Difúze v krystalu

Difúze  je přenos atomů v důsledku chaotického tepelného pohybu, může být usměrněn působením koncentračního nebo teplotního gradientu. Difundovat mohou jak vlastní atomy mřížky (samodifuze nebo homodifuze), tak atomy jiných chemických prvků rozpuštěných v polovodiči (nečistota nebo heterodifuze), stejně jako bodové defekty v krystalové struktuře  - intersticiální atomy a vakance.

Pro vytvoření vrstev s různými typy vodivosti a pn přechodů v polovodiči se v současnosti používají tři způsoby vnášení nečistot: tepelná difúze, neutronové transmutační dopování a iontová implantace ( iontové dopování ). S poklesem velikosti IC prvků a tloušťky legovaných vrstev se stala převládající druhá metoda. Proces difúze však neztrácí svůj význam, zejména proto, že distribuce nečistot během žíhání polovodiče po iontovém dopování se řídí obecnými zákony difúze.

Hlavní charakteristiky difúzních vrstev

• povrchový odpor nebo koncentrace povrchových nečistot ;
• hloubka výskytu -přechodová nebo legovaná vrstva;
• distribuce nečistot v dotované vrstvě.

Dodnes neexistuje dostatečně úplná obecná teorie, která by umožňovala přesný výpočet těchto charakteristik. Stávající teorie popisují reálné procesy buď pro speciální případy a určité podmínky procesu, nebo pro vytváření difúzních vrstev při relativně nízkých koncentracích a dostatečně velkých hloubkách vnášení nečistot. Důvodem je rozmanitost procesů probíhajících v pevné látce během difúze, jako je interakce atomů různých nečistot mezi sebou a s atomy polovodičů, mechanická napětí a deformace v krystalové mřížce, vliv prostředí a další procesy. podmínky.

Mechanismy difúze nečistot

Hlavními mechanismy pohybu atomů v krystalu mohou být: přímá výměna atomů v místech - a; výměna prstenů - b; pohyb po internodiích - dovnitř; reléová difúze (crowdion) - g; pohyb po volných místech - d; disociativní pohyb - e; migrace podél rozšířených defektů (dislokace, stohovací chyby, hranice zrn).

• Mechanismus difúze vakancí  spočívá v migraci atomů po krystalové mřížce pomocí vakancí. V každém krystalu jsou volná místa  – místa v mřížce bez atomů (někdy se jim říká prázdné atomy). Atomy kolem vakance oscilují a poté, co obdrží určitou energii, může jeden z těchto atomů skočit na místo vakance a zaujmout jeho místo v mřížce , čímž za sebou zanechá vakanci. Takto se atomy a vakance pohybují po mřížce, a tím dochází k přenosu hmoty. Energie potřebná k pohybu prázdného místa nebo atomu kolem mřížky se nazývá aktivační energie .
• Mechanismus intersticiální difúze  – spočívá v přenosu hmoty intersticiálními atomy. K difúzi tímto mechanismem dochází intenzivně, pokud je z nějakého důvodu v krystalu přítomno velké množství intersticiálních atomů a ty se snadno pohybují po mřížce. Takový mechanismus difúze se předpokládá např. u dusíku v diamantu.
• Přímá výměna atomů v místech  - spočívá v tom, že si dva sousední atomy při jednom skoku vymění místa v krystalové mřížce.

V každém difúzním procesu zpravidla probíhají všechny vyjmenované mechanismy pohybu atomů. Při heterodifúzi je alespoň jeden z atomů nečistotou. Pravděpodobnost výskytu těchto procesů v krystalu je však různá. Přímá výměna atomů vyžaduje velmi velké narušení mřížky v tomto místě a s tím spojenou koncentraci energie v malé oblasti. Proto je tento proces nepravděpodobný, stejně jako výměna prstenů.

Závislost difúze na podmínkách

• teplota . Ve stejném krystalu, za různých podmínek a pro různé atomy, může dojít k difúzi podle různých mechanismů s různými aktivačními energiemi. Difúze může být složitý, vícestupňový proces, z nichž každý má svou vlastní teplotní závislost.
• Tlak . Zvýšení teploty vždy urychlí difúzi, zatímco tlak působí komplexněji. Záleží na mechanismu difúze. Pokud k difúzi dochází podle mechanismu vakancí, pak zvýšení tlaku snižuje obsah vakancí. To se děje proto, že zvýšení obsahu vakancí zvětšuje objem krystalu, tlak má tendenci zmenšovat objem krystalu, a proto snižuje obsah vakancí, čímž se snižuje rychlost difúze. Dochází-li k difúzi podle intersticiálního mechanismu, pak na jedné straně zvýšení tlaku zvyšuje obsah intersticiálních atomů, na druhé straně se atomy v krystalu přibližují k sobě a pohyb mezi místy se stává obtížnější.

Literatura

• Bokshtein B.S. Difúze v kovech. - M .: Metalurgie, 1978. - 248 s.