ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Η Μ Ι Α Γ Ω Γ Ο Ι

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Η Μ Ι Α Γ Ω Γ Ο Ι 3.1 Εισαγωγή Με βάση τον σχετικό ορισμό οι ημιαγωγοί έχουν ειδική αντίσταση μεταξύ των αγωγών και των μονωτικών υλικών. Τεχνολογικά οι ημιαγωγοί ανήκουν στην περισσότερο νέα κατηγορία υλικών λόγω της χρησιμοποίησης τους σε βιομηχανική κλίμακα μόλις από το Σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα όμως η βιομηχανία ηλεκτρονικών έκανε άλματα, πρώτα με τη χρησιμοποίηση του τρανζίστορ και κατόπιν με τα μικροηλεκτρονικά κυκλώματα. Η δυνατότητα «επαναστατικής» ανάπτυξης της βιομηχανία ς ηλεκτρονικών, στηρίχθηκε στην κατασκευή εξαιρετικά καθαρών ημιαγωγών. Με τη χρήση τεχνικών όπως η κάθαρση ζώνης (Ζone Reining), η εξαγωγή κρυστάλλων (Crystal Pulling) και οι επιταξιακές μέθοδοι, έγινε δυνατή η παραγωγή γερμανίου και πυριτίου με "ακαθαρσίες" (ξένα συστατικά) μόνο 1 μέρος σε Σε σχέση με τα υλικά αυτά, οι χάλυβες, οι ορείχαλκοι, και άλλα βιομηχανικά κράματα με ξένα συστατικά πάνω από μερικά μέρη ανά 10 6, είναι φυσικό να θεωρούνται εξαιρετικά «ακάθαρτα» υλικά. Το μόνο μέταλλο που μπορεί να θεωρηθεί επίσης καθαρό, όπως τα ημιαγώγιμα είναι πιθανών το ουράνιο. 3.2 Διάκριση ημιαγώγιμων υλικών Τα ημιαγώγιμα υλικά διακρίνονται στους εσωτερικούς και εξωτερικούς ημιαγωγούς. Οι εσωτερικοί ημιαγωγοί οφείλουν τις ιδιότητές τους σε εσωτερικές μόνο ιδιότητες, ενώ οι εξωτερικοί ημιαγωγοί οφείλουν τις ιδιότητές τους σε επίδραση εξωτερικού παράγοντα (ξένη πρόσμιξη). Στη βιομηχανία χρησιμοποιούνται κυρίως οι εξωτερικοί ημιαγωγοί Εσωτερικοί ημιαγωγοί Οι εσωτερικοί ημιαγωγοί (intrinsic semiconductors) οφείλουν τις ιδιότητές τους στη υψηλή καθαρότητά τους, δηλαδή στο ότι δεν περιέχουν στοιχεία που δρουν ως δότες ή ως δέκτες ηλεκτρονίων. Στους εσωτερικούς αγωγούς ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορούν να φθάσουν στη ζώνη αγωγιμότητας είναι αρκετός για να δημιουργήσει αγωγιμότητα. Οι κυριότεροι αντιπρόσωποι των ημιαγωγών αυτών είναι το πυρίτιο ( Si) και το γερμάνιο (Gr). 58

2 Το πυρίτιο ανήκει στην IV Α ομάδα του περιοδικού πίνακα είναι τετρασθενές και έχει δομή όμοια με αυτή του διαμαντιού. Οι τέσσαρες ομοιο πολικοί δεσμοί του διατάσσονται συμμετρικά. Σύμφωνα με τη θεωρία των ζωνών, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια (και τα τέσσερα κάθε ατόμου) σε θερμοκρασία 0 0 Κ, βρίσκονται στη ζώνη σθένους. Μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας, υπάρχει ενεργειακό χάσμα ΔΕ=1.11 εv. Αποτέλεσμα του ενεργειακού χάσματος είναι η ανάγκη «προσθήκης» 1,1 ev ώστε ένα ηλεκτρόνιο να μπορέσει με θερμική ή με πρωτονιακή διέγερση ανεξάρτητα θερμοκρασίας να αποκτήσει κινητική ενέργεια από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Γενικά το ενεργειακό χάσμα μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας, για να υπάρξει ημιαγωγιμότητα, πρέπει να είναι, μόνο μερικά kτ (όπου με: kτ= 0,025 ev στους 20 C). Ο αριθμός των φορέων φορτίου σε εσωτερικό ημιαγωγό, n i, συνδέεται με το μέγεθος του ενεργειακού χάσμα τος Ε, και τη θερμοκρασία T με τη σχέση: n i S.e E 2kT (3.1) όπου S σταθερά που δεν μεταβάλλεται για μικρές διαφορές θερμοκρασίας k η σταθερά Boltzmann = 1, ergs/k Οι φορείς φορτίων είναι διπλάσιοι από τα ηλεκτρόνια που υπερπηδούν το ενεργειακό χάσμα, διότι κάθε ηλεκτρόνιο που κινείται προς τη ζώνη αγωγιμότητας αφήνει μια οπή στη χαμηλότερη ζώνη που «λαμβάνει» αγωγιμότητα. Ενδεικτική σχηματική παράσταση του ενεργειακού χάσματος στα στοιχεία της IV Α ομάδας του περιοδικού συστήματος, δίδεται στο σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1: Ενεργειακό χάσμα στοιχείων IV Α ομάδας του Περιοδικού Πίνακα. 59

3 Απεικόνιση σε δύο διαστάσεις ενός κρυστάλλου πυριτίου (δηλαδή ενός εσωτερικού αγωγού) δίδεται στο σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2: Απεικόνιση ενός εσωτερικού ημιαγωγού (κρύσταλλος πυριτίου) σε δύο διαστάσεις. Όπως φαίνεται και στο σχήμα το δημιουργούμενο κενό, λόγω απόσπασης ενός ηλεκτρονίου, από τη θέση 1, επιτρέπει μετακίνηση ηλεκτρονίου από τη θέση 2 προς κάλυψη του κενού. Κατά όμοιο τρόπο το κενό της θέσης 2 καλύπτε ται από μετακινούμενο ηλεκτρόνιο από τη θέση 3, που στη συνέχεια καλύπτεται από το ηλεκτρόνιο της θέσης 4. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται ημιαγωγιμότητα κατά την οποία το μεν ηλεκτρόνιο κινείται προς τον θετικό πόλο, η δε οπή προς τον αρνητικό Εξωτερικοί ημιαγωγοί Οι εξωτερικοί ημιαγωγοί (extrinsic semiconductors) σχηματίζονται κατά την ελεγχόμενη προσθήκη στο πυρίτιο ή το γερμάνιο, ενός αριθμού ατόμων στοιχείου της V Α ομάδας του περιοδικού συστήματος (δηλαδή στοιχείων που έχουν 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα) π.χ. φωσφόρου (Ρ) αρσενικού (Αs) ή αντιμονίου (Sb), ή της ΙΙΙ Α ομάδας του περιοδικού συστήματος (δηλαδή στοιχείων που έχουν 3 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα) π.χ. βορίου (Β), αργιλίου (ΑΙ), γαλλίου (Ga), ή ινδίου (In). Οι ημιαγωγοί του τύπου αυτού περιέχουν ξένα στοιχεία που δρούν ως δότες ή δέκτες ηλεκτρονίων. Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται ως τύπου p ή τύπου οπής όταν το ξένο στοιχείο δεν έχει επαρκή αριθμό ηλεκτρονίων ώστε να 60

4 συμπληρώσει όλους τους δεσμούς μεταξύ των γειτονικών ατόμων. Αυτού του τύπου ημιαγωγοί σχηματίζονται με προσθήκη ενός στοιχείου της ΙΙΙ ομάδας του Π.Σ. Σχηματική παράσταση σε δύο διαστάσεις, ενός κρυστάλλου ημιαγωγού τύπου p (κρύσταλλος πυριτίου με προσθήκη αλουμινίου) δίδεται στο σχήμα 3.3. Σχήμα 3.3: Απεικόνιση σε δύο καταστάσεις κρυστάλλου ημιαγωγού τύπου p-(κρύσταλλος πυριτίου με προσθήκη αλουμινίου). Όπως φαίνεται και στο σχήμα η αντικατάσταση στο κρυσταλλικό πλέγμα ενός ατόμου πυριτίου από ένα άτομο αλουμινίου (ή άλλου στοιχείου της ΙΙΙ ομά δας του Π.Σ.) δημιουργεί κατάσταση με ένα ηλεκτρόνιο λιγότερο από ένα ομοιοπολικό δεσμό. Η έλλειψη ενός ηλεκτρονίου δημιουργεί μια «οπή». Σχετικά με τις «οπές» υπάρχουν τρεις απόψεις. Σύμφωνα με την πρώτη, η οπή θεωρείται σαν θετικό σωματίδιο που κινείται εντός του κρυστάλλου. Σύμφωνα με τη δεύτερη άποψη ως οπή θεωρείται η έλλειψη ενός ηλεκτρονίου από το άνω μέρος της ζώνης του σθένους. Τέλος ως οπή μπορεί να θεωρείται η πραγματική φυσική απουσία ενός ηλεκτρονίου από μια θέση όπου θα ήταν επιθυμητό να υπήρχε. Ανάλογα με την περίπτωση μπορεί να λαμβάνεται και η καλλίτερη άποψη (θεώρηση). Η αντικατάσταση ενός ατόμου πυριτίου (ή γερμανίου) από ένα άτομο της ΙΙΙ ομάδας του Π.Σ. σε κάποια κρυσταλλική θέση, δημιουργεί έλλειμμα ενός ηλεκτρονίου που θα πρέπει να καλυφθεί από ένα ηλεκτρόνιο κάποιας γειτονικής θέσης. Το χαρακτηριστικό σημείο της μετακίνησης είναι ότι η υπάρχουσα θέση για τη μετακίνηση είναι χαμηλής ενέργειας. Βέβαια το ενεργειακό επίπεδο δεν 61

5 είναι τόσο χαμηλό όσο στο άτομο που βρίσκεται αρχικά το ηλεκτ ρόνιο, αλλά αρκετά ώστε η διαφορά ενέργειας να μην αποτελεί εμπόδιο, για κάποιο ηλεκτρόνιο που έχει αποκτήσει επιπλέον ενέργεια και μπορεί να μετακινηθεί. Σύμφωνα με τη θεωρία των ζωνών, τα ενεργειακά επίπεδα των ατόμων των στοιχείων της ΙΙΙ ομάδας θα πρέπει να είναι μόλις πάνω από τη ζώνη σθένους. Επειδή τα άτομα της ΙΙΙ ομάδας λαμβάνουν εύκολα ηλεκτρόνια ονομάζονται δέκτες και τα αντίστοιχα ενεργειακά επίπεδα ονομάζονται επίπεδα δεκτών. Η δεύτερη μεγάλη κατηγορία εξωτερικών ημιαγωγών είναι οι ημιαγωγοί τύπου n. Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται σαν τύπου n, όταν το ξένο στοιχείο έχει περισσότερα ηλεκτρόνια σθένους από όσα είναι απαραίτητα για το σχηματισμό δεσμών με τα γειτονικά άτομα με αποτέλεσμα να υπάρχουν ηλεκτρόνια που αποσπώνται πολύ εύκολα και δίνουν ημ ιαγωγιμότητα. Ας θεωρήσουμε τον ημιαγωγό πυριτίου -αρσενικού. Όταν το «ξένο» στοιχείο είναι 1 προς 10 6 άτομα πυριτίου το κρυσταλλικό πλέγμα παραμένει όμοιο με εκείνο του καθαρού πυριτίου. Κατά την αντικατάσταση ενός ατόμου πυριτίου από ένα άτομο αρσενικού ( ή άλλου στοιχείου της V ομάδας του Π.Σ.) προκύπτει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο (σχήμα 3.4). Σχήμα 3.4: Απεικόνιση σε δύο διαστάσεις ενός κρυστάλλου ημιαγωγού τύπου n (κρύσταλλος πυριτίου με προσθήκη αρσενικού). Το ελεύθερο αυτό ηλεκτρόνιο δεν συγκρατείται ισχυρά από τον πυρήνα του αρσενικού διότι αυτό έχει πλέον αποκτήσει 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα (δηλαδή δομή αδρανούς αερίου). Όπως είναι γνωστό, το ενεργειακό 62

6 χάσμα, αντιπροσωπεύει την ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για τον ιονισμό ενός ατόμου πυριτίου. Το ηλεκτρόνιο της «ξένης» πρόσμιξης απαιτεί ενέργεια σημαντικά μικρότερη από αυτή του ενεργειακού χάσματος, για να χρησιμοποιηθεί αγωγιμότητα. Το ενεργειακό επίπεδο τούτου μπορεί να δοθεί σχηματικά ως E D και είναι τυπικά μεγέθους 10-2 ev. Σχηματική παράσταση δίδεται στο σχήμα 3.5. Σε θερμοκρασία απόλυτου μηδενός, το ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο ενεργειακό επίπεδο E D και δεν μπορεί να «χρησιμοποιηθεί» στην αγωγή του ρεύματος. Σε ορισμένες όμως θερμοκρασίες, το ηλεκτρόνιο αυτό δεν χρειάζεται περισσότερο από 10-2 ev ενέργεια για να «μετακινηθεί» στη ζώνη αγωγιμότητας. Σχήμα 3.5: Θέση ενεργειακού επιπέδου αδέσμευτου ηλεκ τρονίου σε ημιαγωγό τύπου n. Στον πίνακα 28, δίδεται η ενεργειακή διαφορά μεταξύ του επιπέδου ενεργείας των δοτών και της βάσης της ζώνης αγωγιμότητας για μερικά ξένα στοιχεία (αντιμόνιο, φώσφορος, αρσενικό) καθώς και μεταξύ του ενεργειακού επιπέδου των δεκτών και της βάσης αγωγιμότητας (στοιχεία ίνδιο, γάλλιο, βόριο, αλουμίνιο). 63

7 Πίνακας 28: Ενεργειακά επίπεδα προσμίξεων σε γερ μάνιο και πυρίτιο. 1. Δότες Ξένο στοιχείο Ge ev Αντιμόνιο (Sb) 0,0096 Φώσφορος (Ρ) 0,0120 Αρσενικό (Αs) 0, Δέκτες Ίνδιο (In) 0,0112 Γάλλιο (Ga) 0,0108 Βόριο (Β) 0,0104 Αλουμίνιο (ΑΙ) 0,0102 Si ev 0,039 0,045 0,049 0,160 0,065 0,045 0,057 Λαμβάνοντας υπ όψη ότι η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου ενός ατόμου του υδρογόνου, δίδεται από τη σχέση: Ε = -m. e 4 /8e 2. ο k 2 όπου: Μ είναι η μάζα του ηλεκτρονίου (9, gr) e είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου (1, o C) e ο είναι η απόλυτη διηλεκτρική σταθερά του κενού (8, F/m) k είναι η σταθερά του P lanck (6, J. s) Η ενέργεια σε JOULES θα είναι: -2, J ή λαμβάνοντας υπ όψη ότι 1 ev είναι ίσο με 1, J, ευρίσκεται : E = 13,6eV Η διαφορά μεταξύ ενός πλεονάζοντος ηλε κτρονίου (του ξένου ατόμου του ημιαγωγού) και του ηλεκτρονίου του υδρογόνου είναι μικρή: δηλαδή, (α) Η διηλεκτρική σταθερά του κενού θα πρέπει να αντικατασταθεί με τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού. (β) Η μάζα του ελεύθερου ηλεκτρονίου θα πρέπει να αντικατ ασταθεί με την ενεργό μάζα του ηλεκτρονίου που βρίσκεται στο κάτω όριο της ζώνης αγωγιμότητας. Το ενεργειακό χάσμα μεταξύ E G -E D θα δίδεται από τη σχέση: E G -E D = M 0. e 4 /8e 1 2 k 2 όπου: Μ 0 ενεργός μάζα, e 1 διηλεκτρική σταθερά υλικού 64

8 Για το πυρίτιο με σχετική διηλεκτρική σταθερά 12 και ενεργό μάζα 0,5 εκείνης του ελεύθερου ηλεκτρονίου, η λαμβανόμενη τιμή ενεργειακού χάσματος είναι 0,05V ev που δεν διαφέρει από την πειραματική τιμή. Ένα πραγματικό υλικό, περιέχει συνήθως και δότες και δέκτες ηλεκτρονίων (όχι απαραίτητα μόνο στοιχεία των ομάδων ΙΙΙ και V) Συνήθως βέβαια υπερτερεί κάποιος τύπος ξένης προσθήκης οπότε και δημιουργούνται ημιαγωγοί ξένων υλών (εξωτερικοί ημιαγωγοί) τύπου n- (αρνητικός τύπος) ή τύπου p-(θετικός τύπος). Αν ένας κρύσταλλος ημιαγωγού πυριτίου περιέχει άτομα (ανά κυβικό μέτρο) τρισθενούς ινδίου θα είναι τύπου p- ημιαγωγός (τύπος θετικής οπής). Αν στον ημιαγωγό αυτό προστεθούν άτομα (ανά κυβικό μέτρο) πεντασθενούς φωσφόρου, η περίσσεια ηλεκτρονίων θα καλύψει την έλλειψη του ινδίου και ο χαρακτήρας του ημιαγωγού θα γίνει τύπου n- (τύπος περίσσειας ηλεκτρονίων). Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (μερικούς βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν) η πιθανότητα ιονισμού από το επίπεδο του δότη E D είναι εξαιρετικά μεγαλύτερη από την πιθανότητα διέγερσης και υπερκάλυψης του ενεργειακού χάσματος από τα άτομα του κύριου στοιχείου του ημιαγωγού. Υπολογίζοντας την τιμή του E G σε 1 ev και του Ε G -E D σε 0,05eV, λαμβάνεται ότι με άτομα του πλέγματος ανά κυβικό μέτρο από τα οποία μόνο ανήκουν στον δότη ηλεκτρονίων, πρακτικά όλα τα ηλεκτρόνια αγωγής προέρχονται από τον δότη. Σε χαμηλές θερμοκρασίες το υλικό δρα σαν εξωτερικός ημιαγωγός που έχει ενεργειακό χάσμα μόνο E G -E D. Το επίπεδο FERMI θα πρέπει να βρίσκεται στο 1/2 του ενεργειακού χάσματος, δηλαδ ή: E F = 1/2(E G -E D ) Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, πρακτικά όλα τα ηλεκτρόνια των ξένων ατόμων θα βρίσκονται σε ιονισμένη κατάσταση αλλά, λόγω και των ηλεκτρονίων σθένους του κυρίως στοιχείου του ημιαγωγού, ο αριθμός των ηλεκτρικών φορτίων θα είναι πολύ μεγ αλύτερος από τον αριθμό ηλεκτρονίων 65

9 του δότη. Το υλικό θα είναι εξωτερικός ημιαγωγός με επίπεδο FERMI περίπου ίσο με E G /2. Σχετικά με τη μεταβολή του ενεργειακού χάσματος με τη θερμοκρα σία, είναι γνωστό από το μοντέλο κατά ZIMAN ότι το ενεργειακό χάσμα προ καλείται από την ενέργεια αλληλοεπίδρασης όταν το 1/2 του μήκους κύματος των ηλεκτρονίων (κατά την εξίσωση DE BROGILIE) είναι ίσο με την ενδοατομική απόσταση. Είναι λογικό να υποτεθεί ότι η ενέργεια αυτή είναι μεγαλύτερη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, διότι σε υψηλότερες η θερμική κίνηση των ατόμων του πλέγματος είναι περισσότερο ισχυρή και η ενδοατομική απόσταση λιγότερο καθορισμένη οπότε η αλληλοεπίδραση είναι μικρότερη. Στο γερμάνιο το ενεργειακό χάσμα μειώνεται από περίπου 0,75eV σε 4Κ, σε 0,67 ev σε 300Κ. 3.3 Αγωγιμότητα ημιαγωγών Αγωγιμότητα εσωτερικών ημιαγωγών Σε ορισμένη θερμοκρασία, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας και των οπών στη ζώνη σθένους των ατόμων, υπολογίζεται από το γινόμενο της πιθανότητας εύρεσης των φορτίων στις διάφορες στάθμες ενέργειας F(E), επί την πυκνότητα κατανομής αυτών σε σχέση με την αντίστοιχη στάθμ η ενέργεια Ζ(Ε). Στο σχήμα 3.6, δίδονται η κατανομή Ε - Ζ(Ε), η κατανομή E-F(E) και η κατανομή E-Z(E). F(E). Λόγω των οπών στη ζώνη σθένους από γειτονικ ό άτομο είναι δυνατό να δοθεί ηλεκτρόνιο που θα καλύψει το κενό μιας οπής. Έτσι όμως δημιουργείται μια νέα οπή στο άτομο από το οποίο προήλθε το ηλεκτρόνιο κ.ο.κ. Αντίστοιχα τα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας μπορούν να μετακινηθούν σε αντίστοιχη ζώνη γειτονικών ατόμων. Η κίνηση αυτή, όταν υπάρχει απουσία ηλεκτρικού πεδίου θα είναι άτακτη. Παρουσία πεδίου αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς τον θετικό πόλο και οι οπές προς τον αρνητικό πόλο. Το δημιουργούμενο ηλεκτρικό ρεύμα θα είναι ανάλογο του ηλεκ τρικού πεδίου της θερμοκρασίας. 66

10 Σχήμα 3.6: Σχηματική παράσταση των συναρτήσεων Ε-Ζ(Ε), Ε-F(E) και Ε-Ζ(Ε). F(E) σε εσωτερικό ημιαγωγό Ε = Ενεργειακό επίπεδο Ζ(Ε) = πυκνότητα κατανομής φορτίων F(E) = πιθανότητα εύρεσης φορτίων σε διάφορες στάθ μες ενέργειας Αγωγιμότητα εξωτερικών ημιαγωγών τύπου n - Η παρουσία πολλών ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα όπως έχει ήδη αναφερθεί, έχει σαν αποτέλεσμα τον πολλαπλασιασμό των επιτρεπτών ενεργειακών επιπέδων και το σχηματισμό ζωνών αγωγιμό τητα και σθένους. Σε ημιαγωγούς τύπου n- η παρουσία προσμίξεων με μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους από το βασικό μέταλλο, δημιουργεί μια ζώνη από δότες ηλεκτρονίων στην περιοχή του ενεργειακού χάσματος κάτω από τη ζώνη αγωγιμότητας, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.7. Τα ηλεκτρόνια της ζώνης ηλεκτρονίων του δότη μπορούν εύκολα, σε συνάρτηση της θερμοκρασίας να εισέλθουν στη ζώνη αγωγιμότητας. Σχήμα 3.7: Σχηματική παράσταση των συναρτήσεων Ε-Ζ(Ε), Ε-F(E) και Ε-Ζ(Ε). F(E) ενός ημιαγωγού τύπου n- 67

11 3.3.3 Αγωγιμότητα σε ημιαγωγούς τύπου p- Στους ημιαγωγούς του τύπου αυτού δημιουργείται έλλειψη ηλεκτρονίων και σχηματίζονται οπές, δηλαδή ζώνες αποδεκτών ηλεκτρονίων πάνω από τη ζώνη σθένους. Σχηματική παράσταση των συναρτήσεων κατανομής δίδεται στο σχήμα 3.8. Σχήμα 3.8: Σχηματική παράσταση των συναρτήσεων, E-Z(E), E-F(E) και Ε- Z(E). F(E) ημιαγωγών τύπου ρ- Τα ηλεκτρόνια κινούνται από τη ζώνη σθένους στη ζώνη των οπών για τον μηδενισμό των θετικών φορτίων της ζώνης. Τούτο δημιουργεί μια αύξηση των οπών στη ζώνη σθένους που παρουσία ηλεκτρικού πεδίου δίνει αγωγιμότητα. 3.4 Ημιαγωγοί ενώσεων Το φαινόμενο της ημιαγωγής δεν περιορίζεται μόνο στα στοιχεία της IV ομάδας του περιοδικού συστήματος. Οι ίδιες ηλεκτρονικές δομές δημιουργούνται και με συνδυασμούς των ομάδων ΙΙΙ και V. Στο σχήμα 3.9 φαίνεται ένα παράδειγμα συνδυασμού της ΙΙΙ και της V ομάδας του Π.Σ. (στοιχεία: ίνδιο και αντιμόνιο). Το ίνδιο ανήκει στη ΙΙΙ ομάδα και το αντιμόνιο στην V ομάδα. Το κράμα InSb, έχει κατά μέσο όρο 4 ηλεκτρόνια σθένους ανά άτομο. Οι τελείες συμβολίζουν ηλεκτρόνια προερχόμενα από το Sb. Οι παύλες συμβολίζουν ηλεκτρόνια προερχόμενα από το In. Ο γαληνίτης (Pbs) είναι ένας άλλος τύπος ημιαγωγού ενώσεως με στοιχεία των ομάδων ΙΙ και VI του Π.Σ. Βασικά η απαίτηση για ένα ικανοποιητ ικό ημιαγωγό ομοιοπολικής ένωσης είναι ο μέσος όρος ηλεκτρονίων να είναι 4 68

12 ανά άτομο. Εάν όμως τα στοιχεία σχηματίζουν ιόντα ο απαραίτητος ομοιοπολικός δεσμός δεν διατηρείται. Έτσι ενώσεις τύπου I -VII όπως π.χ. NaCI και II-VI όπως π.χ. ΜοΟ είναι πολύ «ιονικές» ώστε να είναι καλοί ημιαγωγοί. Ο ιωδιούχος άργυρος (ΑgI) σχηματίζει μ ια ασθενή ένωση τύπου Ι - VII, διότι κανένα από τα στοιχεία δεν έχει ισχυρά χαρακτηριστικά ιονισμού. Σχήμα 3.9: Ημιαγωγός ινδίου-αντιμονίου. Ένας άλλος τύπος ημιαγωγών σχηματίζετ αι από μη-στοιχειομετρικές ενώσεις. Ο μηχανισμός αγωγής στην περίπτωση αυτή φαίνεται στο σχήμα Η κίνηση ηλεκτρονίων δίνει το ίδιο αποτέλεσμα με εκείνο της ανταλλαγής ιόντων Fe +2 και Fe +3, η ενέργεια όμως που απαιτείται είναι μικρότερη. Χαρακτηριστικό αυτού του τύπου ημιαγωγών είναι η ελαττωματική κρυσταλλική δομή των στοιχείων του. Σχήμα 3.10: Ημιαγωγός τύπου ελαττώματος δομής (Fe<1 0) 69

13 Το φορτίο μεταφέρεται με κίνηση ηλεκτρονίου από το ένα άτομο Fe στο άλλο. 3.5 Γέφυρες Ρ-Ν Η ένωση τύπου p-n είναι μια δίοδος ανορθώτρια διότι έχει ασύμμετρα χαρακτηριστικά τάσης-έντασης. Αυτό φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 3.11, όπου γίνεται σύγκριση με ένα ωμικό αγωγό. Σχήμα 3.11: Χαρακτηριστικά τάσης-έντασης γέφυρας ρ-η και ωμικού αγωγού Σ ένα ωμικό αγωγό, η τιμή ΔV/ΔΙ είναι σταθερή και ίση με την αντίσταση. Οι περισσότεροι ημιαγωγοί δεν έχουν γραμμικά χαρακτηριστικά αντίστασης, ιδιαίτερα αν η κατεύθυνση της τάσης μεταβάλλεται. Η προκύπτουσα ασυμμετρία χρησιμοποιείται για ανόρθωση, όπως φαίνε ται, στο παρακάτω σχήμα Η ένωση τύπου ρ-η επιτρέπει κίνηση ηλεκτρονίων προς μια κατεύθυνση αλλά όχι προς την άλλη, λόγω της δημιουργίας ζώνης μόνωσης. Σχήμα 3.12: Χρήση γέφυρας p-n για ανόρθωση 70

14 3.6 Μεταβολή της ειδικής αντίστασης με τη θερμ οκρασία Η συμπεριφορά των αγώγιμων υλικών και των ημιαγώγιμων υλικών από άποψη ειδικής αντίστασης σε σχέση με τη θερμοκρασία είναι διαφορετική. Στα μέταλλα υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια και η ανύψωση της θερμοκρασίας μειώνει την μέση ελεύθερη διαδρομή της κίνησης των ηλεκτρονίων, λόγω ισχυρότερης θερμικής ταλάντωσης, με αποτέλεσμα τη μείωση της κινητικότητας των ηλεκτρονίων και αύξηση της ειδικής I αντίστασης, η κινητικότητα (ευκινησία) εκφράζεται σαν Q n όπου: ρ είναι η ειδική αντίστασ η Q το φορτίο του ηλεκτρονίου n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονικών οπών ή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Η τιμή Δρ/Δτ είναι θετική στα μέταλλα και αρνητική στα ημιαγώγιμα διότι αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση της παρεχόμενης θερμικής ενέργειας του ελευθερώνει περισσότερα φορτία. 3.7 Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά ημιαγώγιμων στοιχείων Πυρίτιο Το πυρίτιο αν και αποτελεί το 27,7% του στερεού φλοιού της γης, σαν στοιχείο δε βρίσκεται ελεύθερο στη φύση. Το διοξείδ ιο του πυριτίου και άλλες πυριτικές ενώσεις αντιστοιχούν στο 87% της όλης μάζας του στερεού φλοιού της γης. Το πυρίτιο παρασκευάζεται στο εργαστήριο σαν άμορφη καστανόχρωμη σκόνη, με αναγωγή του SiO 2 με μαγνήσιο ή αλουμίνιο, παρουσία θείου (S), για την ανύψωση της θερμοκρασίας (μέθοδος θερμίτη). SiO Mg 2MgO + Si 3SiO 2 + AI 2AI 2 O 3 + Si Το λαμβανόμενο προϊόν πλένεται επανειλημμένα με HCI και απομακρύνονται οι υπάρχουσες προσμίξεις με υδροφθορικό οξύ (ΗF) σε δοχείο από πολυαιθυλένιο. 71

15 Το πυρίτιο είναι γκρίζο κρυσταλλικό σώμα. Διαλύεται στα περισσότερα μέταλλα και σχηματίζει κράματα. Το χημικά καθαρό πυρίτιο είνα ι περισσότερο δραστικό από τον άνθρακα. Καίγεται στους 400 C σε ατμόσφαιρα οξυγόνου προς σχηματισμό SiO 2 (ισχυρά εξώθερμη αντίδραση) Si + O 2 SiO 2 ΔΗ = 191 Kcal Πίνακας φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του πυριτίου δίδεται παρακάτω (πίνακας 29). Πίνακας 29 Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά πυριτίου Ομάδα περιοδικού συστήματος: IVA Ατομικός αριθμός: 14 Ατομικό βάρος: 28,09 Κατανομή ηλεκτρονίων: IS 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2 Ατομική ακτίνα: 1,17 Α Σημείο τήξης: 1430 C Σημείο ζέσης: 2600 C Το δυναμικό ιονισμού: 8,15 ev Πυκνότητα: 2,40 gr/cm Γερμάνιο Το γερμάνιο βρίσκεται σε πολλά θειούχα ορυκτά. Σημαντική ποσότητα γερμανίου βρίσκεται στους λιθάνθρακες. Στη τέφρα ορισμένων λιθανθρά κων αγγλικής προέλευσης βρέθηκε 1,6% οξείδιο του γερμανίου (GO 2 O 3 ). Υπολογίσιμη ποσότητα γερμανίου βρίσκεται επίσης στους λιγνίτες Πτολεμαϊδος. Το γερμάνιο και το πυρίτιο έχουν δομή όμοια με αυτή του αδάμαντος (διαμαντιού) και λόγω τούτου είναι σώματα υψηλού σημείου τήξης και μη αγώγιμα. Η ενέργεια όμως δεσμού μεταξύ των ατόμων των δεν είναι τόσο μεγάλη όσο στην περίπτωση άνθρακα-άνθρακα του διαμαντιού. Η παραλαβή του γερμανίου από την τέφρα των λιθανθράκων γίνεται με ισχυρή θέρμανση με υδροχλωρικό οξύ. Το σχηματιζόμενο GeCI 4, αποστάζεται και 72

16 στη συνέχεια υδρολύεται προς GeO 2.Το οξείδιο τελικά ανάγεται με Η 2 ή με άνθρακα. Οι ιδιότητες του γερμανίου κυμαίνονται μεταξύ εκείνων των αμετά λλων C και Si και των μετάλλων Sn, Pb (στοιχείων της ομάδας του). Έχει χρώμα γκρίζο και είναι εύθρυπτο. Δεν προσβάλλεται από το HCI και το HF, οξειδώνεται όμως από το πυκνό ΗΝΟ 3. Στο γερμάνιο όλα τα ηλεκτρόνια είναι δεσμευμένα σε δεσμούς. Αντικατάσταση μερικών ατόμων γερμανίου από άτομα άλλου στοιχείου π.χ. αρσενικού δημιουργεί περίσσεια ηλεκτρονίων που μπορούν να μετακινηθούν όταν εφαρμοστεί διαφορά δυναμικού. Με κατάλληλη μεταβολή του ποσοστού των ξένων ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα του Ge επιτυγχάνεται αύξηση ή μείωση της αγωγιμότητας του Ge. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά το υ γερμανίου δίδονται στον πίνακα Σελήνιο Το σελήνιο ανήκει στα στοιχεία της VI ομάδας του Π.Σ. Η περιεκτικότητα του στο γήινο φλοιό είναι πολύ μικρή (μόνο %). Πίνακας 30 Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά γερμανίου Ομάδα Π.Σ.: IV A Ατομικός αριθμός: 32 Κατανομή ηλεκτρονίων: IS 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 10 4S 2 4P 2 Ατομική βάρος: 79,59 Ατομική ακτίνα: 1,22 Α Σημείο τήξης: 960 C Σημείο ζέσης: 2700 C Το δυναμικό ιονισμού: 7,88 ev Πυκνότητα (σε 20 C): 5,36 gr/cm 3 To σελήνιο είναι αλλοτροπικό στοιχείο με τέσσαρες διαφορετικές μορφές (υαλώδη, άμορφη, μονοκλινής κρυσταλλική εξαγωνική κρυσταλλική). 73

17 Κατά τη θέρμανση στους 200 C, από οποιαδήποτε αρχική μορφή λαμβάνεται η πιο σταθερή μορφή που είναι η εξαγωνική. Το ενεργειακό χάσμα σε σελήνιο έχει τιμή 1,79 ev. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του σεληνίου είναι: IS 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 10 4S4P 4 Το σελήνιο χρησιμοποιείται στην κατασκευή ανορθωτών και φωτοστοιχείων. Η θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας του είναι -60 C μέχρι + 75 C. Λόγω του ότι τα προστιθέμενα στοιχεία στους ημιαγωγούς σε ληνίου έχουν πάντοτε μικρότερο αριθμό ηλεκτρονίων εξωτερικής στοιβάδας, οι δημιουργούμενοι ημιαγωγοί είναι πάντοτε ρ- τύπου με ειδική αντίσταση 30 3 Οhm. m σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η ειδική αντίσταση του σεληνίου μειώνεται με την προσθήκη αλογόνων π.χ., χλωρίου, ιωδίου, βρωμίου, που ενεργούν σαν δέκτες ηλεκτρονίων Τελλούριο Όπως και το σελήνιο, το τελλούριο ανήκει στην VI ομάδα του Π.Σ. Το μέταλλο αυτό είναι ημιαγωγός με ενεργειακό χάσμα 0,35 ev. Το τελλούριο τήκεται στους 451 C. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του τελλουρίου είναι: IS 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 10 4S 2 4P 6 4D 10 5S 2 5P 4 H ειδική αντίσταση του καθαρού τελλουρίου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι ΟΗΜ. Μ, η πυκνότητα ηλεκτρονικού φορτίου του είναι 9, Μ -3, η κινητικότητα των ηλεκτρονίων του είναι 0,17 m 2 /V.s και η κινητικότητα των οπών του είναι 0,12 m 2 /V.s. Η κύρια χρήση του τελλουρίου σε κράμα με βισμούθιο αντιμόνιο και μόλυβδο είναι σε θερμοηλεκτρικές γεννήτριες. 3.8 Ιδιότητες ημιαγωγών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Οι ιδιότητες των ημιαγωγών από άποψη αγωγιμότητας δίδονται στον πίνακα

18 Πίνακας 31 Ημιαγωγός Ενεργειακό Eνεργός μάζα Ευκινησία m 2.V -1.sec -1 χάσμα ev Με/Μο Μ Η /Μο X10 μe -4 μ Η Ge 0,67 0,12 0, ,28 0,08 Si 1,11 0,26 0,16 0, ,24 GaAs 1,40 0,067 0, GaP 2,25 0,35 0, InP 1,30 0,08 0, InSB 0,17 0,013 0, CDS 2,5 0,27 0, Παρασκευή ημιαγωγών μονοκρυσταλλικού τύπου (ελεγχόμενης περιεκτικότητας σε ξένες ύλες) Κρυσταλλική ανάπτυξη από το τήγμα Η μέθοδος αυτή αποτελεί τον απλούστερο τρόπο παρασκευής ενός μονοκρυστάλλου. Το υλικό καθαρίζεται με χημικά μέσα, μέχρι περιεκτικότητα σε ξένες ύλες μερικών μερών ανά εκατομμύριο και μετά τήκεται σε χωνευτήριο όπως φαίνεται στο σχήμα. Το χωνευτήριο ψύχεται αργά. Καθώς το προεξέχον άκρο ψύχεται ταχύτερα από το υπόλοιπο υλικό, ο κρύσταλλος αρχίζει να σχηματίζεται από το άκρο αυτό και κατόπιν αναπτύσσεται δια του τήγματος. Εάν οι συνθήκες ελέγχονται όπως απαιτείται σχηματίζεται μονοκρύσταλλος. Έχει βρεθεί ότι η συγκέντρωση της ξένης προσθήκης δεν είναι η ίδια σε όλον τον κρύσταλλο, αλλά υπάρχει μια ορισμένη μεταβολή συγκέντρωσης, με το καθαρότερο υλικό στο κάτω μέρος του χωνευτηρίου. Αν υποτεθεί ότι ένα τήγμα με περιεκτικότητα σε ξένη ύλη Ca, αφήνεται να ψυχθεί αργά, σε θερμοκρασία Τ Α, σχηματίζεται για πρώτη φορά στερεή φάση με περιεκτικότητα σε ξένη ύλη C B. Σε χαμηλότερη θερμοκρασία T C η περιεκτικότητα της ξένης ουσίας αυξάνεται σε C D.Η κατανομή της ξένης ουσίας στον κρύσταλλο δίνεται από τη σχέση: K=C B /C A 75

19 Αν υποτεθεί ότι το Κ δεν μεταβάλλεται κατά τη στερεοποίηση είναι εύκολο να υπολογιστεί η μεταβολή της συγκέντρωσης σε ξένη ουσία στον κρύσταλλο με το μεταβολή της θερμοκρασίας Κάθαρση ζώνης (Zone Refining) Η διαφορετική συγκέντρωση ξένης προσθήκης στη στερεή και υγρή φάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά ένα λίγο διαφορετικό τρόπο. Στην αρχή λαμβάνεται ένας σχεδόν ομοιόμορφος κρύσταλλος που στη συνέχεια θερμαίνεται σε μια ζώνη και τήκεται. Το σύστημα ρυθμίζεται έτσι ώστε να μετακινείται η ζώνη τήξης κατά το μήκος του κρυστάλλου. Τούτο επιτυγχάνεται με τοποθέτηση του κρυστάλλου σε δύστηκτο φορέα και μετά τοποθέτηση σε φούρνο με δυνατότητα μετατόπισης της θέσης του. Σε κάθε σημείο το στερεό που αποχωρίζεται στο πίσω μέρος της ζώνης θα είναι Κ φορές πιο «βρώμικο» από το λιωμένο υλικό και επειδή το Κ είναι μικρότερο του μηδενός τούτο αποτελεί βελτίωση σχετικά με την καθαρότητα του κρυστάλλου. Η περιεκτικότητα σε ξένες ύλες στο στερεό C S (X) μετά από την «διέλευση» της ζώνης τήξης από κρύσταλλο μ ήκους L, μια φορά, θα είναι: C S (X)=Co. [1-(1-K). e - K x/ Z ] όπου: Co είναι η αρχική συγκέντρωσης Ζ είναι το μήκος της ζώνης τήξης Χ είναι η θέση τήξης στον κρύσταλλο Στην άκρη του κρυστάλλου (θέση 0), η τιμή της συγκέντρωσης των ξένων υλών θα είναι, μετά από n επαναλήψεις: C S (0) = Co. K n Με τιμή του Κ τυπικά 0,1 μετά από λίγες επαναλήψεις είναι δυνατός ο αριθμός των ξένων υλών να περιορισθεί σε μικρό όγκο στο τέλος του κρυστάλλου. Η απλή αυτή ιδέα αποτελεί τη βάση για τη μεγάλη επιτυχία της τεχνολογίας ημιαγωγών. Όπως αναφέρθηκε προηγούμενα, οι ξένες ύλες μπορούν να μειωθούν σε μερικά μέρη ανά και τελικά περιορίζεται το όριο σε ξένες ύλες που μπορεί να πάρει ο ημιαγωγός από αντιδράσεις με τον φορέα που τον φέρει Καθαρισμός με μετατοπιζόμενη ζώνη τήξης Το πρόβλημα της αντίδρασης με τα τοιχώματα του φορέα φάνηκε ιδιαίτερα όταν η βιομηχανία των ημιαγωγών μετατοπίσθηκε από το γερμάνιο με σημείο τήξης 960 C στο πυρίτιο με σημείο τήξης τους 1430 C. Τότε χρησιμοποιήθηκε η τεχνική του 76

20 καθαρισμού με μετατοπιζόμενη ζώνη. Κατά τη μέθοδο αυτή ο κρύσταλ λος κρατείται κατακόρυφος στερεωμένος σε περιστρεφόμενη βάση «CHUCK». Περιβάλλεται σε ορισμένη απόσταση από χιτώνιο πυριτίου (SiO 2 ) και αδρανή ατμόσφαιρα. Εξωτερικά περιβάλλεται από σωληνώσεις με νερό ψύξης από χαλκό. Μέσω του σωληνοειδούς διαβιβάζεται ρεύμα υψηλής συχνότητας (αρκετών MΗz) και ο κρύσταλλος του πυριτίου θερμαίνεται μέχρι σημείου τήξης με τα αναπτυσσόμενα διννορεύματα. Το σωληνοειδές μετατοπίζεται αργά προς το άνω μέρος του κρυστάλλου, ώστε η ζώνη τήξης να περνά κατά το μήκος του. Η τεχνική αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε σχετικά μικρούς κρυστάλλους, λόγω του ότι το βάρος των πρέπει να υποστηριχθεί από την επιφανειακή τάση της ζώνης τήξης Επιταξιακή ανάπτυξη Η ανάπτυξη των μεθόδων καθαρισμού των μονοκρυστάλλων επέτρεψε στα 1950 την κατασκευή τρανζίστορ. Το επόμενο βήμα ήταν η ανάπτυξη «επίπεδων» τεχνικών, στα 1960, που οδήγησε στην ανάπτυξη των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Στις τεχνικές αυτές ανήκει η επιταξιακή ανάπτυξη των κρυστάλλω ν. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι με τους οποίους επιτυγχάνεται η επιταξιακή ανάπτυξη. Ένας τρόπος είναι η απόθεση πυριτίου από την φάση των ατμών. Σε ορι ζ όντι ο κλί βαν ο, διαβιβά ζε ται μίγμ α αερίων τετρα χλ ωρι ού χου πυριτί ου - υδρογόνου σε θερμοκρασία 1250 C. Καθώς το μίγμα περνά από τον θερμό κλίβανο γίνεται η παρακάτω αντίδραση: SiCI 4 + 2H 2 Si + 4HCl To σχηματιζόμενο πυρίτιο αποτίθεται σε φορέα πυριτίου σαν μο νοκρυσταλλική στοιβάδα, ακολουθώντας την κρυσταλλική ανάπτυξη του υποστρώματος. Σε μερικές περιπτώσεις, προτιμάται η αντίδραση διάσπασης του σιλανίου: SiH 4 Si + 2H 2 Η αντίδραση αυτή προτιμάται διότι δεν δίνει διαβρωτικά προϊόντα, όπως η πρώτη (σχηματισμός HCl). H επιταξιακή στοιβάδα μπορεί να είναι πολύ καθαρή ανάλογα με την καθαρ ότητα των χρησιμοποιούμενων αντιδράσεων. Επίσης ανάλογα με το επιδιωκόμεν ο αποτέλεσμα είναι δυνατή η προσθήκη στο υδρογόνο PCI 3 ή BCI 3, οπότε στην λαμβανόμενη στοιβάδα πυριτίου υπάρχει η επιθυμητή περιεκτικότητα σε φώσφορο ή 77

21 βόριο και ο ημιαγωγός είναι ανάλογα n- ή ρ- τύπου. Με τον τρόπο αυτό αναπτύσσονται επιταξιακές στοιβάδες πάχους περίπου από 2 μέχρι 20μ. Επίσης έχει χρησιμοποιηθεί και η υγρή επιταξιακή μέθοδος ιδιαίτερα για την κατασκευή ημιαγωγών ενώσεων. Κατά την τεχνική αυτή, ο κρύσταλλος του υποστρ ώματος κρατείται πάνω από τήγμα ημιαγωγού. Με ελεγχόμενη ταχύτητα ψύξης σχηματίζεται στοιβάδα μονοκρυστάλλου με επιταξιακή ανάπτυξη επί του αρχικού κρυστάλλου Χημική απόθεση από αέριο κατάσταση Η χημική απόθεση από την αέριο κατάσταση (Chemical Va pour Deposition) γνωστή και σαν απόθεση C.V.D., εξετάζεται με μεγάλο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια διότι επιτρέπει ακριβή έλεγχο της χημικής σύστασης της αποτιθέμενης στοιβάδας, γεγονός που είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε εφαρμογές ημιαγωγών ενώσεων που χρησιμοποιούνται σε οπτικο-ηλεκτρονικές εφαρμογές (οπτικές-ηλεκτρονικές εφαρμογές). Η μέθοδος στηρίζεται στην εισαγωγή των συστατικών στον φορέα ανάπτυξης σαν αερίων ενώσεων μετά την ανάμειξη τους σε τέτοιες θερμοκρασίες που επιτρέπουν μικρή αντίδραση μεταξύ τους. Η ζώνη απόθεσης διατηρείται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ώστε να υπάρχει μια μετατόπιση της χημικής ισορροπίας μεταξύ των αερίων ενώσεων και τελικά να αποτίθεται μονοκρυσταλλική ουσία στο υπόστρωμα Επίταξη μοριακής δέσμης Η τεχνική της επιταξιακή ς ανάπτυξης με μοριακή δέσμη (Μοlecular Beam Epitaxy) απαιτεί τη χρήση υπερύψηλου κενού, με σκοπό την εξαέρωση των χημικών στοιχείων που εισχωρούν στο υπόστρωμα με τη μορφή μοριακών δεσμών. Σωστή στοιχειομετρία και σύσταση του αναπτυσσόμενου υλικού επιτυγχ άνεται με ρύθμιση των «θυρών» που ρυθμίζουν τις σχετικές ταχύτητες άφιξης των συστατικών στις διάφορες δέσμες. Οι ταχύτητες ανάπτυξης των στοιβάδων είναι πολύ μικρές, περίπου 10 n/min (νανόμετρα ανά λεπτό) και έτσι το πάχος των μπορεί εύκολα να ρυθμιστεί. Αν και η χημική απόθεση από την αέριο κατάσταση και η τεχνική της επιταξιακής μοριακής δέσμης δεν χρησιμοποιούνται ακόμη στις γραμμές παραγωγής της βιομηχανίας, προσφέρουν καλλίτερη αναπαραγωγικότητα από εκείνη της επιταξιακής ανάπτυξης σε υγρή φάση και έτσι θα επιτρέψουν την ανάπτυξη περισσότερο σύνθετων δομών. 78

22 3.10 Κατασκευή μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (Integrated Circuits) και τα μικροηλεκτρονικά κυκλώματα, χρησιμοποιούν σαν κύριο υλικό το πυρίτιο. Η «μονάδα» ενός μικροηλεκτρονικού κυκλώματος ονομάζεται «CHIP». Η κύρια ιδιότητα στην οποία στηρίζεται η χρήση του πυριτίου είναι η σχηματισμός επιφανειακά ενός προστατευτικού στρώματος από διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). To διοξείδιο του πυριτίου είναι γνωστό σε μη καθαρή μορφή σαν άμμος. Σε κεραμική μορφή χρησιμοποιείται για τη κατασκευή τμημάτων κλιβάνων, ενώ σε καθαρή μορφή (χαλαζίας, Quartz) έχει καλές οπτικές ιδιότητες. Είναι πολύ σκληρό, χημικά ανθεκτικό, μονωτικό και δύστηκτο υλικό (περίπου 1700 C). Με θέρμανση του πυριτίου σε θερμοκρασία 1200 C σχηματίζεται επιφανειακά υμένιο από οξείδιο. Η ταχύτητα ανάπτυξης-δημιουργίας του οξειδίου είναι πολύ μικρή, περίπου 1μ την ώρα και έτσι το πάχος ελέγχεται σχετικά εύκολα. Πέρα όμως από την ανάπτυξη της στοιβάδας του SiO 2 ένας σημαντικός αριθμός τεχνικών χρησιμοποιείται ακόμα. Παραγωγή ενός τρανζίστορ n-p-n. Κατ αρχάς λαμβάνεται ένα υπόστρωμα τύπου p- που έχει μια επιταξιακή στοιβάδα τύπου n- στο πάνω μέρος, πάχους 4-8μ. Επ αυτού αναπτύσσεται μια στοιβάδα οξειδίου που καλύπτεται από λεπτό υμένιο ενός φωτοευαίσθητου υλικού (Photoresist) και πάνω από αυτό τοποθετείται προστατευτικό υμένιο με διαφανείς και αδιαφανείς περιοχές. Στη συνέχεια η επιφάνεια προσβάλλεται με υπεριώδες φως που δρα μόνο εκεί που το υμένιο είναι διαφανές. Τα φωτοευαίσθητα υλικά είναι οργανικές ενώσεις των οποίων η διαλυτότητα επηρεάζεται από την έκθεση σε υπεριώδες φως. Εδώ χρησιμοποιείται ένα «θετικό» φωτοευαίσθητο υλικό που μετά την έκθεση στο φως οι εκτεθείσες περιοχές απομακρύνονται με κατάλληλο εμφανιστή. Μετά την εργασία αυτή, σχηματίζονται στην επιφάνεια του υλικού δύο ή περισσότερα «ανοίγματα» στο φωτοευαίσθητο υμένιο, όπως φαίνεται και στο σχήμα 68γ. Η επίδραση με υδροφθόριο (HF) στην επιφάνεια του πλακιδίου, έχει σαν αποτέλεσμα τη διάλυση του διοξειδίου του πυριτίου (SiO 2 ) στα σημεία που αυτό φαίνεται ενώ το φωτοευαίσθητο υμένιο μένει ανεπηρ έαστο. Έχει δημιουργούνται «ανοίγματα» στο SiO 2. Το φωτοευαίσθητο υμένιο απομακρύνεται κατόπιν με άλλα μέσα. Ο σκοπός όλων αυτών των διεργασιών που άρχισαν με την οξείδωση του πυριτίου είναι να δημιουργηθούν «είσοδοι» στην επιταξιακή στοιβάδα σε επιλεγμένες περιοχές. Η επόμενη διεργασία που χρησιμοποιεί τις «εισόδους» αυτές είναι η 79

23 διάχυση. Το πλακίδιο του πυριτίου τοποθετείται σε καθαρό κλίβανο, που σφραγίζεται και θερμαίν εται σε ορισμένη θερμοκρασία και χρόνο σε ατμόσφαιρα που περιέχει το στοιχείο που θα διαχυθεί. Με διαδικασία διάχυσης σε στερεή κατάσταση το επιθυμητό στοιχείο διαχέεται μόνο εκεί όπου δεν υπάρχει στοιβάδα οξειδίου. Για τη δημιουργία ρ- τύπου ημιαγωγού χρησιμοποιείται βρωμιούχο τρισθενές βόριο (BΒr 3 ) το οποίο θερμαίνεται στους 1100 C. Η δημιουργούμενη περιοχή εκτείνεται λίγο και πλευρικά κάτω από τη στοιβάδα οξειδίου, όπως φαίνεται και στο σχήμα 68 στ. Η στοιβάδα του οξειδίου στη συνέχεια απομακρύνεται και επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία δηλαδή: οξείδωση, επίστρωση με φωτοευαίσθητο υλικό, απόθεση προστατευτικού υμένιου, φωτισμός, απομάκρυνση εκτεθέντος φωτοευαίσθητου υλικού, απομάκρυνση στοιβάδας οξειδίου. Αν κατά την επανάληψη της διαδικασίας γίνει διάχυ ση φωσφόρου, δημιουργούνται n+ περιοχές. Έτσι κατασκευάζεται το τρανζίστορ τύπου n-p-n που χρειάζεται ακόμη σύνδεση με άλλα στοιχεία του ιδίου τσίπ. Για το σκοπό αυτό απαιτούνται ηλεκτρόδια. Προς τούτο δημιουργούνται τρία ακόμα «ανοίγματα» και εξατμίζεται μέταλλο, συνήθως αλουμίνιο, ώστε να είναι δυνατή η επαφή. Στην πράξη η κατασκευή που αναφέρθηκε παραπάνω σπάνια χρησιμοποιείται, διότι έχει δύο κύρια μειονεκτήματα (πρώτο, το «παράσιτο» τρανζίστορ p-n-p μεταξύ της βάσης του συλλέκτη και του υποστρώματος πρ οκαλεί απώλεια ρεύματος στο υπόστρωμα, και δεύτερο, υπάρχει υψηλή αντίσταση από την περιοχή n+ στην περιοχή p+). Για βελτίωση λοιπόν του τρανζίστορ, διαχέεται πρώτα μια στοιβάδα n+, πριν από την ανάπτυξη της επιταξιακής στοιβάδας, πάνω από το υπόστρωμα p- Επίσης, αποτίθεται μια ακόμη στοιβάδα n+, ώστε τελικά να λαμβάνεται το τρανζίστορ του σχήματος. 80