4.2.1Основні характеристичні параметри напівпровідникових матеріалів і структур

Як вже відмічалося, для технічних застосувань особливо важливі дві фундаментальні характеристики, по яких проводиться відбір напівпровідникових матеріалів і структур:

• питомі електричні опори ( [Омсм]);

• час життя нерівноважних носіїв заряду (_н.н.з. [мкс]);

Універсальний характер цих двох параметрів полягає в тому, що вони, як правило, входять в будь-який набір показників якості матеріалів і структур, незалежно від області напівпровідникового приладобудування, для якої вони призначені.

Саме з цієї причини  і _н.н.з. будуть "головним героями" подальшого викладу.

Питомий електричний опір визначається концентрацією і рухливістю носіїв заряду. За наявності носіїв заряду обох знаків він виражається відомою формулою:

(4.3)

де е – заряд електрона, n і p – об'ємні концентрації, а _n і _p – рухливості електронів і дірок відповідно.

Оскільки рухливості електронів і дірок, а також їх температурна і концентраційна залежність для різних напівпровідників добре вивчена, величина  в значній мірі характеризує концентрацію носіїв заряду. У свою чергу, концентрація носіїв заряду для конкретного напівпровідника і фіксованої температури залежить виключно від електронних енергетичних рівнів, створюваних атомами даної домішки (тобто від енергії іонізації цих атомів в кристалі).

Величина ПЕО має фізичний сенс і вводиться тільки у тому випадку, коли має місце закон Ома, тобто напруга U і сила струму I зв'язана лінійною залежністю через коефіцієнт пропорційності R,:

U=RI (4.4)

У свою чергу, відомо, що повний опір провідника завдовжки Lі площею поперечного перетину S в напрямі, перпендикулярному силовим лініям струму, виражається як:

(4.5).

В напівпровідниковій техніці ПЕО вимірюється в Омсм (див. З формул 4.4 і 4.5) виходить, що одиниця вимірювання ПЕО в 1 Омсм є повний опір одного кубічного сантиметра речовини (за умови, що лінії струму перпендикулярні S).

Середній час життя нерівноважних носіїв заряду (_n - для електронів і _p - для дірок) визначає характер протікаючих в кристалах нерівноважних електронних процесів, на яких засновані принципи роботи більшості твердотільних приладів. Якщо nn і pp –число зникаючих в об'ємі електронів і дірок в одиницю часу в одиниці об'єму, n і p – об'ємні нерівноважні концентрації електронів і дірок в який-небудь момент часу n₀ і p₀ – рівноважні значення цих концентрацій (t=0):

(4.6)

і

(4.7)

де  - цей час спаду концентрації за рахунок процесів рекомбінації в е раз.

Іноді використовують поняття дифузійної довжини неосновних носіїв заряду, яка зв'язана з часом життю відомим співвідношенням:

(4.8)

де Дn і Др – коефіцієнти дифузії електронів і дірок.

Часи життя є характеристичними параметрами, тобто вони визначаються типом і складом напівпровідника при постійності температури і інших зовнішніх чинників. В той же час, їх значення залежать від концентрації надмірних носіїв заряду (n-n₀, p-p₀ ), тобто від рівня інжекції і, зрештою, від умов вимірювань.

Величинами  і _н.н.з. у вихідному матеріалі можна управляти в широких межах, вводячи в нього належним чином підібрані домішки у необхідній кількості.

Відзначимо, що вимоги до номіналів, що задаються  і _н.н.з. і розкидам їх значень в напівпровіднику можуть бути дуже різними і навіть суперечливими, залежно від типу і призначення напівпровідникового приладу. Наприклад, для силових і енергетичних приладів потрібні великі значення  і _. Зменшення пробивних напруг і зворотних струмів вимушує знижувати , що не виключає необхідність підвищення . Навпаки, для високочастотних і імпульсних приладів необхідні гранично малі значення  і невелике .

Кількість таких прикладів можна було б помножити, але абсолютно ясно, що в найзагальнішому випадку необхідно володіти технологічним прийомом, за допомогою якого досягалося б незалежне управління значеннями  і . Технологічний процес дозованого введення домішок в вихідний напівпровідник називається легуванням.

В напівпровіднику звичайно міститься ряд неконтрольованих домішок, істотно впливаючих на  і . Тому початковий для легування напівпровідник повинен бути максимально чистим.

Домішки, придатні для зміни електропровідності в широких межах, звичайно мають малу енергію іонізації, високу межу розчинності, відносно невеликі коефіцієнти дифузії, малий перетин захоплення для нерівноважних носіїв.

Для кремнію і германію з метою управління значеннями , як правило, використовують як легуючі домішки III- і V- груп таблиці елементів Менделєєва. Ці домішки входять в кристал у великих кількостях, стабільні і слабо впливають на рекомбінацію.

Навпаки, домішки з глибокими енергетичними рівнями, володіють великими перетинами рекомбінації, обмежено розчинні в кристалі, слабо впливають на електропровідність, є швидкодійними. Їх звичайно називають рекомбінаційними.

Як до домішок електропровідності, так і до рекомбінаційних домішок звичайно пред'являють вимогу однорідного їх розподілу в об'ємі кристала і рідше – заданого профілю неоднорідності (тобто відомого градієнта концентрації). Останній параметр більшою мірою відноситься до приладових структур).

Властивості вихідних кристалів (і, в першу чергу, значення ,  і їх розкиду) фактично зумовлюють показники якості, технологічності і функціонування напівпровідникових приладів і мікросхем ,що виготовляються на їх основі, хоча про строгу кореляцію може йтися далеко не завжди.

До показників якості приладів звичайно відносяться:

ВАХ, теплостійкість, радіаційна стійкість, променева міцність, механічна міцність, частотні властивості та інше.

Показники технологічності характеризують

матеріаломісткість (норми витрати), безпеку, економічність, ергономічність, екологічність, можливість реалізації виробничих і групових процесів, можливість реалізації виробничих і групових процесів, стабільність виходу готової продукції і операційних виходів і т.д.

Як вже наголошувалося вище, основна задача практичної метрології напівпровідників полягає у встановленні взаємозв'язку між умовами отримання і фізичними параметрами вихідних кристалів і структур, з одного боку, і показниками якості, технологічності і функціонування приладів і мікросхем,.що виготовляються на їх основі, з другого боку.