Difuzia într-un cristal

Difuzia  este transferul atomilor datorat mișcării termice haotice, putând deveni direcționat sub acțiunea unui gradient de concentrație sau temperatură. Pot difuza atât atomii de rețea intrinseci (autodifuzie sau homodifuzie), cât și atomii altor elemente chimice dizolvați în semiconductor (impuritate sau heterodifuzie), precum și defecte punctuale ale structurii cristaline  - atomi interstițiali și vacante.

Pentru a crea straturi cu diferite tipuri de conductivitate și joncțiuni pn într-un semiconductor, în prezent sunt utilizate trei metode de introducere a impurităților: difuzia termică, dopajul cu transmutarea neutronilor și implantarea ionică ( dopajul ionic ). Odată cu scăderea dimensiunii elementelor IC și a grosimii straturilor aliate, a doua metodă a devenit predominantă. Totuși, procesul de difuzie nu își pierde semnificația, mai ales că distribuția impurităților în timpul recoacerii unui semiconductor după dopajul ionic respectă legile generale ale difuziei.

Principalele caracteristici ale straturilor de difuzie

• rezistența la suprafață sau concentrația de impurități de suprafață;
• adâncimea de apariție -tranziție sau strat aliat;
• distribuția impurităților în stratul dopat.

Până în prezent, nu există o teorie generală suficient de completă care să permită un calcul precis al acestor caracteristici. Teoriile existente descriu procese reale fie pentru cazuri speciale și anumite condiții ale procesului, fie pentru crearea de straturi de difuzie la concentrații relativ scăzute și adâncimi suficient de mari de introducere a impurităților. Motivul pentru aceasta este varietatea de procese care au loc într-un solid în timpul difuziei, cum ar fi interacțiunea atomilor de diferite impurități între ei și cu atomii semiconductori, tensiunile mecanice și deformațiile din rețeaua cristalină, influența mediului și alte procese. conditii.

Mecanisme de difuzie a impurităților

Principalele mecanisme de mișcare a atomilor într-un cristal pot fi: schimbul direct de atomi pe alocuri - a; schimb inel - b; mișcare de-a lungul internodurilor - în; difuzie releu (crowdion) - g; mutarea prin posturi vacante - d; mișcare disociativă - e; migrarea de-a lungul defectelor extinse (dislocații, defecte de stivuire, limite de cereale).

• Mecanismul de difuzie a locurilor vacante  constă în migrarea atomilor de -a lungul rețelei cristaline cu ajutorul vacantelor. În orice cristal, există locuri libere  - locuri în rețea fără atomi (uneori sunt numite atomi goli). Atomii din jurul locului vacant oscilează și, după ce a primit o anumită energie, unul dintre acești atomi poate sări în locul locului vacant și să-și ia locul în rețea , lăsând la rândul său un loc vacant. Acesta este modul în care atomii și locurile libere se mișcă de-a lungul rețelei și, prin urmare, transferul de masă. Energia necesară pentru a muta un loc liber sau un atom în jurul rețelei se numește energie de activare .
• Mecanism de difuzie interstițială  – constă în transferul de materie de către atomi interstițiali. Difuzia prin acest mecanism are loc intens dacă, din anumite motive, un număr mare de atomi interstițiali sunt prezenți în cristal și se deplasează cu ușurință de-a lungul rețelei. Un astfel de mecanism de difuzie este presupus, de exemplu, pentru azotul din diamant.
• Schimbul direct de atomi pe alocuri  - constă în faptul că doi atomi vecini într-un salt schimbă locuri în rețeaua cristalină.

În orice proces de difuzie, de regulă, au loc toate mecanismele enumerate ale mișcării atomice. În heterodifuzie, cel puțin unul dintre atomi este o impuritate. Cu toate acestea, probabilitatea ca aceste procese să apară într-un cristal este diferită. Schimbul direct de atomi necesită o distorsiune foarte mare a rețelei în acest loc și concentrația de energie asociată acesteia într-o zonă mică. Prin urmare, acest proces este puțin probabil, la fel ca și schimbul de inele.

Dependența difuziei de condiții

• temperatura . În același cristal, în condiții diferite și pentru atomi diferiți, difuzia poate avea loc în funcție de mecanisme diferite cu energii de activare diferite. Difuzia poate fi un proces complex, în mai multe etape, fiecare dintre ele având propria sa dependență de temperatură.
• Presiune . O creștere a temperaturii accelerează întotdeauna difuzia, în timp ce presiunea are un efect mai complex. Depinde de mecanismul de difuzie. Dacă difuzia are loc în funcție de mecanismul de vacanță, atunci o creștere a presiunii reduce conținutul posturilor vacante. Acest lucru se întâmplă deoarece o creștere a conținutului de locuri libere crește volumul cristalului, presiunea tinde să reducă volumul cristalului și deci scade conținutul de locuri libere, reducând astfel rata de difuzie. Dacă difuzia are loc conform mecanismului interstițial, atunci, pe de o parte, o creștere a presiunii crește conținutul de atomi interstițiali, pe de altă parte, atomii din cristal se apropie unul de celălalt și mișcarea între locuri devine mai dificilă.

Literatură

• Bokshtein B.S. Difuzia în metale. - M . : Metalurgie, 1978. - 248 p.