1.1 Clasificarea materialelor semiconductoare ; Legătura covalentă Pen tru a stabili proprietățile pe care le implică tehnologia dispozitivelor… [629943]

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
1 MATERIALE SEMICONDUCTOARE
1.1 Clasificarea materialelor semiconductoare ; Legătura covalentă
Pen
tru a stabili proprietățile pe care le implică tehnologia dispozitivelor
semiconductoare trebuie mai întâi studiate proprietățile și structura internă a
materialelor cu proprietăți semiconductoare.
Materialele semiconductoare (MS) sunt materiale a căror conductivitate
electrică se situează între conductoare și izolatoare , așa cum se prezintă în
fig.1.1.
Fig.1. 1 Conductivitatea tipică pentru izolatori, semiconductori și conductori.
În general, MS sunt rezistențe neliniare și rezistivitatea lor este puternic
influențată de defectele existente în structura cristalină a materialelor și de
factorii externi (tensiunea aplicată, iluminarea la care sunt supuse, temperatura
etc.), în timp ce la conductori acestea n -au practic nici o influență.
Coeficientul de temperatură al rezistivității semiconductoarelor este
negativ în domeniul de temperaturi ce interesează în tehnică, asemănându -se din
acest punct de vedere izolatorilor.
Clasificarea MS poat e fi făcut ă după diferit e criterii: chimi c, fizic și
funcțional.
În funcție de numărul elementelor chimice care intră î n 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 și Sb;
din grupa a șasea: S, Se, și Te; din grupa a șaptea: I) și MS compuse (în număr
de câteva sute, compuși binari de tipul III -V, IV-IV, II-IV, II-V, II-VI, I-V, I-VI,
III-VI etc.; compuși ternari de tipul I-III-V, II-IV -V, I-IV -VI, I-II-VI, IV-IV -VI
etc.; compuși cuaternari de tipul I-IV-V-VI, CuPbAsS3; soluții solide Ge-Si,
InAs-InSb, PbSe-PbTe etc.).

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
2 În funcție de natura legăturii interatomice care stă la baza structurii lor
MS s e clasifică în următoarele categorii:
– semiconductoare cu legătură covalentă direcțională, caracterizate prin
rigiditate și 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 – CdAs 2, SnS, SnSe, Ag 2Te;
-S cu structură cristalină trigonală – Bi2Se, Sb 2Te3;
-S cu structură cristalină hexagonală – GaSe, ZnSb, CdSb;
-S cu structură cristalină cubică – Si, Ge, SiC, GaP, GaAs, InSb;
-S cu structură cristalină policristalină – As2Se3AsS 3.
Din punctul de vedere al funcțiilor de utilizare , MS se clasific ă în:
-funcția de conducție comandată în tensiune electrică (câmp electric);
-funcția de conversie optoelectronică;
-funcția de detecție a radiațiilor nucleare;
-funcția de conversie electrooptică;
-funcția de conversie termoelectrică;
-funcția de conversie magnetoelectrică (efectul Hall și efectul
magnetorezistiv);
-funcția de conversie mecanoelectrică (efectul piezosemiconductor).
MS s unt utilizate la obținerea dispozitivelor semiconductoare:
tranzistoare, diode, etc. precum și la realizarea circuitelor integra te.
După apariția tranzistorului (1950), germaniul era principalul material
semiconductor, dar prezenta dezavantajul curentului rezidual ridicat la
temperaturi mari pecum și proprietăți modeste ale oxidului de germaniu. După
1960, siliciul devine înlocuitorul practic al germaniului, datorită:
-curenților reziduali mult mai mici,
-proprietăților remarcabile ale oxidului de de siliciu,
– considerente economice (costul siliciului monocristalin destinat
dispozitivelor semiconductoare și a circuitelor integrat e este cel mai scăzut).
În ultimii ani , Si devine și el de multe ori inutilizabil datorită limitelor de
performanță la frecvențe ridicate sau în domeniu optic.
Astfel, au apărut materiale semiconductoare compuse , compușii
intermetalici: SiC, GaP, GaAs, InSb, CdS etc.
Tipurile reprezentative de rețele cristaline sunt determinate de caracterul
și intensitatea forțelor de legătură din cristal . Legătura covalentă , ce
caracterizează și modul de cr istalizare pentru Ge și Si (cristalizează în sistemul
cubic tip diamant), reprezintă una din cele mai puternice forțe de legătură
chimică. Particulele constituente tind să -și formeze o configurație electronică
stabilă; acest lucru realizându -se de această dată prin punerea în comun a unor

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
3 perechi d e electroni de valență , electronii fiind „colectivizați ” doar parțial între
doi atomi.
Siliciul, în prezent cel mai utilizat element pentru obținerea materialelor
semiconductoare, ca și celelalte materiale semiconductoare pure, la care atomii
d
in rețeaua cristalină sunt de un singur tip, din grupa a IV-a a tabelului periodic
al elementelor, are structura sa, cu cei patru electroni de valență, prezentată în
fig.1.2.
Fig.1.2 Atomul de Si
La temperatura de 00K, atomii de siliciu sunt legați prin legături
covalente , așa cum se prezintă în fig.1.3, la care fiecare dintre aceștia participă
cu câte patru electroni de valență.
Fig.1.3 Legătura covalentă
În general , rezistivitat ea conductoarelo r pure (sau intrinseci) est e prea
mare pentru necesități practice.
Revenind la diagrama benzilor energetice, la temperatura de 00K ,
electronii sunt plasați numai în banda de valență. Deoarece nu există electroni de
conducție (electroni liberi), în structura materialului semiconductor nu se
generează curent electric.
Obs. Banda interzisă Fermi pentru siliciu, w i ≈ 1eV, este prea mare pentru
a permite trecerea , sub acțiunea unui câmp E, a unui număr suficient de mare de
electroni din banda de valență BV în banda de conducție BC, chiar la
temperatura camerei.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
4 1.2 Conducția intrinsecă
Condu cția unui semiconductor intrinse c se poate totuși reali za 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 valență, care, beneficiind de acest aport energetic, pot trece
de nivelele energetice din banda interzisă și ajunge pe nivelele energetice din
banda de conducție, devenind liberi să se deplaseze prin structura materialului.
Prin plecarea acestor electroni din banda de valență, locul ocupat inițial de
către aceștia pe nivelul energetic din banda de valență devine liber, altfel spus –
gol. Acest gol poate fi ocupat de un alt electron de valență, fără un aport
energetic substanțial. Acest al 2-lea electron de valență, 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 valență. Se constată astfel, o
deplasare a golurilor în banda de valență, motiv pentru care și golul este un
purtător de sarcină mobil (purtător fictiv) . Acest fenomen este prezentat în
fig.1.4.
Fig.1.4 Apariția unui electron și a unui gol de conducție în benzile energetice
Același fenomen poate fi explicat pe baza structurii rețelei cristaline a
atomului de siliciu. La temperatura de 00K, atomii de siliciu sunt legați prin
legături covalente la care fiecare dintre aceștia participă cu câte 4 electroni de
valență. La nivelul rețelei cristaline, electronii de valență pot căpăta suficientă
energie astfel încât să rupă legăturile covalente în care au fost fixați. Prin
ruperea legăturii covalente, electronii de valență devin liberi (devin electroni de
conducție) și lasă în urmă, la nivelul atomului de unde au plecat un gol,
caracterizat printr- un un exces de sarcină pozitivă la nivelul atomului respect iv.
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.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
5valență rupe o legătură covalentă, devenind liber, poate ocupa golul lăsat de
primul elec tron de valență. Acest fenomen este sugerat în fig.1
.5.
Fig.1.5 Rețeaua cristalină, apariția unui electron liber și a unui gol
Purtătorii
mobili de sarcină electrică în semiconductoare sunt
electronii de conducți e și golurile . Deoarece aceștia 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 apariția unor fenomene de
conducție electrică (fenomene legate de generarea curentului electric).
În consecință, se poate apune că într-un semiconductor intrinsec procesul
de conducție se realizează prin electron ii din banda de conducție și prin golurile
din banda devalență, ca în fig.1.6; conducția astfel realizată se numește
conducție intrinsecă .
Fig.1.6 Conducția 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 conducție și goluri ) sunt generați prin ruperea legăturilor covalente.
În plus, se constat ă că prin creșter ea temperaturii , număru l de electron i de
valență care capătă suficientă energie pentr u a rupe legăturil e covalent e, crește.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
6În
concluzie, prin creșterea temperaturii, tot mai multe legături covalente
se rup și astfel sunt generați tot mai mulți purtători mobili de sarcină.
Mecanismul de generare a purtătorilor mobili de sarcină în
semiconductoare pe baza creșterii temperaturii se numește generare termică de
purtători de sarcină.
Din fenomenele descrise mai sus s-a constatat că, prin ruperea legăturilor
covalente, electronii de conducție și golurile sunt generați în perechi .
Deoarece electronii de conducție și golurile sunt generați în perechi,
concentrațiile de purtători mobili de sarcină electrică într -un semiconductor
intrinsec sunt egale. Concentrațiile de purtători mobili de sarcină electrică
într-un semiconductor se notează astfel:
n = concentrația de electroni de conducție,
p = concentrația de goluri.
Valoarea comună a acestor concentrații se numește concentrație
intrinsecă și se notează cu ni. În concluzie, pentru un semiconductor intrinsec
este valabilă relația:
in p n
(1.1)
Fig.1.7 Variaț ia cu temperatura a concentrației intrinseci la Si și Ge
Concentrația intrinsecă
crește cu creșterea temperaturii semiconductorului.
La temperatura camerei, considerată 3000K, ni are valoarea 1,451010cm-3 pentru
siliciu, respectiv 21013 cm-3, la germaniu. În fig.1.7 se prezintă modul în care
variază cu temperatura T concentrația intrinsecă a unui material semiconductor
din siliciu sau germaniu.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
7Recombinarea purtătorilor de s arcină . În cadrul semiconductoarelor,
pe lângă mecanismul de generare a purtătorilor de sarcină este prezent și
mecanismul invers, care duce la dispariția purtătorilor de sarcină. Mecanismul
respectiv se numește recombinare de purtători de sarcină și este caract erizat
prin revenirea electronilor de pe un nivel energetic superior, din banda de
conducție, pe un nivel energetic inferior, în banda de valență.
Reveni rea în band a de valenț ă a unui electron d e conducți e duce atât la
dispariția unui electron de conducție cât și a unui gol.
Deci , mecanismul d e recombinare a purtătorilor de sarcină du ce la
dispariția în perechi a acestora.
1.3 Conducția extrinsecă
Fenomenul de dopare constă în introducerea în materialul semiconductor
intrinsec, prin diverse procedee co ntrolate, a unor atomi diferiți față de cei din Si
sau Ge, denumiți și atomi de impuritate , în scopul modificării proprietăților
electrice ale materialului semiconductor. Un material semiconductor dopat cu
atom
i de impuritate se numește material semiconductor extrinsec . Condiția
necesară ca un material semiconductor să fie extrinsec este ca concentrația de
atomi de impuritate cu care este dopat materialul semiconductor intrinsec, notată
Nimpurități să fie mult mai mare decât concentrația intrinsecă ni:
impuritati iNn
(1.2)
Materialel e semiconductoare extrinseci sunt utilizat e pentru realizarea
dispozitivelo r semiconductoare: circuite integrat e, tranzisto are sau diode.
Atomii de impuritate cu care se dopează materialele semiconductoare
intrinseci sunt atomi din grupele V, respectiv III, din care cei mai frecvent
utilizați sunt cei prezentați în fig.1.8.
Fig.1.8 Atomii de impuritate cu care se dopează materialele semiconductoare
În funcție de atomii de impuritate cu care sunt dopate materia lele
semiconductoare intrinseci, materialele semicondu ctoare extrinseci se împart în
două categorii:
– materiale semiconductoare de tip n ;
– materiale semiconductoare de tip p.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
8În co
ncluzie, semiconductorii extrinseci au banda interzisă Fermi prin
care trece nivelul wF = E i relativ largă, astfel încât conducția electrică este
posibilă numai prin crearea unor niveluri permise adiționale ce rezultă prin
doparea cu atomi străini de tip donor E d, semiconductor de tip n, ca în fig.1.9a
sau acceptor E a, semiconductor de tip p, ca în fig.1.9b; în prezent , în tehnică se
utilizează numai semiconductori extrinseci.
Fig.1.9 Niveluri permise adiționale de tip donor Ed (a) sau acceptor E a (b)
în banda i
nterzisă Fermi
Materiale semiconductoare d e tip n. Pentru o bține rea acestui m aterial
electronic, semiconductorul intrinsec este dopat cu atomi de impuritate
pe
ntavalenți, din grupa a V -a a tabelului periodic al elementelor chimice, care în
structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. P atru
din cei cinci electroni de valență ai atomului de i mpuritate formează 4 legături
covalente cu electronii de valență ai atomilor de siliciu sau g ermaniu învecinați,
în timp ce al 5-lea electron de valență al atomului de impuritate este slab legat,
astfel că la temperatura camerei primește suficientă energie pentru a se
desprinde de atomul de impuritate, devenind astfel electron liber, sau electron de
conducție, capabil să participe la fenomenele de conducție, așa cum este
prezentat și în fig.1.10.
Fig.1.10 Crearea unui electron de conducție

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
9
d c dw w Elementele pentavalente formează niveluri donoare apropiate de banda
de conducție ca în fig.1.11, pentru ca tranziția să se efectueze și la temperatura
ambiantă; conducția electrică se realizează în acest caz prin intermediul
electronilor ajunși în banda de conducție, iar semiconductorii respectivi sunt
numiți semiconductori de tip “n”; impurificarea germaniului și siliciului pentru
obținerea semiconductorilor de tip n se face cu fosfor, arseniu sau stibiu.
Pentru aceste elemente se prezintă în continuare poziții le nivelelor
donoare în banda interzisă Fermi :. Astfel, în germaniu w
dw
este de: 0,012 eV pentru P, 0,0127 eV pentru As și 0,0096 eV pentru St. Iar în
siliciu
dw este de: 0,044 eV pentru P, 0,049 eV pentru As și 0,039 eV pentru
St.
Fig.1.11 Dopare cu elemente donoare; nivelu l adițional donor W d
Se co
nstat ă că form area electronulu i de conducți e nu este însoțit ă de
generarea unu i gol.
Electronii de conducție obținuți în acest mod sunt generați prin doparea
materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obținere a
electronilor de conducție, aceștia mai pot fi generați și prin mecanismul de
generare termică (prin creșterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui
electron de conducție este însoțită de generarea unui gol.
Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului
semiconductor de tip n, concentrația de electroni de conducție este mult m ai
mare decât cea de goluri. Din acest motiv, electronii de conducț ie se numesc
purtători de s sarcină majoritari , iar golurile se numesc purtători de s sarcină
minoritari .
Deoarece atomul de impuritate cedează acest al 5 -lea electron de valență,
el se numeșt e atom donor . În urma cedării celui de al 5-lea electron, atomul
donor devine ion pozitiv (se reamintește 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).
Material e semiconductoa re de tip p. Pentr u obține rea acestu i material
electroni c, semiconductoru l intrins ec este impurifica t cu atom i trivalenți , (din

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
10grupa 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 valență
ai săi, la formarea numai a trei legături covalente cu electronii de valență ai
atomilor de siliciu sau germaniu învecinați, lăsând electronul de valență 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 valență al celui de-al 4-lea atom de siliciu învecinat ,
fig.1.12 (atomul de siliciu din dreapta), poate forma o legătură covalentă cu un
alt electron de valență al unui alt atom de siliciu învecinat, care, prin
completarea acestei legături covalente, lasă la rândul său, în urma sa un gol.
Fig.1.12 Crearea unui gol, purtător fictiv de sarcină electrică pozitivă
Elementele trivalente utilizate ca impurități formează niveluri acceptoare
situate imediat deasupra benzii de valență ca în fig.1.13, astfel că tranzițiile se
efectuează și la temperatura ambiantă; deoarece conducția se realizează prin
golurile din banda de valență, semiconductorii dopați cu elemente acceptoare
sunt numiți semiconductori de tip “p”; impurificarea germaniului și siliciului
pentru obținerea semiconductorilor de tip p se face cu cu bor, aluminiu, galiu,
indiu .
Fig.1.13 Dopare cu elemente acceptoare; nivelul adițional acceptor W a

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
11Pentru aceste elemente se prezintă în continuare pozițiile 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 și
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 și 0,16 eV pentru In.
Se constată că formarea unui gol nu este însoțită de generarea unui
electron de conducție.
Golurile obținute în acest mod sunt generate prin impurificarea
materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obținere a
golurilor, acestea mai pot fi generate și mecanismul prin generare termică (prin
creșterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui gol nu este însoțită de
generarea unui electron de conducție.
Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului
semiconductor de tip p , concentrația de goluri este mult mai mare decâ t cea a
electronilor de conducție. Din acest motiv, golurile se numesc purtători de
sarcină majoritari , iar electronii de conducție se numesc purtători de
sarcin ă minoritari .
Deoarece atomul de impuritate primește un electron de valență de la un
atom de siliciu învecinat, el se numește atom acceptor . În urma primirii acestui
electron, atomul acceptor devine ion negativ.
Prin doparea unei zone dintr-un cristal s emiconductor cu impurități
acceptoare și o altă zonă separată de prima printr -o suprafață plană dopată cu
impurități donoare, se obține joncțiunea “p -n”, care stă la baza construcției
dispozitivelor electronice .
1.4 Concentrația purtătorilor mobili de sarcină în materialele
semiconductoare extrinseci
În cazul în care un material semiconductor nu este supus nici unei surse
de energie externă și nu există variații în timp ale mărimilor care îl
caracterizează (de exemplu concentrațiile de purtători de sarcină) se spune că
acesta lucrează în regim de echilibru termic .
Concentrațiile de purtători de sarcină electrică la echilibru termic într -un
semiconductor se notează astfel:
n0 = concentrația de electroni de conducție,
p0 = concentrația de goluri.
La echilibru termic, legătura dintre concentrațiile de purtători mobili de
sarcină dintr -un semiconductor și diagramele energetice se poate exprima prin
relațiile:
-concentrația de electroni de conducție la echilibru termic:
0 expFi
iEEnnkT
(1.3)

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
12-con
centrația de goluri la echilibru termic:
0 expFi
iEEpnkT  
(1.4)
un
de:
– E F este nivel ul energetic din diagrama benzilor energetice , care se numește
nivelul Fermi la echilibru l termic și care are o valoare constantă în tot vol umul
materialului;
– E i este nivel ul 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 rel ațiile de mai sus, rezultă că, într -un material extrinsec, legătura
dintre concentrațiile celor două tipuri de purtători mobili de sarcină electrică
este:
2
00 i p n n
(1.5)
Aceas
tă relație este adevărată pentru orice tip de semiconductor, cu
condiția ca acesta să fie la echilibru termic.
În cazul materialelor semiconductoare omogene, dopate uniform cu
impurități, legătura dintre concentrațiile de purtători mobili de sarcină electrică
și concentrațiile de atomi de impuritate se determină di n condiția 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
(1.6)
un
de prin q s-a notat densitatea de sarcină electrică din volumul materialului
semiconductor, aceasta fiind exprimată în [C/cm3].
Cunoașterea valorii densității de sarcină electrică într -un material
electronic este deosebit de utilă în analizarea fenomenelor de conducție sau
pentru determinarea concentrației de purtători de sarcină electrică din acesta.
Prin definiție, densitatea de sarcină electrică într -un material este egală cu
produsul dintre sarcina electrică elementară, notată cu +q, respectiv –q, în
funcție de semnul sarcinii, pozitivă, respectiv negativă și concentrația
purtătorilor de sarcină electrică în volumul materialului considerat, notată
generic cu Cq:
qq qC 
(1.7)
Sarcina electrică q se măsoară în Coulombi [C] și este egală cu 1,6×10-19
[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 concentrațiile specificate în Tabelul 1.1:

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
13Tabelul 1.1
semnul
purtătorilor de
sarcină purtători mobili purtători imobili
negativi Electroni de
conducție:
n0 Ioni acceptori:
NA*
pozitivi Goluri:
p0 Ioni donori:
ND*
Se reamintește că numai purtătorii mobili de sarcină electrică sunt
responsabili pentru fenomenele de conducție din semiconductor, fiind generați
prin dopare și generare termică; ionii provin din atomii de impuritate, prin
cedarea, respectiv acceptarea electronilor de valență.
Pe baza relației (1.7) și a Tabelului 1, rezultă că densitatea de sarcină
electrică din volumul unui semiconductor dopat cu impurități donoare și
acceptoare este:
**
00 q D A q p q N q n q N       
(1.8)
Pent
ru ca relația ( 4.8) să fie utilă în calcule, este necesară cunoașterea
valorilor concent rațiilor de ioni din materialul semiconductor dopat. Deoarece
procesul de dopare al semiconductorului intrinsec este controlat, concentrațiile
de atomi de impuritate se cunosc, acestea fiind notate ca mai jos:
– N D = concentrația de atomi de impuritate donori (pentavalenți).
– N A = concentrația de atomi de impuritate acceptori (trivalenți).
Ambele concentrații se expimă în [particule/cm3].
Se poate considera că la temperatura camerei toți atomii de impuritate
cedează, respectiv primesc electroni de valență, devenind ioni. Din acest motiv,
concentrațiile de ioni din materialul semiconductor dopat se pot aproxima ca
mai jos:
*
*DD
AANN
NN

(1.9)
Astfel, pe baza relațiilor ( 1.8) și (1.9), densitatea de purtători de sarcină
din volumul unui semi conductor se determină cu relația de mai jos:
00 q D A q p q N q n q N       
(1.10)
Ținând
cont de condiția de neutralitate electrică ( 4.6), specifică
materialului semiconductor și valoarea densității de sarcină electrică ( 4.10), se
poate obține relația de calcul a concentrațiilor de purtători mobili de sarcină și
concentrațiile de atomi de impuritate:
00 AD p n N N  
(1.11)

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
14Astfel, în cazul unui semiconductor dopat cu impurități, relațiile (1.5) și
(1
.11) formează un sistem cu necunoscutele care reprezintă concentrațiile de
purtători mobili de sarcină din care se pot calcula valorile acestor necunoscute.
Concentrația purtătorilor mobili de sarcină în materialele
semiconductoare de tip N. Un material semiconductor devine extrinsec dacă
concentrația de atomi de impuritate este mult mai mare decât cea intrinsecă.
Pentru un semiconductor extrinsec de tip N, concentrația de atomi de impuritate
respectă relațiile:
0D i A N n si N 
(1.12)
Utilizând sistemul
compus din relațiile (1.5) și (1.11), ținând cont de
concentrațiile de atomi de impuritate și de faptul că într -un astfel de m aterial
n0>>p 0, relațiile de legătură dintre concentrațiile de purtători mobili de sarcină și
concentrațiile de atomi de impuritate sunt:
2
00i
D
Dnn N si pN
(1.13)
Concentrația purtătorilor mobili de sarcină în materialele
semiconductoare de tip P . Pentru un semiconductor extrinsec de tip P,
concentrația de atomi de impuritate respectă relațiile:
0A i D N n si N 
(1.14)
Utilizând sistemul
compus din relațiile (1.5) și (1.11), ținând cont de
con
centrațiile de atomi de impuritate și de faptul că într -un astfel de material
p0>>n 0, relațiile de legătură dintre concentrațiile de purtători mobili de sarcină și
concentrațiile de atomi de impuritate sunt:
2
00i
A
Anp N si nN
(1.15)
1.5 Fenomenele de conducție electrică din materialele
semiconductoare
Chi
ar și în condiții de echilibru termic, purtătorii de sarcină mobili se află
într-o continuă mișcare aleatorie (mișcare browniană) datorită energiei termice,
sensul mișcării fiind imprevizibil și dictat de ciocnirile frecvente ale purtătorului
mobil de sarcină cu atomii din structura semiconductorului, așa cum este sugerat
și în exemplul din fig.1.14, în care se prezintă traiectoria aleatorie a unui
purtător de sarcină în structura unui semiconductor.
În c
ondiții de echilibru , această miș care termi că aleatorie nu dă naștere la
fenomene de conducți e. Echilibrul se poate pertur ba în două moduri:
-prin aplicarea asupra semiconductorului a unui câmp electric;

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
15-prin neuniformizarea distribuției concentrației de purtători mobili de
sarcină electrică în volumul semiconductorului.
Fig.1.14 Traiectoria aleatorie a unui purtător de sarcină
În c
ondiții de echilibru , această miș care termi că aleatorie nu dă naștere la
fenomene de conducți e. echilibrul se poate pertur ba în două moduri:
-prin a
plicarea asupra semiconductorului a unui câmp electric;
-prin neuniformizarea distribuției concentrației de purtători mobili de sarcină
electrică în volumul semicon ductorului.
În ambele cazuri, purtătorii mobili de sarcină electrică vor suferi o
deplasare (mișcare) orientată, care permite apariția fenomenelor de conducție
electrică în structura semiconductorului. Fiecare mecanism care duce la
perturbarea echilibrului unui semiconductor permite generarea unui curent
electric. Curenții electrici generați prin aplicarea asupra semiconductorului a
unui câmp electric se numeșsc curenți de câ mp (sau curenți de drift), iar
curenții electrici generați prin neuniformizarea distribuției concentrației de
purtători mobili de sarcină electrică în volumul semiconductorului se numesc
curenți de difuzie .
Curenții de camp. Aplicarea unui câmp electric de intensitate E asupra
unui semiconductor, face ca purtătorii mobili de sarcină electrică să se deplaseze
orientat, în funcție de sensul câmpului electric aplicat asupra semiconductorului,
așa cum se sugerează în fig.1.15 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 direcției câmpului
electric iar goluril e pe direcția câmpului electric.
Ca urmare a aplicării câmpului electric asupra semiconductorului,
purtătorii mobili de sarcină electrică capătă o viteză medie pe direcția câmpului
electric, acest fenomen purtând denumirea de drift. Viteza medie a purtătorilor
mobili de sarcină electrică este direct proporțională cu intensitatea câmpului
electric:
:
:nn
ppelectroni v E
goluri v E
 
 
(1.16)

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
16
  / E V cm
  / v cm sFig.1.15 Deplasare orientată a purtătorilor la aplicarea unui câmp electric
unde: E este intensitatea câmpului electric și se măsoară în , vnșivpsunt vitezele
de câmp sau de alunecare în benzi, ale purtătorilor de sarcină și se măsoară în ,
iar  nși  p se numesc mobilitatea electronului ,
respectiv a golului și se măsoară în
 2cm
Vs (cm = centimetru, V = volt –
unitatea de măsură a tensiunii electrice, s = secundă).
Fig.1.16 Mobilitatea purtătorilor mobili de sarcină electrică
Mobilitățile purtătorilor mobili de sarcină electrică reprezintă o măsură a
“lejerității” cu care purtătorii mobili de sarcină electrică se pot deplasa orientat,
în funcție de sensul câmpului electric aplicat, reprezentând un rezultat al
ciocnirilor purtătorilor mobili de sarcină electrică cu atomii din rețeaua cristalină
a semiconductorului. Mobilitatea purtătorilor mobili de sarcină electrică depinde
invers proporțional de temperatură și de concentrația totală de atomi de
impurități din semiconductor, situație prezentată în fi g.1.16, în care s-a

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
17 con
siderat un material semiconductor la T=300K, din care se remarcă faptul că
golurile au o mobilitate inferioară electronilor de conducție.
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 conducție și o componentă
datorată deplasării golurilor.
Densități de curent (intensitatea de curent pe suprafața de arie) ale acestor
curenți electrici sunt egale cu produsul dintre densitatea de sarcină electrică a
purtătorilor mobili de sarcină și viteza medie de deplasare a acestoa sub acțiunea
câmpului elctric aplicat:
q Jv
(1.17)
Densitatea de curent se exprimă în
 2/ J A cm , unde A = amper
(unitatea de măsură a curentului electric).
Ținând cont de ( 4.7) și de concentrațiile purtătorilor mobili de sarcină
electrică, densitățile curenților de câmp se pot defini astfe l:
:
:Cn n
Cp pelectroni J q n v
goluri J q p v  
  
(1.18)
sau, ținând cont de ( 4.16),
:
:Cn n
Cp pelectroni J q n E
goluri J q p E
   
   
(1.19)
Densitatea totată de curent electric, datorat aplicării câmpului electric
asupra unui semiconductor, reprezintă suma densităților de curent electric a
celor două componente:
C n p J q n E q p E       
(1.20)
Pe baza legii lui Ohm se poate defini rezistivitatea semiconductorului ,
care se notează cu :
  ,
CEcmJ 
(1.21 )
și care, pe baza relației (4.21), se poate calcula cu relația:
 1
np q n p

   
(1.22)
Se definește conductivitatea materialului semiconductor ca inversul
rezistivității:
  1 1, cm   
(1.23)

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
18 Pe baza relației (1.22) și a relațiilor de calcul pentru concentrațiile
purtătorilor mobili de sarcină electrică, rezistivitatea materialelor
semiconductoare extrinseci se poate calcula cu formulele:
1_ _ ,
1_ _ ,n
Dn
p
Apmaterial semiconductor NqN
material semiconductor PqN


(1.24)
Din
relațiile (1.24) se observă că rezistivitatea unui material
semiconduct or depinde invers proporțional cu nivelul de dopare cu impurități al
semiconductorului, iar în fig.1.17 se exemplifică această observație.
Fig.1.17 Variația rezistivitații semiconductorului în funcție de dopare
Curenții de difuzie . În cazul în care există concentrații neuniforme de
purtători mobili de sarcină electrică în volumul unui semiconductor, aceștia au
tendința de a se deplasa din regiunea în care sunt în concentrație mare spre
regiunea în care sunt în concentrație mică, pentru uniformizare. Acest fenomen
se numește difuzia purtătorilor mobili de sarcină electrică. În fig.1.18, se
sugerează difuzia electronilor de conducție din regiunea în care sunt în
concentrație mare spre regiunea în care sunt în concentrație mică.
Fig.1.18 Difuzia electronilor de conducție în funcție de concentrație

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
19 Ca u
rmare a depla sării purtătorilor mobili de sarcină electrică în volumul
unui semiconductor, iau naștere curenți electrici. Curenții electrici generați prin
difuzia purtătorilor de sarcină se numesc curenți de difuzie și au două
componente, una de electroni și una de goluri, pentru fiecare fiind definită câte o
densitate de curent conform relațiilor de mai jos
:
:Dn n
Dp pelectroni J q D n
goluri J q D p  
  
(1.25)
Ca at
are, fluxul
J de particule de impuritate care trece în unitatea de timp
prin unitatea de suprafață este proporțional cu gradientul de concentrație (prima
lege a lui Fick dedusă pentru difuzia gazelor în medii izotrope) și unde
coeficienții notați cu D se numesc coeficienți de difuzie pentru electroni,
respectiv pentru goluri și se exprimă în
 2/ D cm s , reprezentând o măsură a
lejerității difuziei purtătorilor mobili de sarcină electrică, iar  reprezintă
gradientul acestora; pentru concentrații care variază după o singură direcție x, se
poate considera că:
/d dx .
Coeficienții de difuzie D ai impurităților în corpul (mediul) considerat
depind de tipul atomilor ce difuzează, de natura materialului în care difuzeză,
precum și de temperatura la care are loc procesul de difuzie.
Între coeficienții de difuzie D și mobilitațile purtătorilor mobili de sarcină
electrică există următoarea relație de legătură:
p n
npD D kT
q 
(1.26)
unde k, T, q au semnificațiile deja introduse.
Coeficientul de difuzie a purtătorilor depinde de drumul liber mediu sau
mijlociu al acestor a, ca și mobilitatea. De asemenea, se precizează că purtătorii
participă la procesele de transport pe durata
 numită timp de viață mediu ,
timp în care respectivii purtători parcurg prin difuzie în semiconductor o distanță
L numit ă lungime de difuzie .
Între parametrii L,
 și D există relațiile:
n n nLD
, pentru electroni (1.27)
și
p p pLD
, pentru goluri. (1.28)
1.6 Ecuațiile curenților în semiconducto are
Pentru un semiconductor, se definește ca densitate totală de curent J
suma dintre densitatea curenților de câmp și densitatea curenților de difuzie,
generați de deplasarea electronilor și densitatea curenților de câmp și densitatea
curenților de difuzie generați de deplasarea golurilor:

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
20
Cn Dn Cp Dp n p J J J J J J J     (1.29)
D
ensitatea de curent totală are o componentă de câmp și o componentă de
difuzie, ambele componente incluzând câte o componentă de electroni și una de
goluri:
_ _ :
_ _ :n n n
p p pcomponeta de electroni J q n E q D n
componenta de goluri J q p E q D p
      
      
(1.30)
1.7 Dependența de frecvență a conductivității electrice
a materialelor semiconductoare
Un material semiconductor se comportă în câmp electric ca un material
dielectric cu pierderi prin conducție relativ ridicate, întrucât limita inferioară a
conductivității materialului semiconductor este egală cu limita superioară a
conductivității unui material dielectric: =10-8[S/m]. În materialul
semiconductor, deoarece pierderile prin conducție 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 și
pierderi prin conducție, și reprodusă în fig.1.1 9a.
Fig.1.19 Schemele echivalente ale unui condensator cu semiconductor (a) și
c
ea corespunzătoare unității de volum a materialului semiconductor (b) ;
Dependențele de frecvență a componen telor conductivității complexe (c, d)
Admitanța condensatorului cu material semiconducto r, având suprafaț a S,
a armăturilo r și distanța d între el e, conform schemei echivalent e, are expresia:
01
r
pY j Cr 
, (1.31)

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
21 un
de:
pdrS este rezistența de pierderi prin conducție, iar
0
0SCd este
capacitat ea condensatorului cu aceleași dimensiuni, dar având aer între armături.
Considerând mărimile cu variație sinusoidală în timp, reprezentate în
complex simplificat, pentru o tensiune
 exp U U j t  , aplicată armăturilor,
se stabilește un curent:
I Y U și un câmp
/ E U d între armături.
Relația (4. 31) obține forma:
  0 //rSSY I U JS Ed jdd       
, (1.3 2)
unde:
J , este densitatea de curent, iar conductivitatea
 s-a co nsiderat mărime
complexă, întrucât în regim nestaționar, datorită anizotropiei materialului sau a
frecvențelor ridicate, liniile densității de curent
JE și ale curentului
I J S
sunt diferite de liniile câmpului electr ic
E .
Relația (1.32), corespunzătoare unității de volum a materialului
semi
conductor , are expresia în co mplex simplificat :
 0r J j E  
(1.3 3)
Dens
itatea de curent
/ J I S este curentul electric care străbate unitatea
de suprafață a semiconductorului, iar intensitatea câmpului electric:
/ E U d ,
este tensiunea electrică distribuită pe unitatea distanței dintre armături sau a
grosimii semiconductorului. Termenul al doilea a l relației (4.33 ), s-a introdus
pentru a caracteriza comportarea dielectrică a materialului semiconductor, iar
primul termen este asociat proprietății de conducție a materialului
semiconductor.
Comportarea semiconductorului în regim nestaționar poate fi descrisă prin
aceleași expresii ca și în regim staționar, constanta de timp de relaxare fiind însă
o mărime complexă:
0
0 1j
, (1.34)
unde:
0 reprezintă constanta de timp de relaxare pentru regimul staționar.
Expresia conductivității complexe este similară expresiei (4.34 ):
2 0
1np
npnpej m m   
      
, (1.35)
unde:
0 este conductivitatea în regim staționar.
Cu relați a (1.35), relați a (1.33) obține forma:

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
22
0
00
001
1 1rr J j E j Ejj    
       
(4.36)
Schema echivalentă corespunzătoare unității de volum a materialului
semiconductor este reprezentată , conform relației ( 1.36), în fig.1.1 9b și este
compusă din rezistența unitară
0 1/ur , capacitatea unitară
0urC și
inductivitatea unitară:
0/uL
. Schema echivalentă pune în evidență
apariția rezonaței la frecvența :
0
0
0
01 1 1
2 22r
r uu
rf
LC
        
, (1.37)
care are valori în domeniul microundelor.
Relația (4.35) poate fi scrisă sub forma:
 0 0 0 0
2 2 21
1 1 ( ) 1 ( ) 1 ( )jjj             
(1.38)
Utilizând relațiile (4.33) și (4.38), din relația:
' ''j  
(1.39)
rezultă prin identificare expresiile componentelor conductivității complexe a
materialului semiconductor în funcție de frecvența câmpului electric aplicat:
 0
2'
1


, (1.40)
 0
0 2''
1r   



(1.41 )


Dependenț ele de frecvență, la temperatura mediului ambiant, ale
co
mponentelor conductivității (partea reală) și (partea imaginară)
normate sunt reprezentate în fig.4. 19c,d. Interacțiunile purtătorilor de sarcină cu
impuritățile ionizate și cu fononii sunt predominante.
1.8 Factorii care influențează proprietățile semiconductoare
I
nfluența impurităților. Creșterea gradului de impurificare prin dopare
sau accidental (impurități necontrolate) determină creșterea conductivității
semiconductorilor. Impurificarea necontrolată afectează negativ caracteristicile
funcționale ale semiconductorului respectiv și de aceea trebuie evitată în
procesul de fabricare.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
23 Influența temperaturii. Odată cu creșterea agitației termice a particulelor,
crește numărul electronilor din banda de conducție și al golurilor din banda de
valență, și deci crește conductivitatea totală a semiconductorului; spre deosebire
de metale, în domeniul temperaturilor uzuale rezistivitatea semiconductorilor
scade pe măsură ce temperatura crește, fig.1.2 0.
Fig.1.21 Efectul Hall în semiconductori Fig.1.20 Infleunța temperaturii asupra
conducției semiconductorilor și metalelor
Influența câmpului electric. Probabilitatea de tranziție a electronilor de
pe nivelurile donoare (sau din banda de valență) crește odată cu creșterea
intensității câmpului electric, ceea ce conduce la creșterea conductivității
electrice. În cazul câmpurilor electrice foarte intense, poate avea loc trecerea în
avalanșă a electronilor în banda de conducție, adică străpungerea
semiconductorului care devine inutilizabil datorită efectului distructiv al
străpungerii. Anumiți semiconductori prezintă fenomenul de luminiscență sub
acțiunea câmpului electric datorită unor tranziții cu efect radiativ în domeniul
spectrului vizibil.
Influența câmpului magneti c. Acțiun ea câmpurilo r magneti ce exterioare
se manifest ă prin efectul Hall și efectul magnetostrictiv . Efectul Hall constă în
apariția unei tensiuni electric e UH între fețele laterale al e unei plăci
semiconductoare de grosime d parcursă de curentul I și situată într -un câmp
magnetic de inducție B, perpendicular pe placă, fig.1.21,
Tensiune a U H are valoarea:
H
HR BIUd
, (1.42)
unde R H este constanta Hall a semiconductorului respectiv; generatoarele Hall
construite pe baza acestui efect au aplicații în măsurarea câmpului magnetic, a
intensității curentului electric etc.
Efectul magnetostrictiv în general constă în modificarea dimensiunilor unui corp
sub acțiunea unui câmp magnetic; ef ectul magnetostrictiv la semiconductoare
este mai redus decât în cazul unor metale.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
24 Influența radiațiilor. Lumina sau a alte radiații acționează asupra
semiconductorilor prin creșterea energiei purtătorilor de sarcină, ceea ce poate
avea următoarele efecte :
-efect fotoelectric manifestat prin smulgerea unor electroni din suprafața
materialului (fotocatozi);
-efect fotoconductiv manifestat prin creșterea conductivității electrice;
-efect fotovoltaic manifestat prin apariția unei tensiuni electromotoare la
joncțiunea p -n dintre două semiconductoare;
-luminiscență ce se manifestă îndeosebi la acțiunea radiațiilor cu energii
mai mari (ultraviolete sau Röentgen).
Influența solicitărilor mecanice . Solicitările mecanice produc
modificarea distanțelor interatomice în rețeaua cristalină, ceea ce are ca efect
modificarea rezistivității corpurilor.
Fig.1.22 Fenomenul piezoelectric în cristale
În cazul unor cristale semiconductoare prin deformarea rețelei cristaline corpul
se polarizează electric și produce o tensiune electromotoare, efect numit
piezoelectricitate. Pentru exemplificare în fig.1.22 se prezintă cazul unei rețele
cristaline în care în absența solicitărilor mecanice ionii formează triplete ABC
simetrice, cu moment electric nul; prin solicitarea cu forțe F, rețeaua se
deformează, se modifică ungiurile legăturilor și suma momentelor electrice nu
mai este nulă, adică se produce polarizarea electrică. Efectul piezoelectric este
utilizat la construirea traductoarelor mecano-electrice și a generatoarelor de
ultrasunete.
Din anali za factorilo r care influen țează proprietăț ile semiconductoar e se
deduc cu u șurință și funcțiile materialelo r semiconductoare:
– funcția de conducție comandată în tensiune ;
– funcția de conversie opto -electronică ;
– funcția de detecție a radiațiilor nucleare ;
– funcția de conversie electro -optică ;
– funcția de conversie termo -electrică ;
– funcția de conversie magneto -electrică ;
– funcția de conversie mecano -electrică .

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
25 1.9 Tehnologia materialelor semiconductoare
Realizar ea dispoziti velor semiconducto are și a circuitelor integrate
comportă mai multe etape tehnologice:
– obținerea unui material semiconducto r policristalin cu puritatea necesară
pornind de la compuși chimici ai acestuia;
– realizar ea uno r lingouri monocristalin e (de form ă cilindric ă cu diametre
de ordinul a 100-200 mm) dopate uniform, având puritate înaltă ;
– tăierea lingourilo r în plachet e (wafer) cu grosimi d e ordinul a 300 μm , și
marcarea acestora ( pentru a putea distinge tipul de conductivitat e, doparea);
– prelucrarea plachetelor prin metode litografice c ombinate cu procedee
de impurificare selectivă și controlată (pentru a obține joncțiuni în diferite zone
ale plachetei) pentru a obține simultan mai multe dispozitive (sau circuite
integrate) pe o aceeași plachetă ;
– tăierea plachetelo r în "structuri " component e după ce aceste a au fost
testate funcțional și marcate cele defecte;
– încapsularea structurilor și marcarea acestora .
În fig.1.23 sunt exemplificate simplificat etapele principale în tehnologia
siliciului pornind de la lingoul monocristalin, realizarea structu rilor și
încapsularea acestora.
Fig.1.23 Etape tehnologice parcurse pentru obținerea circuitelor integrate
Obține rea unui material semiconducto r plecând de la compuși ai acestuia,
implică:
– obținerea pe cale chimică a materialului semiconductor de puritate
metalurgică (de exemplu pentru Si, MGS – metalurgical grade silicon) din
compuși naturali;
-pu
rificarea chimică prin care se obține 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);
-obținerea materialului sub formă de monocristal cu o densitate redusă a
defectelor de structură.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
26 1.9.1 Metoda cristalizării directe (procesul de solidificare „normală”)
În această metoda tot materialul este topit inițial și apoi răcit gradat,
unidirecțional; în fig.1.24 este prezentat un lingou orizontal "străbătut" de la
stânga la dreapta de un front de solidificare, FS.
Se presupune că:
• difuzia impurităților din lichid în solid este neglijabilă ;
• coeficientul de segregație este constant;
• modificările de densitate în cursul solidificării sunt nesemnificative.
Fig.1.24 Determinarea concentrației de impurități în lingoul s emiconductor
în urma cristalizării directe
1.9.2 Metoda tragerii din topitură (Czochralsky -CZ)
Metoda CZ este practic una din cele mai utilizate metode de obținere a
monocristalelor. Procedeul a fost folosit prima dată în 1918 și a fost permanent
perfecț ionat. Procesul de tragere CZ este arătat schematic în fig.1.25. Instalația
de tragere este formată, în principal din trei componente principale:
-cuptorul care include un creuzet așezat pe un susceptor din grafit, un mecanism
de rotație, un element de încăzire și o sursă de alimentare ;
-mecanismul de tragere care include o mandrină pentru germene (sămânță), o
sursă de gaz (cum ar fi de exemplu argonul);
-procesul este controlat în întregime de un sistem electronic cu microprocesor
care menține paramet rii de lucru (cum ar fi temperatura, diametrul lingoului tras,

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
27 vitezele de rotație ale mandrinei și creuzetului etc.) în limite optime pentru
calitatea cristalului.
Fig.1.25 Instalație de tragere din topitură; Metoda Czochralsky
Inițial, policristalul este topit în creuzet (4) cu ajutorul bobinelor de
radiofrecvență (5). Instalația este plasată într -o "cameră de creștere" (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 mandrin a) până când germenele
atinge topitura. Din acest moment mandrina este trasă cu viteză constantă. Pe
timpul tragerii, mandrina se rotește simultan cu creuzetul dar în sensuri și cu
turații diferite în scopul uniformizării temperaturii la interfața solid lichid (3).
Cristalul cilindric obținut prin tragere "copiază" modul de aranjare al atomilor
germenului, diametrul acestuia depinzând de parametrii procesului. Un
termocuplu (6) atașat la creuzet permite micșorarea puterii de încălzire pe
măsura tragerii (deoarece scade cantitatea de material topit și temperatura la
interfață trebuie să rămână constantă).
Metodele recente utilizează un control automat riguros al diametrului,
reglând dinamic cu precizie parametrii procesului. Pentru Si (unul dintre cele
m
ai utilizate materiale semiconductoare) apar probleme datorită reactivității
ridicate a acestui material în stare topită, existând posibilitatea de a se c ontamina
prin reacție cu creuzetul (din silice).

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
276 Astfel pot apare concentrații relativ importante de oxigen (în principal)
care produc microdefecte de structură pe durata creșterii și a tratamentelor
ulterioare; în plus există pericolul contaminării cu car bon (de la susceptorul de
grafit al creuzetului și de la elementele de încălzire).
În cazul compușilor intermetalici unul din componenți poate fi mai volatil
și astfel, nepăstrându -se proporția între atomii din topitură cristalul va avea
defecte de structu ră. Pentru a evita aceste neajunsuri se folosesc variante
modificate ale procesului de tragere.
1.9.3 Metoda tragerii Czochralsky pentru materiale
semiconductoare compuse
În principiu, pentru ca metoda CZ să aibă rezultate bune, materialul
trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
– punct de topire convenabil;
-conductivitate termică ridicată;
-vâscozitate scăzută;
-presiune de vapori scăzută; lipsa tranzițiilor de fază între temperatura de topire
și temperatura ambiantă.
Materialele semiconductoare elementare la temperatura de topire prezintă
presiuni scăzute de vapori. Dimpotrivă , materialele compuse conțin constituienți
care se pot evapora cu ușurință din topitură dacă nu sunt luate precauții speciale.
Din acest motiv s-au dezvolta t tehnici speciale de creștere (LEC – liquid
encapsulated CZ, tragere magnetică CZ, reactor Bridgman orizontal etc). Toate
aceste metode impun o creștere într -un sistem închis.
În fig.1.26 sunt prezentate trei variante ale metodei CZ. Prima metodă
folosește un tub închis (folosit inițial pentru GaAs și InAs și dezvoltat ulterior și
pentru alți compuși). Cu ajutorul unui magnet exterior reactorului și a unei piese
polare interioare este trasă mandrina portgermene.
Fig.1.26 Variante ale metodei de trager e pentru compuși semiconductori binari

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
29 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 parțială a As în reactor
la nivelul presiunii maxime care oprește (din momentul stabilirii) evaporarea As,
menținându -se echilibrul între cei doi componenți ai materialului. Complicațiile
legate de tubul închis sunt rezolvate de varianta tubului semiînchis în care
semireactorul superior este etanșat 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 proporția celor două componente)
printr- un lichid "încapsulat" în prezența unei presiuni importante (30) de gaz
neutru în reactor. Metoda este larg folosită pentru materiale A III -B V.
Procesul est e monitorizat cu un sistem d e televiziun e iar cristalul care
crește este controlat cu raze X (inclusiv diametrul lingoului).
1.9.4 Metoda zonei flotante
Cu t
oate că metoda CZ este versatilă (materiale semiconductoare,
conductoare, organice, disociabile și chiar refractare) și 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. Instalația
este prezentată schematic în fig.1.27.
Procesul est e inițiat prin topire a zonei inferioa re a barei monocristaline cu
ajutorul bobinelor de radiofrecvență.
Zona topită (menținută 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 zon e solid e ale lingoului s e rotes c în sensuri diferite
uniformiz ând topitura.
Atmosfera "protectoare" în care se desfășoară procesul este importantă
deoarece aceasta este o cale de impurificare necontrolată. Se preferă folosirea
unor gaze (H 2, inerte) în locul vidului pentru a evita condensarea siliciului
evaporat din topitură pe pereții reactorului.
Metoda FZ poate fi folosită și pentru purificarea fizică prin topire zonară
sau pentru doparea uniformă a lingoului monocristalin (dacă procesul se
desfășoară în atmosfera unui gaz purtător cu impurități introduse controlat ).
În general puritatea materialului semiconductor (nedopat) obținută prin
FZ este superioară celei obținute prin metode de tragere CZ (în urma căreia sunt
posibile impurificări necontrolate semnificative ca de exemplu oxigen, carbon,
bor sau alte material e metalice în cazul siliciului). Din acest motiv pentru

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
30aplicații care implică rezistivități mari FZ devine preferabilă , putând fi obținute
pentru siliciu rezistivități în domeniul 10 -200 … 30.000 Ω.cm.
Fig.1.27 Instalație de tragere verticală folosită în metoda zonei flotante
Metoda FZ este în general mai scumpă decât CZ și nu poate realiza cu
aceeași ușurință lingouri de diametre mari (150 – 200 mm) ca în cazul CZ. De
asemenea de-a lungul l ingoului FZ pot apare variații 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 și expuse unui flux de neutroni termici.
Prin controlul fluxu lui apare în lingou o dopare uniformă cu P la nivelul
necesar. Materialul FZ NTD este apoi tratat termic pentru restabilirea rețelei
cristaline alterată prin bombardamentul neutronic.
Pentru materialele semiconducto are cu rezistivitat e redusă metoda este
neatractiv ă datorită costului și performanțelor mai modeste.
1.9.5 Metoda de creștere prin depunere chimică
din faza de vapori (CVD)
CVD este o metodă puterni că în tehnologia actuală. Ea permite:
– realizarea unor straturi epitaxiale la tempera turi (θce) inferioare temperaturi i
de topire (θt);
-controlul relativ simplu al grosimii stratului epitaxial și a dopării (uniforme) a
acestuia;

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
31 -perfec
țiune cristalină ridicată a stratului (mai ales în varianta homoepitaxială) ;
– folosirea unor presi uni "rezonabile" în reactor (0.1 -3 atm) evitând dificultățile
tehnologice pentru producerea unui vid înaintat;
-creșterea unor straturi compuse (mulți component).
Există sigur și unele dezavantaje legate de:
-complexitatea fazei de vapori; «urme ale gazului purtător în stratul depus;
-reacții chimice nedorite; interdifuzii strat – substrat; autodopare;
-echipamentul CVD se poate realiza în diferite variante de reactoare: verticale,
orizontale, Barrel, Pancake, etc. în funcție de tipul epitaxiei și p roductivitatea
necesară.
În general, trebuie asigurate:
-încălzirea uniformă a plachetelor;
-răcirea pereților reactorului cu aer sau apă de răcire.
Fig.1.28 Reactor pentru creștere epitaxială a straturilor dopate de siliciu
Doparea poate fi reali zată înglobând în gazul purtător specii dopante
(fig.1.28) cum ar fi diboran B 2H6 (gaz), pentru B în siliciu sau fosfină (PH 3),
arsină (AsH 3) pentru dopanți de tip n cum ar fi fosfor respectiv arseniu.
1.9.6 Metoda MOVPE pentru InGaAsP
Această metodă folosește compuși metal organici pentru epitaxie din faza
de vapori. Acești compuși, fierb la temperaturi joase și au presiuni de vapori
extrem de scăzute. Schița instalației este prezentată în fig.1.29. Pe un suport de
grafit la o temperatură în domeniul 550-7000oC sunt dispuse plachetele din InP
în reactorul de epitaxie. Pentru Ga și In sunt folosiți doi compuși metalorganici
(MO) prin care trece gazul purtător (H2 sau He). Compușii MO utilizați sunt
TMIn și TMGa.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
32 Vi
teza de creștere poate fi cuprinsă între 1 și 10 micrometru/oră, mult mai
mică decât vitezele obișnuite, depinzând de viteza gazului, presiunea din reactor
și 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.1.29 MOVPE pentru realizarea uniu compus semiconductor ternar InGaAsP
1.9.7 Metoda de dopare selectivă și controlată
a materialelor semiconductoare
Cea mai folosită metodă este difuzia. Difuzia este un proces prin care o
specie atomică neuniformă distribuită într -un anumit spațiu, se deplasează
pentru a realiza o distribuție uniformă în acel spațiu.
Procesul de difuziune are două etape importante:
-predifuzia (difuzia din sursa finită de impurități), 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 impurităților predifuzate.
Predifuzia se desfășoară într -un reactor în care, într -un gaz purtător se
introduc (din sursă solidă, lichidă sau prin reacție chimică de suprafață)atomi de
impuritate a căror presiune parțială (în gaz) depășește o v aloare ce ar corespunde
solubilității maxime a impurității în materialul semiconductor la temperatura de
lucru.
Difuzia propriu-zisă urmează predifuziei (sau unei operații de implantare
ionică prin care, superficial, a fost introdusă o anumită cantitate de dopant).
Difuzia propriu-zisă se desfășoară în atmosferă oxidantă și lipsită de
impurități într -un reactor de difuziune. Oxidul ce se formează împiedică alte
impurități să intre în plachetă și le păstrează pe cele deja introduse.

MAT ERIALE SEMICONDUCTOARE
33 1.9.8 Echipamentul de implantare ionică
Implantarea ionică este un proces prin care ionii dopanți sunt introduși
direct într-un substrat (prin bombardament ionic) după ce în prealabil au fost
accelerați, căpătând energii între 10 -200 KeV10.
Tehnologia de implantare trebuie să permită:
-introducerea unei cantități exacte (specifice de impurități);
-speciei dopante să ajungă în locurile și la adâncimea necesară în substrat;
-activarea electronică a ionilor implantați;
-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.4.10).
Fig.1.30 Reprezentare schematică a unui echipament de implantare ionică
Ele conțin mai multe sisteme:
– sursa de alimentare cu dopant – care conțin e speciile ce vor fi implantate; cei
mai comuni ioni folosiți pentru implan tare în siliciu sunt B, P și As; sursele
preferate sunt gazoase, astfel încât se folosesc compuși ai acestor do panți; o
valvă reglabilă permite alimentarea cu un astfel de gaz a sursei de ioni;
– sursa de ioni – cu sursa proprie de alimentare și pompă de vid ce permite
ionizarea gazului furnizor de ioni dopanți producând plasmă cu presiune redusă
10-3 Torr; în sursă ionii sunt formați fie prin ciocnire cu electronii produși
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 și dispozitiv de analiză – prin care sunt selectați anumiți ioni
în funcție de masa lor.