Лекция: Електрон

Рисунок 1 — Заміщення атомами домішок основних атомів решітки.

а) донорна домішка ( утворюється вільний електрон );

б) акцепторна домішка ( утворюється вільна дірка ).

Якщо ввести в кремній атом тривалентного елемента ( наприклад — бору, алюмінію ), то всі його тривалентні електрони вступлять у зв`язок з чотирма електронами сусідніх атомів кремнію.

Для утворення стійкої восьмиелектронної оболонки потрібний додатковий електрон. Такий електрон відбирається від найближнього атома кремнію. В результаті утворюється незаповнений зв`язок – дірка, а атом домішки перетворюється в нерухомий іон з від’ємним зарядом. Такі напівпровідники називають «дірковими» або p-типу. Домішки, які обумовлюють р-провідність називаються акцепторними.

Процес введення домішки найчастіше проводиться методом термодифузії. Для інтенсифікації процесу пластина підігрівається до високої температури.

Теоретичною основою процесу дифузії є два закони Фіка. Перший закон Фіка стверджує: якщо в замкнутому середовищі має місце градієнт концентрації речовини, то виникає потік, густина якого для одновимірного напрямку потоку визначається за формулою:

, (1)

де — градієнт концентрації дифундуючої речовини; D – коефіцієнт дифузії дифундуючої речовини; N — концентрація дифундуючої речовини. Знак мінус у даній формулі означає, що потік виникає в напрямку зменшення концентрації.

Коефіцієнт дифузії є величина залежна від температури. Ця залежність описується рівнянням:

, (2)

де D0 – температурно незалежний коефіцієнт, або коефіцієнт дифузії речовини при температурі рівній нескінченності; EА– енергія активації дифундуючої речовини, T – температура, при якій проводиться процес дифузії; k-стала Больцмана (k=1,38·10-23 Дж/К).

Крім температури, процес дифузії є залежним також від часу, що не відображені в першому законі Фіка. Отже, при наявності градієнту концентрації виникає потік, що визначає залежність концентрації речовини в даному середовищі від часу, поки не встановиться рівновага. Якщо розглядати цей процес в одномірному просторі і виходити із закону збереження маси, то зміна концентрації в часі буде визначатися зміною потоку з відстаню:

(3)

Ця формула відображає суть другого закону Фіка .

Аналізуючи закони Фіка, можна одержати дані про розподіл дифундуючої домішки в напівпровідниковій пластині, як в просторі, так і в часі, що є дуже важливим при розрахунку електричних характеристик елементів напівпровідникових інтегрованих мікросхем.