode, etc. precum şi la realizarea circuitelor integrate.

După apariţia tranzistorului (1950), germaniul era principalul material

semiconductor, dar prezenta dezavantajul curentului rezidual ridicat la

temperaturi mari pecum şi proprietăţi modeste ale oxidului de germaniu. După

1960, siliciul devine înlocuitorul practic al germaniului, datorită:

- curenţilor reziduali mult mai mici,

- proprietăţilor remarcabile ale oxidului de de siliciu,

- considerente economice (costul siliciului monocristalin destinat

dispozitivelor semiconductoare şi a circuitelor integrate este cel mai scăzut).

În ultimii ani, Si devine şi el de multe ori inutilizabil datorită limitelor de

performanţă la frecvenţe ridicate sau în domeniu optic.

Astfel, au apărut materiale semiconductoare compuse, compuşii

intermetalici: SiC, GaP, GaAs, InSb, CdS etc.

Tipurile reprezentative de reţele cristaline sunt determinate de caracterul

şi intensitatea forţelor de legătură din cristal. Legătura covalentă, ce

caracterizează şi modul de cristalizare pentru Ge şi Si (cristalizează în sistemul

cubic tip diamant), reprezintă una din cele mai puternice forţe de legătură

chimică. Particulele constituente tind să-şi formeze o configuraţie electronică

stabilă; acest lucru realizându-se de această dată prin punerea în comun a unor


251

perechi de electroni de valenţă, electronii fiind „colectivizaţi” doar parţial între

doi atomi.

Siliciul, în prezent cel mai utilizat element pentru obţinerea materialelor

semiconductoare, ca şi celelalte materiale semiconductoare pure, la care atomii

din reţeaua cristalină sunt de un singur tip, din grupa a IV-a a tabelului periodic

al elementelor, are structura sa, cu cei patru electroni de valenţă, prezentată în

fig.4.2.

Fig.4.2 Atomul de Si

La temperatura de 00K, atomii de siliciu sunt legaţi prin legături

covalente, aşa cum se prezintă în fig.4.3, la care fiecare dintre aceştia participă

cu câte patru electroni de valenţă.

Fig.4.3 Legătura covalentă

În general, rezistivitatea conductoarelor pure (sau intrinseci) este prea

mare pentru necesităţi practice.

Revenind la diagrama benzilor energetice, la temperatura de 00K,

electronii sunt plasaţi numai în banda de valenţă. Deoarece nu există electroni de

conducţie (electroni liberi), în structura materialului semiconductor nu se

generează curent electric.

Obs. Banda interzisă Fermi pentru siliciu, wi ≈ 1eV, este prea mare pentru

a permite trecerea, sub acţiunea unui câmp E, a unui număr suficient de mare de

electroni din banda de valenţă BV în banda de conducţie BC, chiar la

temperatura camerei.


252

4.2 Conducţia intrinsecă

Conducţia unui semiconductor intrinsec se poate totuşi realiza prin

promovarea unor electroni din BV în BC.

La temperaturi mai mari de 00K, o parte a energiei termice este preluată

de către electronii de valenţă, care, beneficiind de acest aport energetic, pot trece

de nivelele energetice din banda interzisă şi ajunge pe nivelele energetice din

banda de conducţie, devenind liberi să se deplaseze prin structura materialului.

Prin plecarea acestor electroni din banda de valenţă, locul ocupat iniţial de

către aceştia pe nivelul energetic din banda de valenţă devine liber, altfel spus –

gol. Acest gol poate fi ocupat de un alt electron de valenţă, fără un aport

energetic substanţial. Acest al 2-lea electron de valenţă, prin ocuparea nivelului

energetic lăsat liber de primul electron, lasă la rândul lui un nou loc liber, un nou

gol, pe nivelul energetic ocupat în banda de valenţă. Se constată astfel, o

deplasare a golurilor în banda de valenţă, motiv pentru care şi golul este un

purtător de sarcină mobil (purtător fictiv). Acest fenomen este prezentat în

fig.4.4.

Fig.4.4 Apariţia unui electron şi a unui gol de conducţie în benzile energetice

Acelaşi fenomen poate fi explicat pe baza structurii reţelei cristaline a

atomului de siliciu. La temperatura de 00K, atomii de siliciu sunt legaţi prin

legături covalente la care fiecare dintre aceştia participă cu câte 4 electroni de

valenţă. La nivelul reţelei cristaline, electronii de valenţă pot căpăta suficientă

energie astfel încât să rupă legăturile covalente în care au fost fixaţi. Prin

ruperea legăturii covalente, electronii de valenţă devin liberi (devin electroni de

conducţie) şi lasă în urmă, la nivelul atomului de unde au plecat un gol,

caracterizat printr-un un exces de sarcină pozitivă la nivelul atomului respectiv.

Din acest motiv, golul respectiv poate fi echivalat, din punct de vedere electric,

cu o sarcină electrică pozitivă fictivă. În continuare, dacă un alt electron de

Figura 4.


253

valenţă rupe o legătură covalentă, devenind liber, poate ocupa golul lăsat de

primul electron de valenţă. Acest fenomen este sugerat în fig.4.5.

Fig.4.5 Reţeaua cristalină, apariţia unui electron liber şi a unui gol

Purtătorii mobili de sarcină electrică în semiconductoare sunt

electronii de conducţie şi golurile. Deoarece aceştia sunt mobili, se pot deplasa

prin structura semiconductorului. În cazul în care deplasarea purtătorilor de

sarcină este orientată (nu este haotică), fenomen care se poate observa, de

exemplu, în cazul în care se aplică asupra semiconductorului un câmp electric,

prin structura semiconductorului se observă apariţia unor fenomene de conducţie

electrică (fenomene legate de generarea curentului electric).

În consecinţă, se poate apune că într-un semiconductor intrinsec procesul

de conducţie se realizează prin electronii din banda de conducţie şi prin golurile

din banda devalenţă, ca în fig.4.6; conducţia astfel realizată se numeşte

conducţie intrinsecă.

Fig.4.6 Conducţia în semiconductorii intrinseci

Generarea purtătorilor mobili de sarcină. Din cele prezentate mai sus

se constată că, într-un material semiconductor, purtătorii mobili de sarcină

(electroni de conducţie şi goluri) sunt generaţi prin ruperea legăturilor covalente.

În plus, se constată că prin creşterea temperaturii, numărul de electroni de

valenţă care capătă suficientă energie pentru a rupe legăturile covalente, creşte.


254

În concluzie, prin creşterea temperaturii, tot mai multe legături covalente

se rup şi astfel sunt generaţi tot mai mulţi purtători mobili de sarcină.

Mecanismul de generare a purtătorilor mobili de sarcină în

semiconductoare pe baza creşterii temperaturii se numeşte generare termică de

purtători de sarcină.

Din fenomenele descrise mai sus s-a constatat că, prin ruperea legăturilor

covalente, electronii de conducţie şi golurile sunt generaţi în perechi.

Deoarece electronii de conducţie şi golurile sunt generaţi în perechi,

concentraţiile de purtători mobili de sarcină electrică într-un semiconductor

intrinsec sunt egale. Concentraţiile de purtători mobili de sarcină electrică

într-un semiconductor se notează astfel:

n = concentraţia de electroni de conducţie,

p = concentraţia de goluri.

Valoarea comună a acestor concentraţii se numeşte concentraţie

intrinsecă şi se notează cu ni. În concluzie, pentru un semiconductor intrinsec

este valabilă relaţia:

in p n (4.1)

Fig.4.7 Variaţia cu temperatura a concentraţiei intrinseci la Si şi Ge

Concentraţia intrinsecă creşte cu creşterea temperaturii

semiconductorului. La temperatura camerei, considerată 3000K, ni are valoarea

1,451010

cm-3

pentru siliciu, respectiv 21013

cm-3

, la germaniu. În fig.4.7 se

prezintă modul în care variază cu temperatura T concentraţia intrinsecă a unui

material semiconductor din siliciu sau germaniu.


255

Recombinarea purtătorilor de sarcină. În cadrul semiconductoarelor,

pe lângă mecanismul de generare a purtătorilor de sarcină este prezent şi

mecanismul invers, care duce la dispariţia purtătorilor de sarcină. Mecanismul

respectiv se numeşte recombinare de purtători de sarcină şi este caracterizat

prin revenirea electronilor de pe un nivel energetic superior, din banda de

conducţie, pe un nivel energetic inferior, în banda de valenţă.

Revenirea în banda de valenţă a unui electron de conducţie duce atât la

dispariţia unui electron de conducţie cât şi a unui gol.

Deci, mecanismul de recombinare a purtătorilor de sarcină duce la

dispariţia în perechi a acestora.

4.3 Conducţia extrinsecă

Fenomenul de dopare constă în introducerea în materialul semiconductor

intrinsec, prin diverse procedee controlate, a unor atomi diferiţi faţă de cei din Si

sau Ge, denumiţi şi atomi de impuritate, în scopul modificării proprietăţilor

electrice ale materialului semiconductor. Un material semiconductor dopat cu

atomi de impuritate se numeşte material semiconductor extrinsec. Condiţia

necesară ca un material semiconductor să fie extrinsec este ca concentraţia de

atomi de impuritate cu care este dopat materialul semiconductor intrinsec, notată

Nimpurităţi să fie mult mai mare decât concentraţia intrinsecă ni:

impuritati iN n (4.2)

Materialele semiconductoare extrinseci sunt utilizate pentru realizarea

dispozitivelor semiconductoare: circuite integrate, tranzistoare sau diode.

Atomii de impuritate cu care se dopează materialele semiconductoare

intrinseci sunt atomi din grupele V, respectiv III, din care cei mai frecvent

utilizaţi sunt cei prezentaţi în fig.4.8.

Fig.4.8 Atomii de impuritate cu care se dopează materialele semiconductoare

În funcţie de atomii de impuritate cu care sunt dopate materialele

semiconductoare intrinseci, materialele semiconductoare extrinseci se împart în

două categorii:

- materiale semiconductoare de tip n;

- materiale semiconductoare de tip p.


256

În concluzie, semiconductorii extrinseci au banda interzisă Fermi prin

care trece nivelul wF = Ei relativ largă, astfel încât conducţia electrică este

posibilă numai prin crearea unor niveluri permise adiţionale ce rezultă prin

doparea cu atomi străini de tip donor Ed, semiconductor de tip n, ca în fig.4.9a

sau acceptor Ea, semiconductor de tip p, ca în fig.4.9b; în prezent, în tehnică se

utilizează numai semiconductori extrinseci.

Fig.4.9 Niveluri permise adiţionale de tip donor Ed (a) sau acceptor Ea (b)

în banda interzisă Fermi

Materiale semiconductoare de tip n. Pentru obţinerea acestui material

electronic, semiconductorul intrinsec este dopat cu atomi de impuritate

pentavalenţi, din grupa a V-a a tabelului periodic al elementelor chimice, care în

structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Patru

din cei cinci electroni de valenţă ai atomului de impuritate formează 4 legături

covalente cu electronii de valenţă ai atomilor de siliciu sau germaniu învecinaţi,

în timp ce al 5-lea electron de valenţă al atomului de impuritate este slab legat,

astfel că la temperatura camerei primeşte suficientă energie pentru a se

desprinde de atomul de impuritate, devenind astfel electron liber, sau electron de

conducţie, capabil să participe la fenomenele de conducţie, aşa cum este

prezentat şi în fig.4.10.

Fig.4.10 Crearea unui electron de conducţie


257

Elementele pentavalente formează niveluri donoare apropiate de banda

de conducţie ca în fig.4.11, pentru ca tranziţia să se efectueze şi la temperatura

ambiantă; conducţia electrică se realizează în acest caz prin intermediul

electronilor ajunşi în banda de conducţie, iar semiconductorii respectivi sunt

numiţi semiconductori de tip “n”; impurificarea germaniului şi siliciului pentru

obţinerea semiconductorilor de tip n se face cu fosfor, arseniu sau stibiu.

Pentru aceste elemente se prezintă în continuare poziţiile nivelelor

donoare în banda interzisă Fermi: d c dw w w . Astfel, în germaniu dw

este de: 0,012 eV pentru P, 0,0127 eV pentru As şi 0,0096 eV pentru St. Iar în

siliciu dw este de: 0,044 eV pentru P, 0,049 eV pentru As şi 0,039 eV pentru

St.

Fig.4.11 Dopare cu elemente donoare; nivelul adiţional donor Wd

Se constată că formarea electronului de conducţie nu este însoţită de

generarea unui gol.

Electronii de conducţie obţinuţi în acest mod sunt generaţi prin doparea

materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obţinere a

electronilor de conducţie, aceştia mai pot fi generaţi şi prin mecanismul de

generare termică (prin creşterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui

electron de conducţie este însoţită de generarea unui gol.

Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului

semiconductor de tip n, concentraţia de electroni de conducţie este mult mai

mare decât cea de goluri. Din acest motiv, electronii de conducţie se numesc

purtători de sarcină majoritari, iar golurile se numesc purtători de sarcină

minoritari.

Deoarece atomul de impuritate cedează acest al 5-lea electron de valenţă,

el se numeşte atom donor. În urma cedării celui de al 5-lea electron, atomul

donor devine ion pozitiv (se reaminteşte că un atom este neutru din punct de

vedere electric; prin cedarea unui electron, atomul respectiv devine ion pozitiv,

iar prin primirea unui electron, atomul respectiv devine ion negativ).

Materiale semiconductoare de tip p. Pentru obţinerea acestui material

electronic, semiconductorul intrinsec este impurificat cu atomi trivalenţi, (din


258

grupa a III-a a tabelului periodic al elementelor chimice), cum ar fi borul, galiul,

indiul, care, în structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau

germaniu. Atomul de impuritate poate participa, prin cei trei electroni de valenţă

ai săi, la formarea numai a trei legături covalente cu electronii de valenţă ai

atomilor de siliciu sau germaniu învecinaţi, lăsând electronul de valenţă al celui

de-al 4-lea atom de siliciu învecinat fără legătură covalentă, astfel se crează un

gol la nivelul atomului de impuritate respectiv.

Electronul de valenţă al celui de-al 4-lea atom de siliciu învecinat, fig.4.12

(atomul de siliciu din dreapta), poate forma o legătură covalentă cu un alt

electron de valenţă al unui alt atom de siliciu învecinat, care, prin completarea

acestei legături covalente, lasă la rândul său, în urma sa un gol.

Fig.4.12 Crearea unui gol, purtător fictiv de sarcină electrică pozitivă

Elementele trivalente utilizate ca impurităţi formează niveluri acceptoare

situate imediat deasupra benzii de valenţă ca în fig.4.13, astfel că tranziţiile se

efectuează şi la temperatura ambiantă; deoarece conducţia se realizează prin

golurile din banda de valenţă, semiconductorii dopaţi cu elemente acceptoare

sunt numiţi semiconductori de tip “p”; impurificarea germaniului şi siliciului

pentru obţinerea semiconductorilor de tip p se face cu cu bor, aluminiu, galiu,

indiu.

Fig.4.13 Dopare cu elemente acceptoare; nivelul adiţional acceptor Wa


259

Pentru aceste elemente se prezintă în continuare poziţiile nivelelor

acceptoare în banda interzisă Fermi: a a vw w w . Astfel, în germaniu

aw este de: 0,0104 eV pentru B, 0,0102 eV pentru Al, 0,0108 eV pentru Ga şi

0,0112 eV pentru In. Iar în siliciu aw este de: 0,045 eV pentru B, 0,057 eV

pentru Al, 0,065 eV pentru Ga şi 0,16 eV pentru In.

Se constată că formarea unui gol nu este însoţită de generarea unui

electron de conducţie.

Golurile obţinute în acest mod sunt generate prin impurificarea

materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obţinere a

golurilor, acestea mai pot fi generate şi mecanismul prin generare termică (prin

creşterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui gol nu este însoţită de

generarea unui electron de conducţie.

Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului

semiconductor de tip p, concentraţia de goluri este mult mai mare decât cea a

electronilor de conducţie. Din acest motiv, golurile se numesc purtători de

sarcină majoritari, iar electronii de conducţie se numesc purtători de

sarcină minoritari.

Deoarece atomul de impuritate primeşte un electron de valenţă de la un

atom de siliciu învecinat, el se numeşte atom acceptor. În urma primirii acestui

electron, atomul acceptor devine ion negativ.

Prin doparea unei zone dintr-un cristal semiconductor cu impurităţi

acceptoare şi o altă zonă separată de prima printr-o suprafaţă plană dopată cu

impurităţi donoare, se obţine joncţiunea “p-n”, care stă la baza construcţiei

dispozitivelor electronice.

4.4 Concentraţia purtătorilor mobili de sarcină în materialele

semiconductoare extrinseci

În cazul în care un material semiconductor nu este supus nici unei surse

de energie externă şi nu există variaţii în timp ale mărimilor care îl

caracterizează (de exemplu concentraţiile de purtători de sarcină) se spune că

acesta lucrează în regim de echilibru termic.

Concentraţiile de purtători de sarcină electrică la echilibru termic într-un

semiconductor se notează astfel:

n0 = concentraţia de electroni de conducţie,

p0 = concentraţia de goluri.

La echilibru termic, legătura dintre concentraţiile de purtători mobili de

sarcină dintr-un semiconductor şi diagramele energetice se poate exprima prin

relaţiile:

- concentraţia de electroni de conducţie la echilibru termic:

0 exp F ii

E En n

k T

(4.3)


260

- concentraţia de goluri la echilibru termic:

0 exp F i

i

E Ep n

k T

(4.4)

unde:

- EF este nivelul energetic din diagrama benzilor energetice, care se numeşte

nivelul Fermi la echilibrul termic şi care are o valoare constantă în tot volumul

materialului;

- Ei este nivelul energetic din diagrama benzilor energetice, care reprezintă

nivelul Fermi pentru un semiconductor intrinsec, fiind situat la mijlocul benzii

interzise;

- k este constanta lui Boltzmann;

- T este temperatura.

Din relaţiile de mai sus, rezultă că, într-un material extrinsec, legătura

dintre concentraţiile celor două tipuri de purtători mobili de sarcină electrică

este: 2

0 0 ip n n (4.5)

Această relaţie este adevărată pentru orice tip de semiconductor, cu

condiţia ca acesta să fie la echilibru termic.

În cazul materialelor semiconductoare omogene, dopate uniform cu

impurităţi, legătura dintre concentraţiile de purtători mobili de sarcină electrică

şi concentraţiile de atomi de impuritate se determină din condiţia de

neutralitate electrică a unui material semiconductor, care indică faptul că,

într-un material semiconductor aflat la echilibru termic, densitatea de sarcină

electrică din volumul semiconductorului este nulă:

0q (4.6)

unde prin q s-a notat densitatea de sarcină electrică din volumul materialului

semiconductor, aceasta fiind exprimată în [C/cm3].

Cunoaşterea valorii densităţii de sarcină electrică într-un material

electronic este deosebit de utilă în analizarea fenomenelor de conducţie sau

pentru determinarea concentraţiei de purtători de sarcină electrică din acesta.

Prin definiţie, densitatea de sarcină electrică într-un material este egală cu

produsul dintre sarcina electrică elementară, notată cu +q, respectiv –q, în

funcţie de semnul sarcinii, pozitivă, respectiv negativă şi concentraţia

purtătorilor de sarcină electrică în volumul materialului considerat, notată

generic cu Cq:

q qq C (4.7)

Sarcina electrică q se măsoară în Coulombi [C] şi este egală cu 1,6x10-19

[C], semnul depinzând de tipul sarcinii electrice: negativă pentru electroni,

pozitivă pentru goluri.

Într-un material semiconductor dopat cu atomi de impuritate, există

tipurile de purtători de sarcină, în concentraţiile specificate în Tabelul 4.1:


261

Tabelul 4.1

semnul

purtătorilor de

sarcină

purtători mobili

purtători imobili

negativi Electroni de

conducţie:

n0

Ioni acceptori:

NA*

pozitivi Goluri:

p0

Ioni donori:

ND*

Se reaminteşte că numai purtătorii mobili de sarcină electrică sunt

responsabili pentru fenomenele de conducţie din semiconductor, fiind generaţi

prin dopare şi generare termică; ionii provin din atomii de impuritate, prin

cedarea, respectiv acceptarea electronilor de valenţă.

Pe baza relaţiei (4.7) şi a Tabelului 1, rezultă că densitatea de sarcină

electrică din volumul unui semiconductor dopat cu impurităţi donoare şi

acceptoare este: * *

0 0q D Aq p q N q n q N (4.8)

Pentru ca relaţia (4.8) să fie utilă în calcule, este necesară cunoaşterea

valorilor concentraţiilor de ioni din materialul semiconductor dopat. Deoarece

procesul de dopare al semiconductorului intrinsec este controlat, concentraţiile

de atomi de impuritate se cunosc, acestea fiind notate ca mai jos:

- ND = concentraţia de atomi de impuritate donori (pentavalenţi).

- NA = concentraţia de atomi de impuritate acceptori (trivalenţi).

Ambele concentraţii se expimă în [particule/cm3].

Se poate considera că la temperatura camerei toţi atomii de impuritate

cedează, respectiv primesc electroni de valenţă, devenind ioni. Din acest motiv,

concentraţiile de ioni din materialul semiconductor dopat se pot aproxima ca

mai jos: *

*

D D

A A

N N

N N

(4.9)

Astfel, pe baza relaţiilor (4.8) şi (4.9), densitatea de purtători de sarcină

din volumul unui semiconductor se determină cu relaţia de mai jos:

0 0q D Aq p q N q n q N (4.10)

Ţinând cont de condiţia de neutralitate electrică (4.6), specifică

materialului semiconductor şi valoarea densităţii de sarcină electrică (4.10), se

poate obţine relaţia de calcul a concentraţiilor de purtători mobili de sarcină şi

concentraţiile de atomi de impuritate:

0 0 A Dp n N N (4.11)


262

Astfel, în cazul unui semiconductor dopat cu impurităţi, relaţiile (4.5) şi

(4.11) formează un sistem cu necunoscutele care reprezintă concentraţiile de

purtători mobili de sarcină din care se pot calcula valorile acestor necunoscute.

Concentraţia purtătorilor mobili de sarcină în materialele

semiconductoare de tip N. Un material semiconductor devine extrinsec dacă

concentraţia de atomi de impuritate este mult mai mare decât cea intrinsecă.

Pentru un semiconductor extrinsec de tip N, concentraţia de atomi de impuritate

respectă relaţiile:

0D i AN n si N (4.12)

Utilizând sistemul compus din relaţiile (4.5) şi (4.11), ţinând cont de

concentraţiile de atomi de impuritate şi de faptul că într-un astfel de material

n0>>p0, relaţiile de legătură dintre concentraţiile de purtători mobili de sarcină şi

concentraţiile de atomi de impuritate sunt: 2

0 0i

D

D

nn N si p

N (4.13)

Concentraţia purtătorilor mobili de sarcină în materialele

semiconductoare de tip P. Pentru un semiconductor extrinsec de tip P,

concentraţia de atomi de impuritate respectă relaţiile:

0A i DN n si N (4.14)

Utilizând sistemul compus din relaţiile (4.5) şi (4.11), ţinând cont de

concentraţiile de atomi de impuritate şi de faptul că într-un astfel de material

p0>>n0, relaţiile de legătură dintre concentraţiile de purtători mobili de sarcină şi

concentraţiile de atomi de impuritate sunt: 2

0 0i

A

A

np N si n

N (4.15)

4.5 Fenomenele de conducţie electrică din materialele

semiconductoare

Chiar şi în condiţii de echilibru termic, purtătorii de sarcină mobili se află

într-o continuă mişcare aleatorie (mişcare browniană) datorită energiei termice,

sensul mişcării fiind imprevizibil şi dictat de ciocnirile frecvente ale purtătorului

mobil de sarcină cu atomii din structura semiconductorului, aşa cum este sugerat

şi în exemplul din fig.4.14, în care se prezintă traiectoria aleatorie a unui

purtător de sarcină în structura unui semiconductor.

În condiţii de echilibru, această mişcare termică aleatorie nu dă naştere la

fenomene de conducţie. Echilibrul se poate perturba în două moduri:

- prin aplicarea asupra semiconductorului a unui câmp electric;


263

- prin neuniformizarea distribuţiei concentraţiei de purtători mobili de

sarcină electrică în volumul semiconductorului.

Fig.4.14 Traiectoria aleatorie a unui purtător de sarcină

În condiţii de echilibru, această mişcare termică aleatorie nu dă naştere la

fenomene de conducţie. echilibrul se poate perturba în două moduri:

- prin aplicarea asupra semiconductorului a unui câmp electric;

- prin neuniformizarea distribuţiei concentraţiei de purtători mobili de sarcină

electrică în volumul semiconductorului.

În ambele cazuri, purtătorii mobili de sarcină electrică vor suferi o

deplasare (mişcare) orientată, care permite apariţia fenomenelor de conducţie

electrică în structura semiconductorului. Fiecare mecanism care duce la

perturbarea echilibrului unui semiconductor permite generarea unui curent

electric. Curenţii electrici generaţi prin aplicarea asupra semiconductorului a

unui câmp electric se numeşsc curenţi de câmp (sau curenţi de drift), iar

curenţii electrici generaţi prin neuniformizarea distribuţiei concentraţiei de

purtători mobili de sarcină electrică în volumul semiconductorului se numesc

curenţi de difuzie.

Curenţii de câmp. Aplicarea unui câmp electric de intensitate E asupra

unui semiconductor, face ca purtătorii mobili de sarcină electrică să se deplaseze

orientat, în funcţie de sensul câmpului electric aplicat asupra semiconductorului,

aşa cum se sugerează în fig.4.15 în care se prezintă traiectoria unui electron

liber, orientată în sens invers sensului câmpului electric aplicat asupra

semiconductorului. Electronii se vor deplasa în sens opus direcţiei câmpului

electric iar golurile pe direcţia câmpului electric.

Ca urmare a aplicării câmpului electric asupra semiconductorului,

purtătorii mobili de sarcină electrică capătă o viteză medie pe direcţia câmpului

electric, acest fenomen purtând denumirea de drift. Viteza medie a purtătorilor

mobili de sarcină electrică este direct proporţională cu intensitatea câmpului

electric:

:

:

n n

p p

electroni v E

goluri v E

(4.16)


264

Fig.4.15 Deplasare orientată a purtătorilor la aplicarea unui câmp electric

unde: E este intensitatea câmpului electric şi se măsoară în /E V cm , vn şi

vp sunt vitezele de câmp sau de alunecare în benzi, ale purtătorilor de sarcină şi

se măsoară în /v cm s , iar n şi p se numesc mobilitatea electronului,

respectiv a golului şi se măsoară în 2cm

V s

(cm = centimetru, V = volt -

unitatea de măsură a tensiunii electrice, s = secundă).

Fig.4.16 Mobilitatea purtătorilor mobili de sarcină electrică

Mobilităţile purtătorilor mobili de sarcină electrică reprezintă o măsură a

“lejerităţii” cu care purtătorii mobili de sarcină electrică se pot deplasa orientat,

în funcţie de sensul câmpului electric aplicat, reprezentând un rezultat al

ciocnirilor purtătorilor mobili de sarcină electrică cu atomii din reţeaua cristalină

a semiconductorului. Mobilitatea purtătorilor mobili de sarcină electrică depinde

invers proporţional de temperatură şi de concentraţia totală de atomi de

impurităţi din semiconductor, situaţie prezentată în fig.4.16, în care s-a


265

considerat un material semiconductor la T=300K, din care se remarcă faptul că

golurile au o mobilitate inferioară electronilor de conducţie.

Deplasarea purtătorilor mobili de sarcină electrică la aplicarea unui câmp

electric asupra unui semiconductor generează un curent electric compus dintr-o

componentă datorată deplasării electronilor de conducţie şi o componentă

datorată deplasării golurilor.

Densităţi de curent (intensitatea de curent pe suprafaţa de arie) ale acestor

curenţi electrici sunt egale cu produsul dintre densitatea de sarcină electrică a

purtătorilor mobili de sarcină şi viteza medie de deplasare a acestoa sub acţiunea

câmpului elctric aplicat:

qJ v (4.17)

Densitatea de curent se exprimă în 2/J A cm , unde A = amper

(unitatea de măsură a curentului electric).

Ţinând cont de (4.7) şi de concentraţiile purtătorilor mobili de sarcină

electrică, densităţile curenţilor de câmp se pot defini astfel:

:

:

Cn n

Cp p

electroni J q n v

goluri J q p v

(4.18)

sau, ţinând cont de (4.16),

:

:

Cn n

Cp p

electroni J q n E

goluri J q p E

(4.19)

Densitatea totată de curent electric, datorat aplicării câmpului electric

asupra unui semiconductor, reprezintă suma densităţilor de curent electric a

celor două componente:

C n pJ q n E q p E (4.20)

Pe baza legii lui Ohm se poate defini rezistivitatea semiconductorului,

care se notează cu :

,C

Ecm

J (4.21)

şi care, pe baza relaţiei (4.21), se poate calcula cu relaţia:

1

n pq n p

(4.22)

Se defineşte conductivitatea materialului semiconductor ca inversul

rezistivităţii:

11

, cm

(4.23)


266

Pe baza relaţiei (4.22) şi a relaţiilor de calcul pentru concentraţiile

purtătorilor mobili de sarcină electrică, rezistivitatea materialelor

semiconductoare extrinseci se poate calcula cu formulele:

1_ _ ,

1_ _ ,

n

D n

p

A p

material semiconductor Nq N

material semiconductor Pq N

(4.24)

Din relaţiile (4.24) se observă că rezistivitatea unui material

semiconductor depinde invers proporţional cu nivelul de dopare cu impurităţi al

semiconductorului, iar în fig.4.17 se exemplifică această observaţie.

Fig.4.17 Variaţia rezistivitaţii semiconductorului în funcţie de dopare

Curenţii de difuzie. În cazul în care există concentraţii neuniforme de

purtători mobili de sarcină electrică în volumul unui semiconductor, aceştia au

tendinţa de a se deplasa din regiunea în care sunt în concentraţie mare spre

regiunea în care sunt în concentraţie mică, pentru uniformizare. Acest fenomen

se numeşte difuzia purtătorilor mobili de sarcină electrică. În fig.4.18, se

sugerează difuzia electronilor de conducţie din regiunea în care sunt în

concentraţie mare spre regiunea în care sunt în concentraţie mică.

Fig.4.18 Difuzia electronilor de conducţie în funcţie de concentraţie


267

Ca urmare a deplasării purtătorilor mobili de sarcină electrică în volumul

unui semiconductor, iau naştere curenţi electrici. Curenţii electrici generaţi prin

difuzia purtătorilor de sarcină se numesc curenţi de difuzie şi au două

componente, una de electroni şi una de goluri, pentru fiecare fiind definită câte o

densitate de curent conform relaţiilor de mai jos

:

:

Dn n

Dp p

electroni J q D n

goluri J q D p

(4.25)

Ca atare, fluxul J de particule de impuritate care trece în unitatea de timp

prin unitatea de suprafaţă este proporţional cu gradientul de concentraţie (prima

lege a lui Fick dedusă pentru difuzia gazelor în medii izotrope) şi unde

coeficienţii notaţi cu D se numesc coeficienţi de difuzie pentru electroni,

respectiv pentru goluri şi se exprimă în 2 /D cm s , reprezentând o măsură a

lejerităţii difuziei purtătorilor mobili de sarcină electrică, iar reprezintă

gradientul acestora; pentru concentraţii care variază după o singură direcţie x, se

poate considera că: /d dx .

Coeficienţii de difuzie D ai impurităţilor în corpul (mediul) considerat

depind de tipul atomilor ce difuzează, de natura materialului în care difuzeză,

precum şi de temperatura la care are loc procesul de difuzie.

Între coeficienţii de difuzie D şi mobilitaţile purtătorilor mobili de sarcină

electrică există următoarea relaţie de legătură:

pn

n p

DD k T

q

(4.26)

unde k, T, q au semnificaţiile deja introduse.

Coeficientul de difuzie a purtătorilor depinde de drumul liber mediu sau

mijlociu al acestora, ca şi mobilitatea. De asemenea, se precizează că purtătorii

participă la procesele de transport pe durata numită timp de viaţă mediu,

timp în care respectivii purtători parcurg prin difuzie în semiconductor o distanţă

L numită lungime de difuzie.

Între parametrii L, şi D există relaţiile:

n n nL D , pentru electroni (4.27)

şi

p p pL D , pentru goluri. (4.28)

4.6 Ecuaţiile curenţilor în semiconductoare

Pentru un semiconductor, se defineşte ca densitate totală de curent J

suma dintre densitatea curenţilor de câmp şi densitatea curenţilor de difuzie,

generaţi de deplasarea electronilor şi densitatea curenţilor de câmp şi densitatea

curenţilor de difuzie generaţi de deplasarea golurilor:


268

Cn Dn Cp Dp n pJ J J J J J J (4.29)

Densitatea de curent totală are o componentă de câmp şi o componentă de

difuzie, ambele componente incluzând câte o componentă de electroni şi una de

goluri:

_ _ :

_ _ :

n n n

p p p

componeta de electroni J q n E q D n

componenta de goluri J q p E q D p

(4.30)

4.7 Dependenţa de frecvenţă a conductivităţii electrice

a materialelor semiconductoare

Un material semiconductor se comportă în câmp electric ca un material

dielectric cu pierderi prin conducţie relativ ridicate, întrucât limita inferioară a

conductivităţii materialului semiconductor este egală cu limita superioară a

conductivităţii unui material dielectric: =10-8

[S/m]. În materialul

semiconductor, deoarece pierderile prin conducţie sunt preponderente, cele prin

polarizare se pot neglija.

Schema echivalentă a unui condensator cu material semiconductor între

armături este identică cu cea a condenstorului cu polarizare de deplasare şi

pierderi prin conducţie, prezentată în paragraful §. 3.4.2 şi reprodusă în

fig.4.19a.

Fig.4.19 Schemele echivalente ale unui condensator cu semiconductor (a) şi

cea corespunzătoare unităţii de volum a materialului semiconductor (b);

Dependenţele de frecvenţă a componentelor conductivităţii complexe (c, d)

Admitanţa condensatorului cu material semiconductor, având suprafaţa S,

a armăturilor şi distanţa d între ele, conform schemei echivalente, are expresia:

0

1r

p

Y j Cr

, (4.31)


269

unde: p

dr

S este rezistenţa de pierderi prin conducţie, iar 0

0

SC

d

este

capacitatea condensatorului cu aceleaşi dimensiuni, dar având aer între armături.

Considerând mărimile cu variaţie sinusoidală în timp, reprezentate în

complex simplificat, pentru o tensiune expU U j t , aplicată armăturilor,

se stabileşte un curent: I Y U şi un câmp /E U d între armături.

Relaţia (4.31) obţine forma:

0/ / r

S SY I U JS Ed j

d d , (4.32)

unde: J , este densitatea de curent, iar conductivitatea s-a considerat mărime

complexă, întrucât în regim nestaţionar, datorită anizotropiei materialului sau a

frecvenţelor ridicate, liniile densităţii de curent J E şi ale curentului

I J S sunt diferite de liniile câmpului electric E .

Relaţia (4.32), corespunzătoare unităţii de volum a materialului

semiconductor, are expresia în complex simplificat:

0 rJ j E (4.33)

Densitatea de curent /J I S este curentul electric care străbate unitatea

de suprafaţă a semiconductorului, iar intensitatea câmpului electric: /E U d ,

este tensiunea electrică distribuită pe unitatea distanţei dintre armături sau a

grosimii semiconductorului. Termenul al doilea al relaţiei (4.33), s-a introdus

pentru a caracteriza comportarea dielectrică a materialului semiconductor, iar

primul termen este asociat proprietăţii de conducţie a materialului

semiconductor.

Comportarea semiconductorului în regim nestaţionar poate fi descrisă prin

aceleaşi expresii ca şi în regim staţionar, constanta de timp de relaxare fiind însă

o mărime complexă:

0

01 j

, (4.34)

unde: 0 reprezintă constanta de timp de relaxare pentru regimul staţionar.

Expresia conductivităţii complexe este similară expresiei (4.34):

20

1n p

n p

n pe

j m m

, (4.35)

unde: 0 este conductivitatea în regim staţionar.

Cu relaţia (4.35), relaţia (4.33) obţine forma:


270

00 0

0 0

1

11r rJ j E j E

jj

(4.36)

Schema echivalentă corespunzătoare unităţii de volum a materialului

semiconductor este reprezentată, conform relaţiei (4.36), în fig.4.19b şi este

compusă din rezistenţa unitară 01/ur , capacitatea unitară 0u rC şi

inductivitatea unitară: 0/uL . Schema echivalentă pune în evidenţă

apariţia rezonaţei la frecvenţa:

0

0

0

0

1 1 1

222

r

ru ur

fL C

, (4.37)

care are valori în domeniul microundelor.

Relaţia (4.35) poate fi scrisă sub forma:

00 0 0

2 2 2

1

1 1 ( ) 1 ( ) 1 ( )

jj

j

(4.38)

Utilizând relaţiile (4.33) şi (4.38), din relaţia:

' ''j (4.39)

rezultă prin identificare expresiile componentelor conductivităţii complexe a

materialului semiconductor în funcţie de frecvenţa câmpului electric aplicat:

0

2'

1

, (4.40)

00 2

''1

r

(4.41)

Dependenţele de frecvenţă, la temperatura mediului ambiant, ale

componentelor conductivităţii (partea reală) şi (partea imaginară)

normate sunt reprezentate în fig.4.19c,d. Interacţiunile purtătorilor de sarcină cu

impurităţile ionizate şi cu fononii sunt predominante.

4.8 Factorii care influenţează proprietăţile semiconductoare

Influenţa impurităţilor. Creşterea gradului de impurificare prin dopare

sau accidental (impurităţi necontrolate) determină creşterea conductivităţii

semiconductorilor. Impurificarea necontrolată afectează negativ caracteristicile

funcţionale ale semiconductorului respectiv şi de aceea trebuie evitată în

procesul de fabricare.


271

Influenţa temperaturii. Odată cu creşterea agitaţiei termice a particulelor,

creşte numărul electronilor din banda de conducţie şi al golurilor din banda de

valenţă, şi deci creşte conductivitatea totală a semiconductorului; spre deosebire

de metale, în domeniul temperaturilor uzuale rezistivitatea semiconductorilor

scade pe măsură ce temperatura creşte, fig.4.20.

Fig.4.20 Infleunţa temperaturii asupra Fig.4.21 Efectul Hall în semiconductori

conducţiei semiconductorilor şi metalelor

Influenţa câmpului electric. Probabilitatea de tranziţie a electronilor de

pe nivelurile donoare (sau din banda de valenţă) creşte odată cu creşterea

intensităţii câmpului electric, ceea ce conduce la creşterea conductivităţii

electrice. În cazul câmpurilor electrice foarte intense, poate avea loc trecerea în

avalanşă a electronilor în banda de conducţie, adică străpungerea

semiconductorului care devine inutilizabil datorită efectului distructiv al

străpungerii. Anumiţi semiconductori prezintă fenomenul de luminiscenţă sub

acţiunea câmpului electric datorită unor tranziţii cu efect radiativ în domeniul

spectrului vizibil.

Influenţa câmpului magnetic. Acţiunea câmpurilor magnetice exterioare

se manifestă prin efectul Hall şi efectul magnetostrictiv. Efectul Hall constă în

apariţia unei tensiuni electrice UH între feţele laterale ale unei plăci

semiconductoare de grosime d parcursă de curentul I şi situată într-un câmp

magnetic de inducţie B, perpendicular pe placă, fig.4.21,

Tensiunea UH are valoarea:

HH

R BIU

d , (4.42)

unde RH este constanta Hall a semiconductorului respectiv; generatoarele Hall

construite pe baza acestui efect au aplicaţii în măsurarea câmpului magnetic, a

intensităţii curentului electric etc.

Efectul magnetostrictiv în general constă în modificarea dimensiunilor unui corp

sub acţiunea unui câmp magnetic; efectul magnetostrictiv la semiconductoare

este mai redus decât în cazul unor metale.


272

Influenţa radiaţiilor. Lumina sau a alte radiaţii acţionează asupra

semiconductorilor prin creşterea energiei purtătorilor de sarcină, ceea ce poate

avea următoarele efecte:

- efect fotoelectric manifestat prin smulgerea unor electroni din suprafaţa

materialului (fotocatozi);

- efect fotoconductiv manifestat prin creşterea conductivităţii electrice;

- efect fotovoltaic manifestat prin apariţia unei tensiuni electromotoare la

joncţiunea p-n dintre două semiconductoare;

- luminiscenţă ce se manifestă îndeosebi la acţiunea radiaţiilor cu energii

mai mari (ultraviolete sau Röentgen).

Influenţa solicitărilor mecanice. Solicitările mecanice produc

modificarea distanţelor interatomice în reţeaua cristalină, ceea ce are ca efect

modificarea rezistivităţii corpurilor.

Fig.4.22 Fenomenul piezoelectric în cristale

În cazul unor cristale semiconductoare prin deformarea reţelei cristaline corpul

se polarizează electric şi produce o tensiune electromotoare, efect numit

piezoelectricitate. Pentru exemplificare în fig.4.22 se prezintă cazul unei reţele

cristaline în care în absenţa solicitărilor mecanice ionii formează triplete ABC

simetrice, cu moment electric nul; prin solicitarea cu forţe F, reţeaua se

deformează, se modifică ungiurile legăturilor şi suma momentelor electrice nu

mai este nulă, adică se produce polarizarea electrică. Efectul piezoelectric este

utilizat la construirea traductoarelor mecano-electrice şi a generatoarelor de

ultrasunete.

Din analiza factorilor care influenţează proprietăţile semiconductoare se

deduc cu uşurinţă şi funcţiile materialelor semiconductoare:

- funcţia de conducţie comandată în tensiune;

- funcţia de conversie opto-electronică;

- funcţia de detecţie a radiaţiilor nucleare;

- funcţia de conversie electro-optică;

- funcţia de conversie termo-electrică;

- funcţia de conversie magneto-electrică;

- funcţia de conversie mecano-electrică.


273

4.9 Tehnologia materialelor semiconductoare

Realizarea dispozitivelor semiconductoare şi a circuitelor integrate

comportă mai multe etape tehnologice:

- obţinerea unui material semiconductor policristalin cu puritatea necesară

pornind de la compuşi chimici ai acestuia;

- realizarea unor lingouri monocristaline (de formă cilindrică cu diametre

de ordinul a 100-200 mm) dopate uniform, având puritate înaltă;

- tăierea lingourilor în plachete (wafer) cu grosimi de ordinul a 300 μm, şi

marcarea acestora ( pentru a putea distinge tipul de conductivitate, doparea);

- prelucrarea plachetelor prin metode litografice combinate cu procedee

de impurificare selectivă şi controlată (pentru a obţine joncţiuni în diferite zone

ale plachetei) pentru a obţine simultan mai multe dispozitive (sau circuite

integrate) pe o aceeaşi plachetă;

- tăierea plachetelor în "structuri" componente după ce acestea au fost

testate funcţional şi marcate cele defecte;

- încapsularea structurilor şi marcarea acestora.

În fig.4.23 sunt exemplificate simplificat etapele principale în tehnologia

siliciului pornind de la lingoul monocristalin, realizarea structurilor şi

încapsularea acestora.

Fig.4.23 Etape tehnologice parcurse pentru obţinerea circuitelor integrate

Obţinerea unui material semiconductor plecând de la compuşi ai acestuia,

implică:

- obţinerea pe cale chimică a materialului semiconductor de puritate

metalurgică (de exemplu pentru Si, MGS – metalurgical grade silicon) din

compuşi naturali;

- purificarea chimică prin care se obţine materialul de puritate tehnică;

- purificarea fizică prin care se ajunge la puritatea necesară (EGS –

electronic grade silicon, consumul mondial de EGS este în prezent de cca 5000

tone/an);

- obţinerea materialului sub formă de monocristal cu o densitate redusă a

defectelor de structură.


274

4.9.1 Metoda cristalizării directe (procesul de solidificare „normală”)

În această metoda tot materialul este topit iniţial şi apoi răcit gradat,

unidirecţional; în fig.4.24 este prezentat un lingou orizontal "străbătut" de la

stânga la dreapta de un front de solidificare, FS.

Se presupune că:

• difuzia impurităţilor din lichid în solid este neglijabilă;

• coeficientul de segregaţie este constant;

• modificările de densitate în cursul solidificării sunt nesemnificative.

Fig.4.24 Determinarea concentraţiei de impurităţi în lingoul semiconductor

în urma cristalizării directe

4.9.2 Metoda tragerii din topitură (Czochralsky-CZ)

Metoda CZ este practic una din cele mai utilizate metode de obţinere a

monocristalelor. Procedeul a fost folosit prima dată în 1918 şi a fost permanent

perfecţionat. Procesul de tragere CZ este arătat schematic în fig.4.25. Instalaţia

de tragere este formată, în principal din trei componente principale:

- cuptorul care include un creuzet aşezat pe un susceptor din grafit, un mecanism

de rotaţie, un element de încăzire şi o sursă de alimentare;

- mecanismul de tragere care include o mandrină pentru germene (sămânţă), o

sursă de gaz (cum ar fi de exemplu argonul);

- procesul este controlat în întregime de un sistem electronic cu microprocesor

care menţine parametrii de lucru (cum ar fi temperatura, diametrul lingoului tras,


275

vitezele de rotaţie ale mandrinei şi creuzetului etc.) în limite optime pentru

calitatea cristalului.

Fig.4.25 Instalaţie de tragere din topitură; Metoda Czochralsky

Iniţial, policristalul este topit în creuzet (4) cu ajutorul bobinelor de

radiofrecvenţă (5). Instalaţia este plasată într-o "cameră de creştere" (nefigurată)

în care presiunea este scăzută (pint ~ 10-5Torr) sau este umplută cu gaz inert

(argon) sau hidrogen.

În mandrină portgermene (1) se fixează un monocristal (germene) cu o

anumită orientare. Acesta este coborât (odată cu mandrina) până când germenele

atinge topitura. Din acest moment mandrina este trasă cu viteză constantă. Pe

timpul tragerii, mandrina se roteşte simultan cu creuzetul dar în sensuri şi cu

turaţii diferite în scopul uniformizării temperaturii la interfaţa solid lichid (3).

Cristalul cilindric obţinut prin tragere "copiază" modul de aranjare al atomilor

germenului, diametrul acestuia depinzând de parametrii procesului. Un

termocuplu (6) ataşat la creuzet permite micşorarea puterii de încălzire pe

măsura tragerii (deoarece scade cantitatea de material topit şi temperatura la

interfaţă trebuie să rămână constantă).

Metodele recente utilizează un control automat riguros al diametrului,

reglând dinamic cu precizie parametrii procesului. Pentru Si (unul dintre cele

mai utilizate materiale semiconductoare) apar probleme datorită reactivităţii

ridicate a acestui material în stare topită, existând posibilitatea de a se contamina

prin reacţie cu creuzetul (din silice).


276

Astfel pot apare concentraţii relativ importante de oxigen (în principal)

care produc microdefecte de structură pe durata creşterii şi a tratamentelor

ulterioare; în plus există pericolul contaminării cu carbon (de la susceptorul de

grafit al creuzetului şi de la elementele de încălzire).

În cazul compuşilor intermetalici unul din componenţi poate fi mai volatil

şi astfel, nepăstrându-se proporţia între atomii din topitură cristalul va avea

defecte de structură. Pentru a evita aceste neajunsuri se folosesc variante

modificate ale procesului de tragere.

4.9.3 Metoda tragerii Czochralsky pentru materiale

semiconductoare compuse

În principiu, pentru ca metoda CZ să aibă rezultate bune, materialul

trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

- punct de topire convenabil;

- conductivitate termică ridicată;

- vâscozitate scăzută;

- presiune de vapori scăzută; lipsa tranziţiilor de fază între temperatura de topire

şi temperatura ambiantă.

Materialele semiconductoare elementare la temperatura de topire prezintă

presiuni scăzute de vapori. Dimpotrivă, materialele compuse conţin constituienţi

care se pot evapora cu uşurinţă din topitură dacă nu sunt luate precauţii speciale.

Din acest motiv s-au dezvoltat tehnici speciale de creştere (LEC - liquid

encapsulated CZ, tragere magnetică CZ, reactor Bridgman orizontal etc). Toate

aceste metode impun o creştere într-un sistem închis.

În fig.4.26 sunt prezentate trei variante ale metodei CZ. Prima metodă

foloseşte un tub închis (folosit iniţial pentru GaAs şi InAs şi dezvoltat ulterior şi

pentru alţi compuşi). Cu ajutorul unui magnet exterior reactorului şi a unei piese

polare interioare este trasă mandrina portgermene.

Fig.4.26 Variante ale metodei de tragere pentru compuşi semiconductori binari


277

În cazul GaAs, stoechiometric, As reprezintă componenta volatilă. Este

necesar a adăuga în topitură o cantitate suplimentară bine determinată de As care

evaporându-se creează la temperatura de lucru o presiune parţială a As în reactor

la nivelul presiunii maxime care opreşte (din momentul stabilirii) evaporarea As,

menţinându-se echilibrul între cei doi componenţi ai materialului. Complicaţiile

legate de tubul închis sunt rezolvate de varianta tubului semiînchis în care

semireactorul superior este etanşat prin topitură materialului ce reprezintă

componenta volatilă. Principiul este asemănător.

În cazul în care presiunea de vapori este prea mare (de exemplu pentru

GaP presiunea necesară a P este în jur de 35 atm) primele două metode sunt

înlocuite de o a treia: LEC. În această variantă componenta volatilă este

împiedicată să se evapore (păstrând astfel proporţia celor două componente)

printr-un lichid "încapsulat" în prezenţa unei presiuni importante (30) de gaz

neutru în reactor. Metoda este larg folosită pentru materiale A III-B V.

Procesul este monitorizat cu un sistem de televiziune iar cristalul care

creşte este controlat cu raze X (inclusiv diametrul lingoului).

4.9.4 Metoda zonei flotante

Cu toate că metoda CZ este versatilă (materiale semiconductoare,

conductoare, organice, disociabile şi chiar refractare) şi conduce la cristale de

calitate, pentru a evita contaminarea topiturii datorită creuzetului au fost

dezvoltate (în particular pentru siliciu) tehnici „fără creuzet”.

Metoda zonei flotante este o alternativă a tragerii Czochralski. Instalaţia

este prezentată schematic în fig.4.27.

Procesul este iniţiat prin topirea zonei inferioare a barei monocristaline cu

ajutorul bobinelor de radiofrecvenţă.

Zona topită (menţinută prin tensiuni superficiale) este adusă în contact cu

gemenele monocristalin (orientat într-un anumit fel), după care bobinele de

încălzire încep să urce cu viteză constantă.

Cele două zone solide ale lingoului se rotesc în sensuri diferite

uniformizând topitura.

Atmosfera "protectoare" în care se desfăşoară procesul este importantă

deoarece aceasta este o cale de impurificare necontrolată. Se preferă folosirea

unor gaze (H2, inerte) în locul vidului pentru a evita condensarea siliciului

evaporat din topitură pe pereţii reactorului.

Metoda FZ poate fi folosită şi pentru purificarea fizică prin topire zonară

sau pentru doparea uniformă a lingoului monocristalin (dacă procesul se

desfăşoară în atmosfera unui gaz purtător cu impurităţi introduse controlat).

În general puritatea materialului semiconductor (nedopat) obţinută prin

FZ este superioară celei obţinute prin metode de tragere CZ (în urma căreia sunt

posibile impurificări necontrolate semnificative ca de exemplu oxigen, carbon,

bor sau alte materiale metalice în cazul siliciului). Din acest motiv pentru


278

aplicaţii care implică rezistivităţi mari FZ devine preferabilă, putând fi obţinute

pentru siliciu rezistivităţi în domeniul 10-200 ... 30.000 Ω.cm.

Fig.4.27 Instalaţie de tragere verticală folosită în metoda zonei flotante

Metoda FZ este în general mai scumpă decât CZ şi nu poate realiza cu

aceeaşi uşurinţă lingouri de diametre mari (150 - 200 mm) ca în cazul CZ. De

asemenea de-a lungul lingoului FZ pot apare variaţii de rezistivitate mai mari

decât în cristalele CZ. Acestea pot fi în general eliminate prin "NTD" (neution

transmutation doping). Prin această metodă, cristalele FZ de mare rezistivitate

sunt plasate într-un reactor nuclear şi expuse unui flux de neutroni termici.

Prin controlul fluxului apare în lingou o dopare uniformă cu P la nivelul

necesar. Materialul FZ NTD este apoi tratat termic pentru restabilirea reţelei

cristaline alterată prin bombardamentul neutronic.

Pentru materialele semiconductoare cu rezistivitate redusă metoda este

neatractivă datorită costului şi performanţelor mai modeste.

4.9.5 Metoda de creştere prin depunere chimică

din faza de vapori (CVD)

CVD este o metodă puternică în tehnologia actuală. Ea permite:

- realizarea unor straturi epitaxiale la temperaturi (θce) inferioare temperaturii

de topire (θt);

- controlul relativ simplu al grosimii stratului epitaxial şi a dopării (uniforme) a

acestuia;


279

- perfecţiune cristalină ridicată a stratului (mai ales în varianta homoepitaxială);

- folosirea unor presiuni "rezonabile" în reactor (0.1-3 atm) evitând dificultăţile

tehnologice pentru producerea unui vid înaintat;

- creşterea unor straturi compuse (mulţi component).

Există sigur şi unele dezavantaje legate de:

- complexitatea fazei de vapori; «urme ale gazului purtător în stratul depus;

- reacţii chimice nedorite; interdifuzii strat - substrat; autodopare;

- echipamentul CVD se poate realiza în diferite variante de reactoare: verticale,

orizontale, Barrel, Pancake, etc. în funcţie de tipul epitaxiei şi productivitatea

necesară.

În general, trebuie asigurate:

- încălzirea uniformă a plachetelor;

- răcirea pereţilor reactorului cu aer sau apă de răcire.

Fig.4.28 Reactor pentru creştere epitaxială a straturilor dopate de siliciu

Doparea poate fi realizată înglobând în gazul purtător specii dopante

(fig.4.28) cum ar fi diboran B2H6 (gaz), pentru B în siliciu sau fosfină (PH3),

arsină (AsH3) pentru dopanţi de tip n cum ar fi fosfor respectiv arseniu.

4.9.6 Metoda MOVPE pentru InGaAsP

Această metodă foloseşte compuşi metal organici pentru epitaxie din faza

de vapori. Aceşti compuşi, fierb la temperaturi joase şi au presiuni de vapori

extrem de scăzute. Schiţa instalaţiei este prezentată în fig.4.29. Pe un suport de

grafit la o temperatură în domeniul 550-7000oC sunt dispuse plachetele din InP

în reactorul de epitaxie. Pentru Ga şi In sunt folosiţi doi compuşi metalorganici

(MO) prin care trece gazul purtător (H2 sau He). Compuşii MO utilizaţi sunt

TMIn şi TMGa.


280

Viteza de creştere poate fi cuprinsă între 1 şi 10 micrometru/oră, mult mai

mică decât vitezele obişnuite, depinzând de viteza gazului, presiunea din reactor

şi presiunea de vapori a compusului MO. Această valoare redusă permite

controlul riguros al grosimii straturilor.

Metoda MOVPE a fost folosită cu succes pentru realizarea structurii

cristaline a LED-urilor cu emisie în albastru.

Fig.4.29 MOVPE pentru realizarea uniu compus semiconductor ternar InGaAsP

4.9.7 Metoda de dopare selectivă şi controlată

a materialelor semiconductoare

Cea mai folosită metodă este difuzia. Difuzia este un proces prin care o

specie atomică neuniformă distribuită într-un anumit spaţiu, se deplasează

pentru a realiza o distribuţie uniformă în acel spaţiu.

Procesul de difuziune are două etape importante:

- predifuzia (difuzia din sursa finită de impurităţi), prin care se introduce

superficial, în placheta semiconductoare o cantitate bine determinată de atomi de

impuritate;

- difuzia propriu-zisă (difuzia în sursă constantă) care realizează o redistribuire

„convenabilă” a impurităţilor predifuzate.

Predifuzia se desfăşoară într-un reactor în care, într-un gaz purtător se

introduc (din sursă solidă, lichidă sau prin reacţie chimică de suprafaţă)atomi de

impuritate a căror presiune parţială (în gaz) depăşeşte o valoare ce ar corespunde

solubilităţii maxime a impurităţii în materialul semiconductor la temperatura de

lucru.

Difuzia propriu-zisă urmează predifuziei (sau unei operaţii de implantare

ionică prin care, superficial, a fost introdusă o anumită cantitate de dopant).

Difuzia propriu-zisă se desfăşoară în atmosferă oxidantă şi lipsită de

impurităţi într-un reactor de difuziune. Oxidul ce se formează împiedică alte

impurităţi să intre în plachetă şi le păstrează pe cele deja introduse.


281

4.9.8 Echipamentul de implantare ionică

Implantarea ionică este un proces prin care ionii dopanţi sunt introduşi

direct într-un substrat (prin bombardament ionic) după ce în prealabil au fost

acceleraţi, căpătând energii între 10-200 KeV10.

Tehnologia de implantare trebuie să permită:

- introducerea unei cantităţi exacte (specifice de impurităţi);

- speciei dopante să ajungă în locurile şi la adâncimea necesară în substrat;

- activarea electronică a ionilor implantaţi;

- modificarea minimă a structurii cristaline a substratului în timpul procesului

de implementare.

Echipamentul de implantare (implantoarele), sunt practic cele mai

complexe sisteme folosite în fabricarea circuitelor integrate pe scară largă, VLSI

(fig.4.30).

Fig.4.30 Reprezentare schematică a unui echipament de implantare ionică

Ele conţin mai multe sisteme:

- sursa de alimentare cu dopant – care conţine speciile ce vor fi implantate; cei

mai comuni ioni folosiţi pentru implantare în siliciu sunt B, P şi As; sursele

preferate sunt gazoase, astfel încât se folosesc compuşi ai acestor dopanţi; o

valvă reglabilă permite alimentarea cu un astfel de gaz a sursei de ioni;

- sursa de ioni – cu sursa proprie de alimentare şi pompă de vid ce permite

ionizarea gazului furnizor de ioni dopanţi producând plasmă cu presiune redusă

10-3

Torr; în sursă ionii sunt formaţi fie prin ciocnire cu electronii produşi

printr-o descărcare în arc fie produsă prin emisia termică a unui catod fierbinte

(de tip Freeman – în implantoare de curent mediu);

- extractor de ioni şi dispozitiv de analiză – prin care sunt selectaţi anumiţi ioni

în funcţie de masa lor.


282

4.10 Tehnologii de realizare a componentelor active

4.10.1 Tehnologia realizării joncţiunilor semiconductoare

a. Realizarea joncţiunilor prin metoda alierii

Alierea constă în acoperirea unei părţi din suprafaţa elementului sau

aliajului semiconductor cu elementul sau aliajul de impurificare şi încălzirea

sistemului peste temperatura de topire a elementului impuritate, cu condiţia ca

această temperatură să fie mult mai mică decât temperatura de topire a

semiconductorului. La răcire se vor separa cristalele de material semiconductor

saturate cu elemente de impuritate.

Avantaje: a fost cea mai răspândită metodă de realizare a joncţiunilor:

- uşurinţa ataşării contactelor ohmice;

- obţinerea unor joncţiuni abrupte;

- posibilitatea organizării unor producţii automatizate.

Dezavantaje (inconvenienţe):

- se realizează greu joncţiuni uniforme pe suprafeţe mari;

- procesul de impurificare nu poate fi perfect controlat.

Obs. Dispozitivele realizate prin aliere acoperă puterile de disipaţie mari

şi pot fi utilizate la frecvenţe de până la 30 MHz.

b. Realizarea joncţiunilor prin metoda difuziei

În tehnologia dispozitivelor semiconductoare discrete şi a circuitelor

integrate, procesul difuziei termice reprezintă unul dintre cele mai importante

procese folosite în scopul realizării joncţiunilor p-n, rezistorilor, regiunilor şi

peliculelor izolatoare în circuitele integrate.

Prin difuzia atomilor străini (impurităţilor) într-un corp solid oarecare se

înţelege transportul acestor impurităţi din regiunea corpului în care concentraţia

impurităţilor este mai mare, spre regiunile în care această concentraţie este mică.

Acest transport este deci condiţionat de existenţa unui gradient de

concentraţie (prezentat mai sus) şi se face sub acţiunea căldurii.

Metoda difuziei, unde dintr-o atmosferă de vapori impurităţile trivalente

sau pentavalente difuzează în semiconductorul aflat în stare solidă, se realizează

în practică cel mai adesea prin două procedee:

- difuzia dintr-o sursă constantă (cu rezervă constantă) de impurităţi;

- difuzia atomilor provenind din sursă finită.

În metoda difuziei profilul şi concentraţia impurităţilor pot fi mai bine

controlate în raport cu metoda alierii prin topire; adâncimea de pătrundere este

proporţională cu timpul de expunere iar concentraţia scade aproximativ

exponenţial cu acâncimea de pătrundere.

Dispozitivele obţinute prin difuzie atomică sunt cele mai reproductibile,

caracteristicile de produs variind pe lot până la 3-5%; aceste dispozitive pot fi

utilizate până la 300 MHz.


283

c. Realizarea joncţiunilor prin epitaxie

Prin epitaxie, în sensul larg al cuvântului, se înţelege creşterea orientată a

straturilor subţiri sau monocristalelor pe suporturi cristaline sau necristaline.

Impurificarea semiconductorului prin epitaxie constă în crearea pe

semiconductor, prin depunere din fază gazoasă sau prin evaporare în vid, a unui

strat de semiconductor monocristalin, strat care păstreză orientarea cristalină a

semiconductorului iniţial.

Avantajele metodelor epitaxiale constă în posibilitatea realizării cu

precizie a unor atraturi impurificate de grosimi mici şi eliminarea operaţiilor de

şlefuire, decapare şi spălare a plăcilor semiconductoare, operaţii necesare la

impurificarea prin alte metode.

Dispozitivele obţinute prin creştere epitaxială se caracterizează prin

secţiuni mari, respectiv curenţi I şi puteri de disipaţie Pd mari (0,5-30 W); se

utilizează în deosebi la joasă frecvenţă până la 0,3 MHz.

Dezavantaj, dificulatea realizării unor straturi uniforme pe suprafeţe mari,

de unde şi o slabă reproductibilitate; deviaţia caracteristicilor de produs în cadrul

unui lot poate fi mai mare de 50%.

d. Realizarea joncţiunilor prin implantare ionică

Impurificarea controlată a corpurilor solide prin implantare ionică

utilizează fascicule electronice şi ionice.

Prin implantare ionică, impurităţile necesare sunt introduse liniar, direct în

monocristalul semiconductor prin reglarea precisă a parametrilor fasciculului,

precum şi timpul de iradiere; se poate regla adâncimea de dopare, gradul de

impurificare, se pot efectua dopări succesive etc.

În acelaşi timp se poate stabili riguros traiectul şi configuraţia regiunilor

active din circuitul integrat fără a apela la măşti, iar datorită faptului că

fasciculul pătrunde liniar în material, apariţia impurificărilor laterale este practic

exclusă, fapt care duce la mărirea frecvenţei de lucru a dispozitivelor obţinute.

4.10.2 Diode redresoare

Varianta cea mai uzuală este dioda p+pn+.

Etapele de realizare ale acestei diode sunt:

- realizarea structurii;

- protecţia suprafeţei joncţiunii;

- realizarea contactelor termice şi electrice;

- protecţia climatică;

- sortarea;

- controlul de calitate şi de recepţie.

Structura redresoare se realizează pe siliciu monocristalin ai cărui

parametrii (rezistivitate, densitate de dislocaţii, timp de viaţă al purtătorilor

minoritari, dopare iniţială) sunt aleşi în concordanţă cu parametrii diodei ce

urmează a fi realizate.


284

Monocristalul este apoi tăiat în plachete, după anumite direcţii şi este

rodat pentru a se obţine planeitatea, paralelismul şi grosimea necesară. Etapele

de obţinere ale structurii pentru o diodă dublu difuzată sunt prezentate în

fig.4.31.

Fig.4.31 Etape de realizare ale unei diode redresoare dublu difuzate de putere

Pentru diodele de mică putere se folosesc pentru contactare aliaje pe bază

de plumb, după ce în prealabil pe feţele dezoxidate ale plachetei s-au depus

succesiv un strat de nichel şi unul de aur.

Pentru diodele de putere contactul dintre structură şi contraelectrozii de

molibden pe zonele n+ şi p+ se realizează prin alierea superficială a siliciului cu

aluminiu. Încapsularea structurii trebuie să permită contactarea electrică şi nu în

ultimul rând transferul de căldură de la joncţiune în mediul ambiant. În plus,

trebuie evitată contaminarea suprafeţei joncţiunii, trebuie protejată structura de

eforturi mecanice exterioare sau de şocuri termice.

Sortarea diodelor se face fie, pe caracteristica directă(tensiunea directă

pentru curentul direct respectiv maxim, testarea curentului de suprasarcină

garantat) fie pe cea inversă (măsurarea tensiunii de străpungere prin avalanşă şi

a curentului invers).


285

4.10.3 Tranzistorul MOS cu dublă difuzie (DMOS)

Performanţele de înaltă tensiune ale tranzistoarelor MOS pot fi

îmbunătăţite mărind lungimea canalului şi introducând o rezistenţă serie pe

canal care să preia tensiunea mare drenă-sursă. Acest deziderat se poate realiza

folosind proprietăţile difuziei (viteza de difuziune a impurităţilor de tip p este

mai mare decât cea a impurităţilor de tip n).

Dispozitivul obţinut poartă numele de DMOS (Double Diffused MOS).

Fig.4.32a şi fig.4.32b prezintă cele două variante constructive ale unui

astfel de dispozitiv. Difuzia de n- şi p se face simultan prin aceeaşi fereastră,

dar, datorită vitezei mai mari de difuziune a impurităţilor de tip p decât a celor

de tip n, se va crea în substrat o zonă în care vor exista impurităţi de tip p.

a. b.

Fig.4.32 Variante constructive ale DMOS

Lungimea canalului este definită de distanţa de difuziune a impurităţilor

de tip opus substratului. Substratul este de acelaşi tip cu drena şi sursa, făcând

parte din drenă (fig.4.32b).

Tranzistoarele DMOS sunt folosite mai ales în aplicaţii de putere.

4.10.4 Tranzistorul cu efect de câmp hexagonal (HEXFET)

Fig.4.33 Structura unui HEXFET


286

Structura unui HEXFET este prezentată în fig.4.33. Forma hexagonală

maximizează gradul de ocupare a suprafeţei plachetei de siliciu. HEXFET-ul

este varianta discretă a DMOS-ului, fiind alcătuit din mai multe DMOS-uri

legate în paralel. Este folosit ca şi componentă de putere (suportă tensiuni mari

între sursă şi drenă precum şi curenţi mari de drenă).

4.10.5 Tranzistorul cu peliculă subţire (TFT)

Tranzistorul cu peliculă subţire (Thin Film Transistor-TFT) este un

exemplu foarte bun de compromis tehnic, el fiind realizat ca dispozitiv orientat

pe aplicaţie.

Fig.4.34 prezintă secţiunea printr-un astfel de tranzistor. Stratul activ al

tranzistorului TFT (drena, sursa şi zona în care va apare canalul) este depus pe o

peliculă de izolator. Acest lucru reduce drastic performanţele electrice: viteză

mică de comutare şi curenţi de drenă mici.

Fig.4.34 Variante constructive ale TFT

Au avantajul unei tehnologii de realizare simple şi puţin costisitoare,

poate fi plasată atât deasupra cât şi dedesubtul zonei active (fig.4a şi 4b).

Aceste tranzistoare sunt extrem de atractive pentru realizarea celulelor de

afişaj cu cristale lichide, unde fiecare tranzistor TFT va comanda câte un pixel.

Acestea se pot realiza şi pe suportul de sticlă al polarizorului, aşadar

realizarea este mai simplă şi mai ieftină.

O altă aplicaţie a TFT o constituie celulele de stocare pentru memorii

SRAM.

4.10.6 Circuite integrate

Circuitele integrate conţin un număr variabil de componente pe „cip”

pornind de la câteva, până la milioane sau mai mult.


287

4.10.6.1 Tehnologia bipolară. Procesul standard cu strat îngropat

În cazul circuitelor integrate este necesar ca pe acelaşi „cip” să fie

realizate mai multe componente electronice pasive şi active, izolate cât mai bine

între ele pentru a nu interacţiona electric şi interconectate în aşa fel încât să

realizeze un anumit circuit.

Fig.4.35 Etapele tehnologiei standard

Procesul standard cu strat îngropat preia ideile fundamentale ale

tehnologiei planar epitaxiale folosite la realizarea tranzistorului discret.

Componentele sunt izolate între ele prin joncţiuni blocate. În procesul standard,

(fig.4.35):

- se porneşte de la o plachetă din siliciu (111 sau 100) de tip p cu o rezistivitate

tipică de ordinul a 6-12 ohmi.cm.

- Etapa I-a – predifuzia unui strat îngropat după ce în prealabil a fost realizată

printr-un proces fotolitografic o mască (masca 1) potrivită din bioxid de siliciu.

- Etapa a II-a – constă în creşterea epitaxială la temperatură joasă a unui strat de

tip n.


288

- Etapa a III-a – este formarea zidurilor de izolare dintre chesoane. Această etapă

implică un nou proces fotolitografic (masca 2) în urma căruia se realizează o

mască în oxidul crescut termic peste care s-a depus un strat de nitrură de siliciu.

- Etapa a IV-a – (masca 3), conduce la formarea bazei.

- Etapa a V-a – constă în realizarea emitorului; printr-un nou proces

fotolitografic, se realizează o mască de oxid care defineşte fereastra emitorului

(masca 4).

- Etapa a VI-a – implică realizarea ferestrelor de contact printr-un nou proces

fotolitografic, (masca 5).

- Etapa a VII-a – constă în depunerea neselectivă a aluminiului, având o grosime

tipică de ordinul unui micrometru, aluminiul este apoi îndepărtat selectiv

folosind un nou proces fotolitografic (masca 6) astfel încât pe structură rămân

traseele conductoare care leagă diverse terminale ale componentelor.

- Etapa a VIII-a – constă în depunerea neselectivă a unui strat protector care va

fi ulterior îndepărtat din zonele în care se realizează contacte în exteriorul

circuitului (masca 7); aceste zone se numesc „paduri” sau „ploturi”.

4.10.6.2 Diode

Practic toate joncţiunile pn care apar în tranzistoare pot fi utilizate ca

diode.

Există câteva variante mai des folosite cum ar fi: dioda zid de izolare-strat

epitaxial, dioda emitor bază peste zid, dioda Zenner îngropată, dioda colector de

bază, dioda emitor bază, dioda bază strat epitaxial obţinutădin tranzistorul pnp,

dioda multiplicată etc.

Câteva exemple de astfel de structuri sunt prezentate în fig.4.36.

Fig.4.36 Diode realizate în tehnologie standard: dioda emitor bază peste zid de izolare,

dioda Zenner îngropată, dioda multiplicată (schema de principiu şi schema tehnologică)


289

4.10.6.3 Tranzistoare cu efect de câmp

Tranzistoarele MOS cu grilă de aluminiu şi canal p, fig.4.37, pot fi

realizate în procesul bipolar, prin adăugarea unei etape tehnologice suplimentare

care să definească zona de depunere a oxidului de poartă. Sursa şi drena sunt

formate prin difuzii de tip „bază”. Dependenţa parametrilor electrici ai

tranzistorului MOS de condiţiile de suprafaţă reclamă un control mai strict din

acest punct de vedere în comparaţie cu controlul necesar în procesul bipolar care

nu ar avea incluse astfel de realizări.

Fig.4.37 Tranzistor MOS în tehnologie bipolară

4.10.7 Procesul cu izolare cu oxid (LOCOS)

Procedeul abandonează ideea de a izola componentele prin joncţiuni

blocate, înlocuind-o cu izolarea cu oxid. Prin aceasta creşte densitatea de

integrare deoarece distanţele destul de mari necesare până acum pentru a evita

„atingerea” zonelor de sarcină spaţială pot fi micşorate.

Raportul de arie între cea necesară şi procesul SBC şi cea necesară în

procesul în care izolarea se face cu oxid pentru realizarea unui tranzistor npn

este de ordinul 2-3, unităţi ceea ce înseamnă cel puţin dublarea densităţii de

integrare.

Fig.4.38 Izolare LOCOS; Structura tranzistorului npn în această variantă tehnologică


290

O variantă a acestui proces a primit numele de LOCOS (Locally Oxidised

Silicon).

Insula izolată şi structura care se obţine este prezentată în fig.4.38.

4.10.8 Procesul cu izoplanar

Etapele tehnologice necesare pentru realizarea componentei fundamentale

care şi aici este tot tranzistorul npn, sunt prezentate simplificat în fig.4.39.

Se porneşte de la o plachetă de tip p, se difuzează stratul îngropat, se

creşte stratul epitaxial de tip n.

Se acoperă placheta cu bioxid de siliciu şi nitrură, după care printr-un

proces fotolitografic se deschid ferestre prin care se va coroda siliciul până la o

adâncime aproximativ egală cu jumătatea grosimii stratului epitaxial.

Urmează oxidarea profundă până când bioxidul de siliciu crescut termic

ajunge la suprafaţa plachetei.

Fig.4.39 Procesul izoplanar, etape tehnologice

Această variantă tehnologică are câteva avantaje importante:

- reducerea ariei consumate pentru izolare şi deci creşterea numărului de

componente pe cip;


291

- reducerea capacităţilor parazite asociate joncţiunilor prin micşorarea ariei şi în

consecinţă creşterea vitezei de lucru;

- imunitate la erori de gravură, dezalinierea fiind „compensată” de grosimea

zidurilor de bioxid;

- denivelări neînsemnate ale plachetei (în final) care îmbunătăţesc posibilităţile

de interconectare.

Obs. Pentru îmbunătăţirea performanţelor şi/sau simplificarea tehnologiei

au fost elaborate proiecte ale unor procese alternative faţă de procesul standard,

cum ar fi:

- procese derivate care folosesc o logică integrată de injecţie (I2L – integrated

injection logic);

- procesul CDI ( collector diffusion isolation - izolare cu difuzia de colector);

- procesul BDI (base diffusion isolation - izolare prin difuzia de bază);

- TRIM – proces cu trei măşti (three masks);

- procesul izoplanar;

- procesul în care se utilizează corodarea anizotropă a siliciului.


292

4.11 Anexă

Pe scurt, următoarelor tabele prezintă materialele semiconductoare tehnice

importante, tehnologiile şi principalele aplicaţii ale acestora în realizarea

componentelor, circuitelor și dispozitivelor active integrate.

Siliciu, Si:

Avantaje: cel mai important semiconductor la ora actuală; componentele MOSFET, bipolare

bazate pe Si acoperă 90% din piaţa de componente electronice.

Dezavantaje: nu este aşa de „rapid” ca şi alte materiale semiconductoare, nu este potrivit

pentru aplicaţii de putere mare şi la temperaturi mari, nu poate să emită lumină.

Siliciu-germaniu, Si-Ge:

Avantaje: poate fi crescut pe substrat de siliciu, folosind tehnologiile deja existente pentru

prelucrarea siliciului; componentele bipolare au performanţe comparabile cu cele bazate pe

tehnologii GaAs.

Dezavantaje: necesită condiţii speciale pentru creşterea cristalului.

GaAs, GaAs/AlGaAs:

Avantaje: componente de viteză mare pentru aplicaţii digitale şi în domeniul microundelor;

performanţe superioare faţă de tehnologiile bazate pe siliciu.

Dezavantaje: costuri mult mai mari decât cele necesare pentru tehnologiile bazate pe siliciu.

InP, InGaAs/InP:

Avantaje: componente de viteză foarte mare cu performanţe superioare tehnologiilor GaAs;

poate fi utilizat pentru comunicaţii optice.

Dezavantaje: tehnologii cu preț ridicat, peste costurile tehnologiilor GaAs.

GaN/AlGaN SiC:

Avantaje: pentru aplicaţii de putere mare şi la temperaturi de lucru mari.

Dezavantaje: fiabilitate mai redusă, costuri mari.

Costuri:

Disponibilitate substrat: doar siliciul, arseniura de galiu, fosfura de indiu şi germaniul oferă

posibilitatea obţinerii de substrat semiconductor pe scara largă.

Complexitatea proceselor de dopare, formare a contactelor electrice, realizarea

izolărilor: doar siliciul prezintă posibilitatea de obţinere simplă, cu costuri mici, a unui

izolator (SiO2); este dificil de dopat materiale semiconductoare cu lăţimea benzii interzise de

valoare mare.


293

Disponibilitate tehnologică: tehnologii fiabile pentru fabricarea componentelor şi circuitelor

electronice.

Inerţia tehnologiilor existente: sunt investite sume mari în tehnologiile bazate pe siliciu.

Caracteristici:

Componente electronice: viteză mare de comutare, funcţionare la frecvenţe mari, funcţionare

la putere mare disipată, funcţionare la temperaturi mari, posibilitate de integrare VLSI

(ULSI).

Componente optoelectronice: lungime de undă 1300 nm sau 1550 nm pentru comunicaţii,

optice, emisia luminii în roşu, verde, albastru pentru afişaje electronice, lungime de undă mică

pentru memorii optice, lungime de undă mare pentru imagini în infraroşu, diode laser de

viteză mare, modulatoare optice, comutatoare optice de viteză mare.

Aplicaţii ale materialelor semiconductoare

CAP.4 Materiale semiconductoare.pdf

Documents

Transcript of CAP.4 Materiale semiconductoare.pdf