Diffusion i en kristall

Diffusion  är överföringen av atomer på grund av kaotisk termisk rörelse, den kan bli riktad under inverkan av en koncentrations- eller temperaturgradient. Både inre gitteratomer (självdiffusion eller homodiffusion) och atomer av andra kemiska element lösta i halvledaren (orenhet eller heterodiffusion) kan diffundera, såväl som punktdefekter i kristallstrukturen  - interstitiella atomer och vakanser.

För att skapa skikt med olika typer av konduktivitet och pn-övergångar i en halvledare används för närvarande tre metoder för att introducera föroreningar: termisk diffusion, neutrontransmutationsdopning och jonimplantation ( jondopning ). Med en minskning av storleken på IC-elementen och tjockleken på de legerade skikten blev den andra metoden dominerande. Diffusionsprocessen förlorar dock inte sin betydelse, särskilt eftersom föroreningsfördelningen under glödgning av en halvledare efter jondopning följer de allmänna diffusionslagarna.

Huvudegenskaper hos diffusionsskikt

• ytresistans eller ytföroreningskoncentration ;
• djup av förekomst -övergång eller legerat skikt;
• föroreningsfördelning i det dopade lagret.

Hittills finns det ingen tillräckligt fullständig allmän teori som tillåter en exakt beräkning av dessa egenskaper. Befintliga teorier beskriver verkliga processer antingen för speciella fall och vissa förhållanden i processen, eller för skapandet av diffusionsskikt vid relativt låga koncentrationer och tillräckligt stora djup av föroreningsintroduktion. Anledningen till detta är mångfalden av processer som sker i ett fast ämne under diffusion, såsom växelverkan mellan atomer av olika föroreningar med varandra och med halvledaratomer, mekaniska spänningar och deformationer i kristallgittret, påverkan av miljön och andra processer betingelser.

Diffusionsmekanismer för föroreningar

Huvudmekanismerna för rörelse av atomer i en kristall kan vara: direkt utbyte av atomer på platser - a; ringbyte - b; rörelse längs internoder - in; relädiffusion (crowdion) - g; flytta igenom lediga platser - d; dissociativ rörelse - e; migration längs utökade defekter (dislokationer, staplingsfel, korngränser).

• Vakansdiffusionsmekanismen  består i migration av atomer längs kristallgittret med hjälp av vakanser. I vilken kristall som helst finns det lediga platser  - platser i gittret utan atomer (de kallas ibland tomma atomer). Atomerna runt vakansen svänger och, efter att ha fått en viss energi, kan en av dessa atomer hoppa till den lediga platsen och ta sin plats i gittret och i sin tur lämna efter sig en vakans. Det är så atomer och vakanser rör sig längs gittret, och därav massöverföringen. Den energi som krävs för att flytta en ledig plats eller atom runt gittret kallas aktiveringsenergin .
• Interstitiell diffusionsmekanism  - består i överföring av materia av interstitiella atomer. Diffusion med denna mekanism sker intensivt om, av någon anledning, ett stort antal interstitiella atomer finns i kristallen och de lätt rör sig längs gittret. En sådan diffusionsmekanism antas till exempel för kväve i diamant.
• Direkt utbyte av atomer på platser  - består i att två angränsande atomer i ett hopp byter plats i kristallgittret.

I varje diffusionsprocess äger som regel alla listade mekanismer för atomrörelse rum. Vid heterodifusion är åtminstone en av atomerna en förorening. Sannolikheten för att dessa processer inträffar i en kristall är dock olika. Det direkta utbytet av atomer kräver en mycket stor förvrängning av gittret på denna plats och den energikoncentration som är associerad med det i en liten region. Därför är denna process osannolik, liksom ringbytet.

Beroende av diffusion på förhållanden

• temperatur . I samma kristall, under olika förhållanden och för olika atomer, kan diffusion ske enligt olika mekanismer med olika aktiveringsenergier. Diffusion kan vara en komplex process i flera steg, som var och en har sitt eget temperaturberoende.
• Tryck . En ökning av temperaturen påskyndar alltid diffusionen, medan trycket har en mer komplex effekt. Det beror på diffusionsmekanismen. Om diffusion sker enligt vakansmekanismen, minskar en ökning av trycket innehållet av vakanser. Detta händer eftersom en ökning av innehållet av vakanser ökar volymen av kristallen, tryck tenderar att minska volymen av kristallen och därför sänker innehållet av vakanser, vilket minskar diffusionshastigheten. Om diffusion sker enligt den interstitiella mekanismen så ökar å ena sidan en tryckökning innehållet av interstitiella atomer, å andra sidan närmar sig atomerna i kristallen varandra och förflyttning mellan platserna blir svårare.

Litteratur

• Bokshtein B.S. Diffusion i metaller. - M . : Metallurgi, 1978. - 248 sid.