Download - CAP.4 Materiale Semiconductoare
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
249
CAPITOLUL 4
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.).
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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)
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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:
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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)
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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;
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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)
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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)
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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:
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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)
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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:
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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,
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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).
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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;
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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).
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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)
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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;
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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.
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
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