Fabricarea Joncțiunilor P-N prin Metoda Difuziei

Scopul lucrării : a lua cunoştinţă de metoda difuziei, folosind impurităţi din starea solida, pentru obţinerea joncţiunilor p-n şi de cercetat parametrii straturilor difuzionale şi ai joncţiunii p-n.

În anul 1952, Pfann a avut ideea de a modifica nivelul conducţiei în semiconductori folosind impurificarea acestora prin difuzie. De atunci, au fost dezvoltate mai multe tehnici de impurificare controlată. S-a urmărit întotdeauna modul cum se poate controla concentraţia de impurităţi, uniformitatea şi reproductibilitatea, precum şi stabilirea unor proceduri care să permită procesarea

simultană a mai multor plachete, astfel încât să fie reduse costurile de fabricaţie. Se pot folosi trei modalităţi de a introduce impurităţile în siliciu, şi anume:

- prin plasarea plachetelor într-un mediu bogat în impuritatea ce urmează a fi folosită (procese de difuzie);

- prin depunerea pe plachetă a unui strat subţire care conţine impuritatea de interes

- prin folosirea tehnicii de implantare de ioni.

La temperaturi mari, atomii reţelei cristaline vibrează în jurul nodurilor reţelei. Atomii care capătă energie suficientă pentru a părăsi nodurile reţelei devin interstiţiali şi lasă în urmă cîte o vacanţă. Cînd un atom de impuritate migrează spre locul vacanţei, mecanismul poartă numele de difuzie prin vacanţe sau substraţională. Cînd un atom de impuritate se deplasează între atomii (nodurile) reţelei, dără să ocupe un loc în nod, mecanismul se numeşte difuzi interstiţială. În cazul siliciului, elementele uzuale de dopare din grupele 3 şi 5 difuzează substraţional.

Dacă N(x,t) este concentraţia locală de impurităţi presupuse a difuza exclusiv în direcţia X, fluxul de impurităţi F (atomi de unitatea de arie în unitatea de timp) este proporţional cu gradientul concentraţiei de impurităţi, adică:

(1)

relaţie care defineţre constanta de proporţionalitate D drept coeficientul de difuzie al impurităţii respective (exprimat în cm2). Această ecuaţie de transport este prima lege a lui Fick. Datorită legii conservării, variaţia în timp a concentraţiei de impurităţi trebuie să fie egală cu variaţia locală a fluxului de difuzie, adică

Substituind (1) în această ecuaţie de continuitate se obţine cea de-a doua lege a lui Fick, sau ecuaţia difuziei sub forma unidimensională:

Dacă D este constant, ipoteză valabilă pentru concentraţii mici de impurităţi, ecuaţia devine:

(2)

Coeficientul de difuzie al oricărei impurităţi exponenţial depinde de temperatură:

(3),

unde D0 – constanta egală numeric cu coeficientul de difuzie la temperaturi infinit de mari (cm2/s); E – energia de activare, care se determină ca o oarecare energie, necesară impurităţii pentru a pătrunde în semiconductor (eV); T – temperatura absolută; k – constanta lui Boltzmann.

Ecuaţia (2) poate fi rezolvată pentru diferite seturi de condiţii iniţiale şi limită simple, care corespund însă destul de bine unor situaţii practice importante.

Un interes de mare importanţă practică o au două cazuri de efectuare a proceselor de difuzie:

1) difuzia într-o sursă semiinfinită (constantă) de impurităţi;

2) difuzia dintr-o sursă limitată de impurităţi.

Difuzia dintr-o sursă semiinfinită se foloseşte mai des la fabricarea C.I. ca prima etapă a difuziei, care are scopul de a introduce în semiconductor o anumită cantitate de impurităţi la o adîncime mică. Această etapă se numeşte des predifuzie sau depunere de impurităţi.