Дифузія в напівпровідникових матеріалах має ряд особливостей Найважливішою з цих особливостей є наявність в напівпровідниках електрично активних домішок і власних дефектів, насамперед вакансій Кулонівське взаємодія між ними змінює рухливість, концентрацію і характер розподілу дефектів і відповідно умови і швидкість дифузії Важливо також, що вплив домішок у напівпровідниках проявляється при дуже малих концентраціях Крім того, на процеси дифузії в напівпровідниках позначається і низька компактність решіток останніх

Самодифузія в елементарних речовинах, зєднаннях і твердих розчинах найчастіше здійснюється по вакансійних механізму Швидкість її зазвичай менше швидкості гетеродіффузіі

На самодифузія в напівпровідниках впливають домішки Характер впливу визначається не тільки розмірним фактором ΔR/R, Де R – Ковалентний радіус атомів основної речовини, а ΔR – Різниця ковалентних радіусів основної речовини і домішки (пружні напруги ведуть до перерозподілу точкових дефектів) Істотну роль грає безпосередній вплив домішок на концентрацію вакансій Коефіцієнт дифузії тим більше, чим вище концентрація вакансій (див (810)) У напівпровідниках між концентрацією електрично неактивних і електрично активних вакансій і домішок існує динамічна рівновага Концентрації заряджених вакансій і домішок взаємоповязані

Дійсно, у випадку донорних домішок, наприклад мишяку в германии, рівновагу і взаємодію можна представити так:

[V ] = [V −]+ h  [As] = [As+]+ e  h + e = (he)           (829)

Тут he – Електронно-дірковий пара Освіта цих пар зрушує рівновагу вправо, тобто збільшує концентрацію акцепторних вакансій [V -] щоб при цьому збереглася рівноважна для даної

температури концентрація електрично неактивних вакансій, повинна зрости загальна концентрація вакансій, що має сприяти прискоренню самодифузії

Ясно, що при введенні домішки картина буде зворотною Концентрація дірок зростає за рахунок іонізації акцепторної домішки,

зменшується концентрація [V -], А з нею і загальна концентрація вакансій, що в результаті призводить до уповільнення самодифузії

Особливо слід зупинитися на самодифузії в напівпровідникових зєднаннях, яка ускладнюється наявністю іонної складової звязку, можливої ​​дисоціацією деяких зєднань при температурі дифузії або випаровуванням летких компонент

У напівпровідникових зєднаннях самодифузія кожного з компонентів сполуки здійснюється в більшості випадків тільки в своїй підгратці Перехід вакансій з однієї подрешетки в іншу практично виключений, так як при цьому найближчими сусідами атома, що перейшло у вакансію, стали б однойменно заряджені атоми Чим більше іонна складова звязку в зєднанні, тим менш імовірний такий перехід Тому перехід атома в вакансію може здійснюватися тільки через міжвузля Цим пояснюється і високе значення енергії активації самодифузії в зєднаннях

У всіх відомих випадках для зєднань AIIIBV і AIIBVI енергія активації дифузії елемента AIII (AII) значно менше, ніж BV (BVI) Це повязано з тим, що відхід з вузла атома BV або BVI вимагає великих енергетичних витрат, ніж догляд атомів AIII або AII

На швидкість і параметри самодифузії в зєднаннях істотно позначається також відхилення від стехіометрії Останнє завжди прискорює самодифузія того елемента, зміст якого менше стехиометрического і в підгратці якого є вакансії

Розглянемо відмітні особливості гетеродіффузіі в германии і кремнії Як випливає з табл 81, елементи IB і VIII (перехідні метали) груп дифундують в них з більшою швидкістю, ніж елементи IIIA і VA груп Механізм дифузії домішок IB і VIII груп, як ми вже встановили, – междоузельний для домішок впровадження (літій) або дисоціативний, якщо атоми домішки можуть розміщуватися як у вузлах, так і в междоузлиях

Особливий практичний інтерес представляє поводження елементів IIIA і VA груп в германии і кремнії У Si елементи IIIA групи (акцептори) дифундують на 1-15 порядки швидше, ніж домішки VA групи (донори) У Ge, навпаки, коефіцієнти дифузії елементів IIIA групи приблизно на два порядки менше, ніж елементів VA групи

Різниця ковалентних радіусів домішки і основної речовини (ΔR) У загальному випадку для домішок з IIIA групи більше, ніж для домішок з VA групи Тому локальні пружні спотворення в решітці матриці повинні бути більше навколо домішкових атомів IIIA групи (сюди будуть прагнути вакансії) і швидкість їх дифузії теж повинна бути більше Таке тлумачення добре узгоджується з експериментальними спостереженнями дифузії в кремнії Аналогічна ситуація має спостерігатися і в германии Проте насправді, як уже згадувалося вище, коефіцієнти дифузії домішок з IIIA групи в Ge менше, ніж для домішок з VA групи При дифузії в германии, мабуть, зявляється додатковий фактор, який перекриває вплив розмірного фактора на швидкість дифузії Цим фактором

є заряджені вакансії V

Ймовірність утворення акцепторних вакансій тим більше, чим менше енергія їх утворення Про останню можна судити по розташуванню акцепторних рівнів вакансій в забороненій зоні Ці рівні для Ge і Si істотно різні У Ge акцепторні рівень вакансії розташований в нижній половині забороненої зони на 026 еВ вище стелі валентної зони, а в Si у верхній половині – на 016 еВ нижче дна зони провідності Звідси випливає, що частка електрично заряджених вакансій в Ge набагато більше, ніж в Si, де вони всі практично електрично неактивні

В силу кулонівського взаємодії між електрично зарядженими вакансіями та домішками навколо позитивно заряджених донорних домішок (VA групи) в решітці Ge створюються області, збагачені вакансіями, а навколо негативно заряджених акцепторних домішок (IIIA групи) – області, збіднені вакансіями Це означає, що переміщення акцепторних домішок буде утруднено, що й спостерігається в Ge

За наявності декількох домішок були встановлені наступні закономірності Дифузія донорної домішки сповільнюється при попередньому легуванні зразка акцепторной домішкою і прискорюється при попередньому легуванні донором Причиною цього також є кулонівська взаємодія донорів і акцепторів (освіта донорно-акцепторних пар), яке зменшує ефективну швидкість дифузії

Особливістю гетеродіффузіі в напівпровідникових зєднаннях є те, що більшість домішок дифундують по підгратками тих компонентів сполуки, які ближче до домішок за хімічними властивостями У деяких випадках відому роль відіграє і розмірний фактор ΔR/R

Параметри дифузії домішкових елементів, дифундуючих в одній підгратці напівпровідникового зєднання, дуже близькі між собою і різко відрізняються від параметрів дифузії домішок, дифундуючих за іншою підгратці

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002