Предельной скоростью

Скорость диффузии примесей в полупроводниках обратно пропорциональна их предельной растворимости. Высокая растворимость примесей наблюдается в случае образования твердых растворов замещения. В случае когда атомы примесей в силу их слабой связи с решеткой не могут замещать узлы, образуются твердые растворы внедрения, область растворимости сужается, так как в междоузельном пространстве может разместиться меньшее количество атомов. Скорость же диффузии примесей по междоузлиям значительно выше скорости диффузии по вакансиям решетки.

Задаемся концентрацией примесей в подложке полупроводника NB, глубиной р — п перехода х/ и начальной концентрацией примесей N0, которая приближенно равна предельной растворимости примеси в кремнии.

Если над пластинами избыток диффузанта, то у их поверхности быстро устанавливается максимальная концентрация примесей, близкая к предельной растворимости, которая далее не изменяется. Распре-

С ростом энергии ионов увеличивается число радиационных дефектов в кристалле (смещений атомов), поэтому энергию обычно ограничивают (до 200 кэВ). Значение!не превышает 0,5 ... 0,7 мкм. Доза легирования регулируется током ионного пучка и временем легирования (порядка нескольких минут). При большой дозе можно получить концентрацию примесей выше, чем при диффузии (больше предельной растворимости), но одновременно растет и число дефектов вплоть до разрушения поверхностного кристаллического слоя и превращения его в аморфный. На практике дозу ограничивают значением 10м ... 1015 см~2. Ускоряющее напряжение и ток пучка поддерживают с большой точностью, что обеспечивает высокую воспроизводимость параметров легированных слоев.

В общем случае пороговая концентрация зависит от предельной растворимости примеси в кристалле и возрастает с увеличением последней. В св'ою очередь предельная концентрация примеси, растворяющейся в кристалле полупроводника при температуре его плавления л;д(пред>, ат. доли, связана с эффективным коэффициентом распределения примеси k эмпирической зависимостью

Для приближенной оценки предельной растворимости примеси в монокристалле полупроводника пользуются также другим способом. Как показывает практика, при концентрации примеси в расплаве, превышающей 1 % (ат.), рост монокристалла из-за выделений второй фазы полностью прекращается. Поэтому предельную растворимость примеси в монокристалле полупроводника оценивают по следующему эмпирическому выражению:

Кристаллизуясь из нагретого до высоких температур расплава, кремний поглощает повышенное, вплоть до предельной растворимости, равной 2-Ю18 атом/см3, количество кислорода, входящего в состав твердого раствора. Однако после охлаждения выращенного монокристалла до 400— 600 °С и выдержки его при этих температурах в течение 1 ч и более, что имеет место при выращивании монокристаллов большого (свыше 80 мм) диаметра, происходит распад твердого раствора с выделением комплексов кремний — кислород. Они могут быть выражены формулой типа Si—О„, где п — целое число от 1 до 4 и более. Некоторые из этих комплексов, например Si—О*, являются электрически активными. Возможно образование активных комплексов и при температурах свыше 600°С, особенно при длительном нахождении монокристалла кремния при этих температурах.

Закалка — нагрев сплава до температур /Т_о2 ( 3.1, а и б), изотермическая выдержка и охлаждение в специальных охлаждающих средах с высокой скоростью ( 3.1, в, кривая «) для фиксации высокотемпературного состояния сплава или предотвращения нежелательных процессов, происходящих при медленном охлаждении. Так, температура закалки сплавов системы А1—Си ( 3.1, а) определяются линией а—!>—с, проходящей выше линии предельной растворимости для сплавов, содержащих менее 5,6 % Си, и ниже эвтектической линии для сплавов, в которых меди больше 5,6 %. При ^Т.о2 для сплавов, содержащих до 5,6 % Си, избыточная фаза полностью растворяется и при последующем быстром охлаждении

2. Возможность внедрения в полупроводниковые материалы практически любых легирующих элементов-в количествах, соответствующих предельной растворимости, что не всегда достижимо методами диффузии.

Сера находится в виде сульфидов железа и марганца внутри зерен (MnS) и по границам (FeS). Фосфор в основном растворяется в феррите, делая его хрупким, а избыточный, т. е. сверх предельной растворимости, образует фосфид железа FeaP.

Диффузия из неограниченного источника является реальным случаем в производстве ИС и представляет собой первый этап диффузии, задачей которого является введение в кристалл определенного количества примеси. Для уменьшения температурного воздействия (уменьшения фактора DI) поверхностную концентрацию выбирают максимально .возможной, т. е. соответствующей предельной растворимости примеси при выбранной температуре диффузии ( 1.13). Для фосфора при 1000° С она составляет Ю21 см~3, что соответствует 2% (атомным). В результате образуется тонкий приповерхностный слой, насыщенный примесью. В производстве этот этап нередко называют загонкой п р и м е с и.

Известно, что скорость света с = 3-108 м/с является предельной скоростью распространения электромагнитных возмущений. Эта

В одном четырехпроводном канале ТЧ с полосой частот 0,3— 3,4 кГц аппаратура позволяет организовать 44 дуплексных «fee-прозрачных» телеграфных канала со скоростью модуляции 50 Бод или 28 каналов со скоростью модуляции 75 Бод. Допускается ?ак-же организация четырех «прозрачных» каналов с предельной скоростью модуляции 600 Бод. Аппаратура также позволяет организовать меньшее число каналов (11, 22, 33), занимающих лишь часть спектра канала ТЧ, остальная его часть может быть использована для организации других видов связи (телефонной, факсимильнбй).

Аппаратура позволяет организовать 11 дуплексных «непрозрачных» телеграфных каналов со скоростью модуляции 50 Бод или семь каналов со скоростью 75 Бод. Допускается также организация одного «прозрачного» канала с предельной скоростью модуляции 600 Бод. Метод разделения каналов — частотно-временной. Аппаратура ЧВТ-11 построена на базе аппаратуры ЧВТ-2 и имеет одинаковые с ней основные параметры и функциональные узлы. Выпускается аппаратура ЧВТ-11 нескольких модификаций: ЧВТ-11-IV, ЧВТ-11А, ЧВТ-11Б и ЧВТ-11-II.

Стремление к использованию быстроходных машин, работающих с предельной скоростью п = 3000 об/мин, объясняется тем, что с увеличением скорости уменьшаются вес и стоимость турбогенератора. Что касается гидравлических турбин и связанных с ними генераторов, то скорость их вращения в основном определяется высотой напора воды и обычно колеблется в диапазоне от 50 об/мин — для низконапорных электростанций до 750 об/мин — для высоконапорных электростанций.

где EQ — постоянная, а показатель т лежит в пределах 1—2. Вследствие сильной зависимости скорости ионизации от поля лавинное умножение в ЛПД происходит в локализованной зоне вблизи максимального значения поля. Типичная толщина этой зоны составляет 1 мкм [18]. В остальной части тг-слоя, обозначенной как область дрейфа, поле слишком мало для ионизации, хотя еще достаточно велико, чтобы носители в этой области двигались с предельной скоростью дрейфа.

где Q — заряд, соответствующий одному импульсу тока. Если будем рассматривать только один из этих импульсов, Q6(0» то увидим, что он связан с импульсом заряда дырок Q, уходящим из лавинной зоны через контакт в крайней левой области я-слоя, и импульсом заряда электронов — Q, уходящим из лавинной зоны направо. Импульс заряда дырок немедленно проходит через /?+-контакт, после чего происходит рекомбинация, вызывающая появление очень малого наведенного тока; импульс заряда электронов не столь быстро достигает ^-контакта, так как ему приходится перемещаться через обедненный слой, или зону дрейфа ( 10.3,6). В этом случае наведенный ток течет во внешнем контуре в течение времени tr, за которое электроны пересекают зону дрейфа. Величину tr обычно называют временем пролета. Можно показать, что если электроны дрейфуют с предельной скоростью и рекомбинация в /г-слое незначительна, величина наведенного тока равна Qvs/L. Таким образом, форма наведенного тока более или менее прямоугольная, как показано на 10.4, в, с подъемами и впадинами, находящимися в противофазе с подъемами и впадинами напряжения. Именно это явление мы имели в виду, когда говорили, что ЛПД ведет себя, как отрицательное сопротивление.

Заметим, что ПЛПД по своей сути медленнее обычного ЛПД, потому что процесс перемещения относительно медленных носителей в удерживаемой плазме дольше, чем носителей, движущихся с предельной скоростью дрейфа.

Смещение в генераторе на ИПД таково, что пробой, соответствующий области Б—В на 10.9, имеет место, но необратимые эффекты отсутствуют. Если считать, что инжектированные носители перемещаются с предельной скоростью дрейфа vs, время пролета через га-область ft=L/vs. Теперь предположим, что диод возбуждается малым сигналом от источника напряжения с угловой частотой G>o=2jt/71o, где период Го = 4т*/3. Изменение этого сигнала напряжения за один период показано на 10.10,а. Когда напряжение превышает среднее значение, «импульс» ааряда инжектируется в м-область через переход с прямым смещением. Этот импульс заряда можно аппроксимировать всплеском или дельта-функцией, которая появляется в м-области в то время, время ~^^ ^ когда напряжение достигает пи- 10.10. Схематическое изо- ~ кового значения. Импульс заряда бражение сигналов напряжения затем перемещается через м-об-

Диффузионный шум — это по существу тепловой шум горячих носителей. Он появляется потому, что хотя; считается, что носители дрейфуют с предельной скоростью, на самом деле имеется распределение скоростей, среднее значение которых равно предельной скорости. Распределение скоростей, подобно распределению Максвелла, и соответствует температуре горячих носителей. Общий аналитический метод исследования джонсоновского шума описан в разд. 10.7 в связи с шумом в диодах Ганна.

Рассмотрим однородно легированный образец полупроводника, например GaAs, который имеет отрицательную дифференциальную подвижность, когда напряженность поля превышает критическое значение Ес. Пока приложенное напряжение мало, так что поле внутри материала однородно и ниже Ес, образец ведет себя как обычное сопротивление с омической зависи-•мостью между током и напряжением. Когда напряжение увеличивается до уровня ЕС, ток принимает максимальное значение 1С. В то же время дифференциальная подвижность соответствует точке изменения знака — от положительного значения к отрицательному. Если это происходит, то обычно в локальной области вблизи отрицательного контакта. В этой локальной области электроны дрейфуют намного медленнее, чем впереди или позади. Это вызывает накопление заряда позади и обеднение перед локальной областью, а так как действие отрицательной дифференциальной подвижности аналогично положительной обратной связи, эти концентрации противоположных зарядов очень быстро растут, образуя дипольный слой. Поле в центре этого слоя, или домена, очень высокое, выше Ес, что компенсируется ослаблением поля до значений ниже Ес вне слоя. Да-.лее, домен дрейфует по полупроводнику с предельной скоростью, -а это означает, что домен сохранит свою форму в том случае, если электроны вне домена будут дрейфовать с такой же скоростью. Это приводит IK тому, что поле вне домена имеет значение, соответствующее этой скорости, причем следует помнить, что электроны в области вне домена имеют положительную дифференциальную подвижность. Ток Id во время движения домена равен максимальному току /с, умноженному на отношение предельной скорости к пиковой скорости дрейфа. Когда до-мен достигает анода, он коллапсирует, а в области катода образуется новый домен. Затем цикл повторяется. Таким обра-;зом, ток изменяется между двумя уровнями, Id и /с, с частотой повторения, приблизительно равной обратному времени дрейфа домена через прибор.

Этот результат можно выразить в более удобной форме, прежде всего определив параметр Д,, который называется предельной скоростью и имеет размерность бит/измерение