Концентрации кислорода

Неравновесные носители заряда и их основные характеристики. Воздействие света, электрического поля и других факторов может привести к появлению дополнительных, избыточных по отношению к равновесным, концентраций свободных носителей, их называют неравновесными носителями заряда. При неизменной интенсивности внешнего фактора в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорости генерации и рекомбинации носителей заряда равны. В этих условиях концентрации избыточных носителей заряда равны: An = = п — п0 и Ар = р = рй, где пир — постоянные концентрации электронов и дырок при наличии внешнего фактора; п0 и р„ — то же, в отсутствие внешнего фактора, т. е. равновесные концентрации. Если в полупроводнике нет объемного заряда, то выполняется условие его электрической нейтральности:

Выражение (2.35) определяет закон убывания концентрации избыточных носителей заряда вдоль полупроводника в стационарных условиях. Величина ]/?>птп имеет размер-

Уровнем инжекции 8 называется отношение концентрации избыточных неосновных носителей заряда к равновесной концентрации основных носителей ( 2.22, в):

Процесс рекомбинации неравновесных носителей заряда характеризуется их временем жизни т. Уменьшение начальной концентрации избыточных носителей заряда Апнач (после отключения источника их генерации, например облучения) происходит по экспоненциальному закону: An(t) = Дл,^ ехр (—f/r), т.е. за интервал времени г концентрация избыточных носителей уменьшается в е = 2,718 раз. Некоторые примеси (золото, платина, медь и др.) создают локальные энергетические уровни в середине запрещенной зоны, называемые ловушками ( 7, б), значительно ускоряющие процесс рекомбинации и уменьшающие время жизни. В этом случае рекомбинация происходит в два этапа — сначала электрон переходит на энергетический уровень ловушки 7, затем с уровня ловушки в валентную зону 5. Легирование золотом используют для уменьшения времени жизни в кремнии. В полупроводниках - г = 10'10 -1ГГ3 с.

Другое уравнение описывает гармоническую составляющую концентрации избыточных носителей заряда, зависящую от х и ш:

Воздействие света, электрического поля и других факторов может привести к появлению дополнительных, избыточных по отношению к равновесным, концентраций свободных носителей, их называют неравновесными носителями заряда. При неизменной интенсивности внешнего фактора в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорости генерации и рекомбинации носителей заряда равны. В этих условиях концентрации избыточных носителей заряда равны: Дл = п — пд и Др = р - ро, где пир- постоянные концентрации электронов и дырок при наличии внешнего фактора; пд и ро — то же, в отсутствие внешнего фактора, т. е. равновесные концентрации. Если в полупроводнике нет объемного заряда, то выполняется условие его электрической нейтральности:

Изменение концентрации избыточных носителей заряда с учетом рекомбинации:

Решение, а) Временная зависимость концентрации избыточных носителей заряда описывается выражением

где k — постоянная времени диффузии, характеризующая скорость затухания процесса и перехода системы в стационарное состояние. Примером уравнения параболического вида в более общем случае может служить известное из физики полупроводников уравнение непрерывности, которое описывает процесс изменения концентрации избыточных носителей. Данное уравнение для избыточных электронов имеет вид:

Пусть в момент /==0 ( 5.48) на фотодиод подан прямоугольный световой импульс. В n-области прибора начинается генерация неравновесных носителей, концентрация которых будет увеличиваться во времени. Соответственно будет увеличиваться дырочный ток через р-п переход и р-об-ласть диода будет заряжаться положительно по отношению к n-области. С ростом концентрации избыточных носителей будет увеличиваться скорость их рекомбинации. При некотором значении концентрации рекомбинация носителей и генерация носителей будут уравновешивать друг друга, а фото-ЭДС достигнет установившегося значения. После окончания светового импульса избыточные носители в «-области рекомбинируют, концентрация их уменьшается и уменьшается ток /ф через р-п переход. Будет уменьшаться и фото-ЭДС. Таким образом, процесс изменения фото-ЭДС и фототока в фотогальваническом режиме определяется генерацией и рекомбинацией (накоплением и рассасыванием) избыточных носителей, скорость которых характеризуется постоянной времени жизни тр, т. е. нарастание фототока происходит по закону

(см. 2.3) располагаются на разной высоте, а разность между ними равна q\U\. При прямом смещении напряженность поля в переходе уменьшается, условие равновесия диффузионного и дрейфового токов нарушается — диффузия электронов из n-области и встречная диффузия дырок преобладают по сравнению с их дрейфовым движением. Вследствие диффузии увеличивается концентрация неосновных носителей в нейтральных областях, граничащих с переходом. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей. Концентрации избыточных электронов Дпр в р-области и дырок Арп в n-области у границ перехода получим, предполагая, что эти величины малы по сравнению с равновесными значениями основных носителей в соответствующих областях. Тогда можно использовать соотношения (2.1а). Заменим в первом из них ф0 на ф0 — U, а пр0 на пр = пр0 + Мр, тогда q(q>0 — U) = kT \п[ппо/ (про + Апр)] = =&Лп (п„о/Про) — kTln ( I -f-Artp/rtpo) . Отсюда

Термомагнитные методы газового анализа основаны на температурной зависимости магнитной восприимчивости парамагнитных газов, т. е. газов, притягиваемых магнитным полем. Обычно термомагнитные газоанализаторы используются для измерения концентрации кислорода в газовых смесях, поскольку из всех газов кислород обладает наибольшей магнитной восприимчивостью.

на поляризующемся золотом катоде, и преобразователь является источником тока, величина которого пропорциональна концентрации кислорода.

левой вертикальной трубки в горизонтальную трубку и в ней подогревается. Так как при нагревании газа его магнитная восприимчивость падает, то холодный газ будет, втягиваясь в магнитное поле, выталкивать нагретый газ. В результате в горизонтальной трубке газ движется слева направо со скоростью, пропорциональной концентрации кислорода в испытуемой газовой смеси.

зе в граммах на кубический сантиметр или в объемных процентах. Чувствительность метода до Ы0~6 % (объемн). Для непрерывного измерения влаги в газах используют конденсационный кулонометрический метод. В нем водяные пары извлекают из точно дозируемого потока газа адсорбентом, например оксидом фосфора (V) Р2О5, и одновременно разлагают электролизом на кислород и водород. В стационарном режиме величина тока электролиза служит мерой концентрации воды в газе. Чувствительность метода Ы0~4 % (объемн.). Непрерывное определение содержания примеси кислорода в газах основано на измерении электрохимического потенциала гальванического элемента. В нем кислород адсорбируется из газа электролитом, смачивающим поверхность катода. Возникающая при этом разность потенциалов приблизительно пропорциональна концентрации кислорода в газе. Чувствительность метода составляет также Ы0~4% (объемн.).

Резкое падение концентрации кислорода по длине монокристалла ( 4.32, б) объясняется тем, что в начальный период его роста, когда поверхность контакта расплава кремния с кварцевой стенкой тигля велика, процесс поглощения расплавом кислорода в форме оксида кремния (II), образующегося по реакции

4.32. Распределение удельного электросопротивления, Ом-см (а), концентрации кислорода и термодоноров по длине (б) и поперечному сечению в точке g — 0,5 (в) монокристалла кремния диаметром 85 мм, массой 6 кг е номинальным удельным сопротивлением 100 Ом'СМ после выращивания (сплошные линии) и термообработки (штриховые линии) в центре (/) и на периферии (2)

вают защитным слоем бескислородных соединений, например нитридом кремния. Однако технология таких покрытий пока разработана недостаточно. Поэтому существующие способы уменьшения концентрации 'кислорода в монокристаллическом кремнии сводятся в основном к уменьшению движения расплава относительно стенок кварцевого тигля, определяющего в соответствии с уравнением Нернс-та [см. уравнение (4.5)] массоперенос оксида кремния (II) от стенок тигля в глубь расплава. Для подавления движения расплава вблизи стенок тигля на него с помощью постоянных магнитов накладывают магнитное поле, равное —0,2Т. В таких условиях были получены монокристаллы кремния с концентрацией кислорода около 2-Ю17 атом/см3, сравнимой с концентрацией кислорода, обычно получаемой в монокристаллах, выращиваемых методом бестигельной зонной плавки.

Термомагнитные методы газового анализа основаны на температурной зависимости магнитной восприимчивости парамагнитных газов, т. е. газов, притягиваемых магнитным полем. Обычно термомагнитные газоанализаторы используются для измерения концентрации кислорода в газовых смесях, поскольку из всех газов кислород обладает наибольшей магнитной восприимчивостью.

Качественные пленки двуокиси кремния -образуются по реакции 7. Серьезными преимуществами этого процесса является низкая температура его и отсутствие загрязняющих пленку побочных продуктов реакции. Скорость роста окисла по этой реакции зависит от концентрации кислорода и моносилана в газовой фазе ( 16-17) и скорости газового потока.

На 25.2 приведена схема газоанализатора с гальваническим преобразователем, предназначенного для измерения микроконцентраций кислорода в газовых смесях. Преобразователем является щелочной гальванический элемент с анодом / из свинцовой ленты и полупогруженным в электролит катодом 2 в виде серебряной сетки с фильтровальной бумагой. При прохождении анализируемого газа кислород диффундирует по поверхности катода в электролит, вызывая возникновение электрохимической реакции, сопровождающейся появлением э. д. с., пропорциональной концентрации кислорода в анализируемой газовой смеси. Начальная э. д. с. компенсируется напряжением с мо-

1) электроакустический метод, основанный на зависимости скорости звука от состава и концентрации вещества в исследуемой среде; применяется ^для анализа бинарных смесей газов, например для определения концентрации кислорода в смеси с азотом, а также для измерения влажности;