Diodų pn sandūrų sudarymo būdai

Atsižvelgiant į pn darinių konstrukcijas, puslaidininkiniai diodai skirstomi į taškinius ir plokštinius. Taškiniam diodui naudojamas puslaidininkinės medžiagos lustas, prie kurio prispausta metalinė adata (6.1 pav.). Jeigu puslaidininkis yra elektroninio laidumo, tai adatos galas iš anksto padengiamas trivalente akceptorine priemaiša – aliuminiu, indžiu, arba galiu. pn sandūra sudaroma elektrinio formavimo būdu: per kontaktą praleidžiamas galingas srovės impulsas. Jis įkaitina adatos ir kristalo sąlyčio vietą, ir adatos galas įsilydo į puslaidininkį. Be to, aukštoje temperatūroje priemaišos atomai skverbiasi į puslaidininkį. Todėl po adatos galu susidaro nedidelė p puslaidininkio sritis ir pn sandūra. Taškinių diodų pn sandūros plotas paprastai esti ne didesnis kaip 50µm2. Taškinių diodų elektrinių savybių ypatumus atskleisime vėliau. Pirmieji plokštiniai diodai buvo gaminami įlydimo būdu. Įlydymo technologijos esmę iliustruoja 6.2 paveikslas. Į elektroninio laidumo silicio lustą 600-700 oC temperatūroje įlydoma aliuminio tabletė. Aliuminio atomams įsiskverbus į silicį, aplink aliuminio tabletę susidaro skylinio laidumo silicio sritis. Germanio pn sandūrą galima sudaryti sulydant germanį su indžiu. Įlydimo būdu sudaromos staigios pn sandūros. Lydytinių sandūrų plotas gali būti didesnis. Tobulesnė yra pn darinių sudarymo technologija, pagal kurią priemaišos atomai į puslaidininkio kristalą difunduoja iš dujinės aplinkos. Difuzijos krosnyje virš elektroninio laidumo silicio praleidžiamas dujų mišinys, kuriame yra akceptorinės priemaišos – boro (6.3 pav., a). 1000-1300 oC temperatūroje (artimoje silicio lydymosi temperatūrai) boro atomai dėl koncentracijos gradiento skverbiasi į silicį. Parinkus terminės priemaišų difuzijos temperatūrą ir trukmę, gaunamas pageidaujamas boro pasiskirstymas (6.3 pav., b). Efektinė priemaišų koncentracija, kaip žinome, lygi priemaišų koncentracijų skirtumui: jei , tai ; jei , tai ; čia ir – akceptorinės ir donorinės priemaišų koncentracijos. Todėl, kai akceptorinės priemaišos koncentracija lusto paviršiniame sluoksnyje viršija pradinę donorinės priemaišos koncentraciją, pasikeičia laidumo tipas, paviršinis sluoksnis tampa p puslaidininkiu (6.3 pav.). Taip terminės priemaišų difuzijos būdu sudaroma pn sandūra. Terminės priemaišų difuzijos būdu galima sudaryti artimą staigiai arba tolydinę pn sandūrą. Sandūros tipą lemia defektinės priemaišų koncentracijos gradientas, priklausantis nuo priemaišų difuzijos sąlygų – temperatūros ir trukmės. Šie veiksniai lemia ir pn sandūros gylį xpn. Kadangi terminės priemaišų difuzijos būdu pn sandūra sudaroma perkompensuojant pradines priemaišas, priemaišų koncentracija kitokio laidumo sluoksnyje visuomet yra didesnė nei pradinė priemaišų koncentracija. Kitokio laidumo puslaidininkio sluoksnį su bet kokia priemaišų koncentracija galima sudaryti epitaksijos būdu. Epitaksijos metu virš silicio plokštelės (padėklo) praleidžiamas dujų srautas. Padėklo paviršiuje aukštoje (apie 1200 oC) temperatūroje vyksta cheminė reakcija tarp srautą sudarančių medžiagų (silicio tetrachlorido SiCl2 ir vandenilio H2). Reakcijos metu išsiskyrę silicio atomai lieka ant padėklo paviršiaus (6.4 pav.). Tvarkingai išsidėstę ant padėklo jie sudaro sluoksnį, kuris pratęsia padėklo kristalinę gardelę. Įmaišius į dujų srautą junginius su priemaišų atomais (pvz., BCl3 ar PCl3), galima užauginti n, p, taip pat n-, p- bei n+, p+ puslaidininkių sluoksnius. Čia minusas žymi, kad puslaidininkis yra silpnai legiruotas, pliusas reiškia, kad priemaišos koncentracija didelė. Kartais puslaidininkiniams diodams tikslinga naudoti sudėtingus puslaidininkinius darinius, formuojamus epitaksine-difuzine technologija. Taikant šią technologiją ant n+ tipo silicio padėklo užauginamas epitaksinis n- silicio sluoksnis. Terminės priemaišų difuzijos būdu į šį sluoksnį įvedus akceptorinių priemaišų, paviršinė epitaksinio sluoksnio dalis paverčiama p puslaidininkiu (6.5 pav.). Plokštinio diodo pn sandūros plotas gali būti didelis. Tada diodas gali praleisti stiprią srovę. Tačiau, jeigu sandūros plotas didelis, sandūros elektrinė talpa yra didelė, o diodo dažninės savybės prastos. Mažo ploto pn sandūroms sudaryti buvo sukurtos mezatechnologijos ir planariosios technologijos. Diodų mezadarinių gamybą iliustruoja 6.6 paveikslas. Kaip padėklas naudojamas n silicis. Terminės priemaišų difuzijos būdu padėklo paviršiuje sudaromas p silicio sluoksnis. Po to puslaidininkio paviršius padengiamas silicio dioksido SiO2 sluoksniu. Fotolitografijos būdu silicio dioksido sluoksnis nuo paviršiaus dalies nuėsdinamas. Likęs SiO2 sluoksnis naudojamas kaip apsauginis, ėsdinant silicį. Po ėsdinimo gautas darinys atvaizduotas 6.6 paveiksle. Pašalinus silicio dioksido sluoksnį, puslaidininkė plokštelė dalinama į lustus su nedidelio ploto pn sandūromis. Naudojant planariąją technologiją, puslaidininkinis darinys formuojamas apdorojant viršutinį plokščią padėklo paviršių. Kai taikoma planarioji epitaksinė-difuzinė technologija, ant n+ silicio padėklo užauginamas n- silicio sluoksnis. Po to paviršiuje sudaromas silicio dioksido sluoksnis ir jame fotolitografijos būdu atidaroma anga, per kurią vykdoma terminė priemaišų difuzija. Perkompensavus pradines priemaišas, sudaroma p laidumo sritis (6.7 pav.). Planariųjų darinių sričių išvadus galima jungti prie vienos lusto pusės. Kartais vietoj pn sandūrų dioduose naudojamos metalo ir puslaidininkio sandūros su Šotkio barjerais. Šotkio epitaksinio mezadarinio struktūra atvaizduota 6.8 paveiksle. Metalo sluoksnis ant tinkamai apdoroto puslaidininkio paviršiaus užgarinamas vakuume. Mikrobangų ir lazeriniuose dioduose naudojamos įvairialytės sandūros. Jas išsamiau aptarsime vėliau. Puslaidininkiniai diodai naudojami kintamosios srovės lygintuvuose, detektoriuose, impulsinėse grandinėse, o kartais net kaip generatorių ir stiprintuvų aktyvieji elementai.