Градиенты температуры

Метод тройной диффузии не позволяет получать транзисторы с высоким коэффициентом усиления, который зависит от эффективности инжекции перехода эмиттер—база. Тройная диффузия не дает возможности создавать большие градиенты концентрации примеси на этом переходе, так как в процессе изготовления транзистора необходимо выполнять условие NSa > NS6 > NSK > Nn, где NS9, N$6, ^SK — поверхностные концентрации примеси при диффузии эмиттера, базы и коллектора; Na—концентрация примеси в подложке.

рации одноименных носителей зарядов по обе стороны этой границы различны: рро ^> рп0 и пп0 ^> про, и, следовательно, градиенты концентрации дырок и электронов отличны от нуля:

В отличие от системы, содержащей электрически нейтральные частицы, в нашем случае концентрации частиц в условиях равновесия не выравниваются по обе стороны от границы. При равновесии градиенты концентрации одноименно заряженных частиц

С увеличением обратного напряжения запирающий слой в соответствии с (10-37) расширяется, поле §к растет, но ток через переход практически не меняется. Это объясняется тем, что градиенты концентрации неосновных носителей у границ перехода не изменяются с увеличением напряжения U, так как величины про, р„0, Lp и Ь„ не зависят от этого напряжения. По этой причине ток, текущий через переход при обратном включении батареи, называют обратным током насыщения /0. Величина тока /0 может

При переключении напряжения с прямого на обратное обратный ток достигает значительной величины, определяемой лишь объемным сопротивлением базы, достаточно малым в этот момент из-за большой концентрации инжектированных носителей. В течение интервала ?4 — te обратный ток остается практически неизменным, так как не меняются градиенты концентрации дырок у границы перехода и у базового вывода (кривые 4—6 на 11-9, е). В дальнейшем наблюдается снижение концентрациирп до нуля (в результате экстракции дырок через переход и ток гд постепенно уменьшается до стационарного значения.

Рассмотрим полупроводник с резкой границей между областями электронной и дырочной проводимости. При этом будем исходить из того, что в электронной области концентрация основных носителей одинакова по всему объему и равна пп, а в дырочной — рр. Соответственно концентрация неосновных носителей составит Рп и Пр (эти величины можно определить «з выражений (1.31) и (1 .32). Так как концентрация основных носителей существенно выше концентрации неосновных, то на границе создаются градиенты концентрации с резким увеличением концентрации электронов в направлении /г-области и дырок в направлении р-области. В результате этого возникает диффузионный ток электронов в р-область и дырок в и-область. В условиях равновесия при отсутствии внешнего источника электрического поля появление диффузионного тока нарушает нейтральность областей полупроводника: электроны, уходящие из n-области, оставляют в ней нескомпенсированный не подвижный положительный заряд ионизированных доноров, а уход

концентрации соответственно для электронов- и для дырок. Более точно градиенты концентрации электронов и дырок могут быть записаны в виде

рации одноименных носителей зарядов по обе стороны этой границы различны: рро ^> рп0 и пп0 ^> про, и, следовательно, градиенты концентрации дырок и электронов отличны от нуля:

В отличие от системы, содержащей электрически нейтральные частицы, в нашем случае концентрации частиц в условиях равновесия не выравниваются по обе стороны от границы. При равновесии градиенты концентрации одноименно заряженных частиц

С увеличением обратного напряжения запирающий слой в соответствии с (10-37) расширяется, поле §к растет, но ток через переход практически не меняется. Это объясняется тем, что градиенты концентрации неосновных носителей у границ перехода не изменяются с увеличением напряжения U, так как величины про, р„0, Lp и Ь„ не зависят от этого напряжения. По этой причине ток, текущий через переход при обратном включении батареи, называют обратным током насыщения /0. Величина тока /0 может

При переключении напряжения с прямого на обратное обратный ток достигает значительной величины, определяемой лишь объемным сопротивлением базы, достаточно малым в этот момент из-за большой концентрации инжектированных носителей. В течение интервала ?4 — te обратный ток остается практически неизменным, так как не меняются градиенты концентрации дырок у границы перехода и у базового вывода (кривые 4—6 на 11-9, е). В дальнейшем наблюдается снижение концентрациирп до нуля (в результате экстракции дырок через переход и ток гд постепенно уменьшается до стационарного значения.

Ввиду инерционности тепловых процессов ЭДС сопутствующих эффектов уменьшается уже при низких частотах (единицы герц), а усреднение измеряемой ЭДС Холла по двум направлениям магнитного поля устраняет влияние напряжения неэквипотенциально-сти холловских контактов. Если, кроме того, принять во внимание, что селективный усилитель не регистрирует постоянных составляющих напряжения, то постоянные во времени градиенты температуры не влияют на результаты измерений.

градиенты температуры

В методе Чохральского тепло к находящемуся в тигле расплаву подводят снаружи. Поэтому в обладающем определенной теплопроводностью расплаве температура падает от периферии к центру. В нем возникают осевой и радиальный градиенты температуры (Gx и G,). Пересечение их с изотермой температуры плавления Тпл образует в расплаве переохлажденную область, в пределах которой и происходит рост монокристалла ( 4.2).

Если в процессе роста монокристалла градиенты температуры в расплаве не изменяются, то размер переохлажденной области в нем, а следовательно, и размер монокристалла сохраняются постоянными. Однако при изменении тепловых условий процесса роста монокристалла, в частности подводимой к нагревателю мощности, уменьшения объема и понижения уровня расплава в тигле, усиления теплоотвода через растущий монокристалл, поверхность которого непрерывно увеличивается, изменения скоростей кристаллизации и вращения монокристалла и/или тигля и др., градиенты температуры в расплаве и размер переохлажденной области в нем изменяются. Это влечет за

Градиенты температуры в расплаве существенно зависят от относительной скорости вращения монокристалла—• суммы чисел оборотов его и тигля с расплавом, взятых с соответствущими знаками. Увеличение относительной ско-РОСТИ Вращения монокристалла приводит к перемешиванию расплава, вследствие чего градиенты температуры в нем сглаживаются. Это влечет за собой увеличение размера переохлажденной области в расплаве, уменьшение температуры в нем и в столбике, уменьшение его высоты и уве-

Изменение скоростных условий процесса роста монокристалла оказывает влияние не только на градиенты температуры в расплаве, но и на форму фронта кристаллизации ( 4.5), хотя она в основном зависит от условий •отвода тепла от растущего монокристалла. Тем не менее увеличение скорости вращения монокристалла способствует поступлению потоков горячего расплава от дна тигля к центру выпуклого в расплав фронта кристаллизации ( 4.6, в). В результате он будет спрямляться. Противополож-'ный эффект может быть получен путем увеличения скоро-

Тепловые условия в процессе выращивания монокристалла методом горизонтальной зонной плавки примерно такие же, как и в ее бестигельном варианте. Однако осевые градиенты температуры при росте монокристалла в контейнере, изготовленном из теплопроводного материала, намного меньше, чем при бестигельной зонной плавке, особенно с близко расположенным водоохлаждаемым высоко-

Анализ уравнений (4.103) показывает, что плотность дислокаций в монокристаллах полупроводников определяется величиной как градиентов температуры, так и порождаемых ими термоупругих напряжений. Последние могут достигать значений, вызывающих даже растрескивание монокристаллов полупроводников большого диаметра при охлаждении их до комнатной температуры. Это часто встречается при выращивании монокристаллов разлигающихся полупроводниковых соединений, например арсенида и фосфида галлия, методом жидкостной герметизации (см. 4.1, г). В этом случае вследствие интенсивного отвода тепла от монокристалла окружающим его сжатым газом градиенты температуры в 4 — 5 раз больше, чем в случае выращивания монокристаллов в вакууме или при низком давлении инертного газа.

Таким образом, основной способ понижения плотности дислокаций в монокристаллах полупроводников — уменьшение уровня термоупругих напряжений. Для этого необходимо уменьшить осевые и радиальные градиенты температуры в растущем монокристалле, что достигается усилением

кристалла. Эти задачи решают путем подбора соответствующих конструкций деталей, совокупность которых создает тепловой узел, предназначенный для выращивания монокристалла определенного полупроводника, с определенной структурой, в определенных условиях (диаметр монокристалла и тигля, масса расплава в последнем, атмосфера в камере установки, конструкция самой камеры и многое другое). Воздействие отдельных элементов теплового узла на градиенты температуры в расплаве и монокристалле носит комплексный характер. Изменение одного из них, как правило, требует соответствующего изменения других для сохранения первоначальных тепловых условий.

Подставка для тигля. Несмотря на кажущуюся внешнюю простоту, конструкция подставки существенно влияет на градиенты температуры в расплаве и растущем из него монокристалле. Так, если дно подставки намного толще боковых ее стенок, отвод тепла от расплава в осевом направлении, а следовательно, и градиент температуры в данном направлении уменьшаются. Другой пример — увеличение толщины стенок подставки влечет за собой повышение температуры нагревателя. При наличии теплового узла типа, показанного на 4.53, в, в окружающее пространство над тиглем будет поступать большее количество тепла, что повлечет за собой изменение осевых и радиальных градиентов температуры в растущем монокристалле.