Difusión en un cristal

La difusión  es la transferencia de átomos debido al movimiento térmico caótico, puede volverse dirigida bajo la acción de un gradiente de concentración o temperatura. Tanto los átomos de la red intrínseca (autodifusión u homodifusión) como los átomos de otros elementos químicos disueltos en el semiconductor (impureza o heterodifusión) pueden difundir, así como defectos puntuales en la estructura cristalina  : átomos intersticiales y vacantes.

Para crear capas con diferentes tipos de conductividad y uniones pn en un semiconductor, actualmente se utilizan tres métodos de introducción de impurezas: difusión térmica, dopaje por transmutación de neutrones e implantación de iones ( dopaje de iones ). Con una disminución en el tamaño de los elementos IC y el espesor de las capas de aleación, el segundo método se volvió predominante. Sin embargo, el proceso de difusión no pierde su importancia, especialmente porque la distribución de impurezas durante el recocido de un semiconductor después del dopaje iónico obedece a las leyes generales de la difusión.

Principales características de las capas de difusión

• resistencia superficial o concentración de impurezas superficiales;
• profundidad de aparición -capa de transición o de aleación;
• distribución de impurezas en la capa dopada.

Hasta la fecha no existe una teoría general suficientemente completa que permita un cálculo preciso de estas características. Las teorías existentes describen procesos reales ya sea para casos especiales y ciertas condiciones del proceso, o para la creación de capas de difusión a concentraciones relativamente bajas y profundidades suficientemente grandes de introducción de impurezas. La razón de esto es la variedad de procesos que ocurren en un sólido durante la difusión, como la interacción de átomos de diversas impurezas entre sí y con átomos semiconductores, tensiones mecánicas y deformaciones en la red cristalina, la influencia del medio ambiente y otros procesos. condiciones.

Mecanismos de difusión de impurezas

Los principales mecanismos para el movimiento de átomos en un cristal pueden ser: intercambio directo de átomos en lugares - a; intercambio de anillos - b; movimiento a lo largo de los entrenudos - adentro; difusión de relé (crowdion) - g; moviéndose a través de vacantes - d; movimiento disociativo - e; migración a lo largo de defectos extensos (dislocaciones, fallas de apilamiento, límites de grano).

• El mecanismo de difusión de vacantes  consiste en la migración de átomos a lo largo de la red cristalina con la ayuda de vacantes. En cualquier cristal, hay vacantes  : lugares en la red sin átomos (a veces se les llama átomos vacíos). Los átomos alrededor de la vacante oscilan y, habiendo recibido cierta energía, uno de estos átomos puede saltar al lugar de la vacante y ocupar su lugar en la red , dejando a su vez una vacante. Así es como los átomos y las vacantes se mueven a lo largo de la red y, por lo tanto, la transferencia de masa. La energía requerida para mover una vacante o un átomo alrededor de la red se llama energía de activación .
• Mecanismo de difusión intersticial  : consiste en la transferencia de materia por átomos intersticiales. La difusión por este mecanismo ocurre intensamente si, por alguna razón, una gran cantidad de átomos intersticiales están presentes en el cristal y se mueven fácilmente a lo largo de la red. Tal mecanismo de difusión se supone, por ejemplo, para el nitrógeno en el diamante.
• Intercambio directo de átomos en lugares  : consiste en el hecho de que dos átomos vecinos en un salto intercambian lugares en la red cristalina.

En cualquier proceso de difusión, por regla general, tienen lugar todos los mecanismos de movimiento atómico enumerados. En heterodifusión, al menos uno de los átomos es una impureza. Sin embargo, la probabilidad de que estos procesos ocurran en un cristal es diferente. El intercambio directo de átomos requiere una gran distorsión de la red en este lugar y la concentración de energía asociada con ella en una pequeña región. Por lo tanto, este proceso es poco probable, al igual que el intercambio de anillos.

Dependencia de la difusión de las condiciones

• temperatura _ En el mismo cristal, bajo diferentes condiciones y para diferentes átomos, la difusión puede ocurrir según diferentes mecanismos con diferentes energías de activación. La difusión puede ser un proceso complejo de varias etapas, cada una de las cuales tiene su propia dependencia de la temperatura.
• Presión _ Un aumento de la temperatura siempre acelera la difusión, mientras que la presión tiene un efecto más complejo. Depende del mecanismo de difusión. Si la difusión ocurre de acuerdo con el mecanismo de vacantes, entonces un aumento en la presión reduce el contenido de las vacantes. Esto sucede porque un aumento en el contenido de vacantes aumenta el volumen del cristal, la presión tiende a reducir el volumen del cristal y por lo tanto baja el contenido de vacantes, reduciendo así la velocidad de difusión. Si la difusión ocurre de acuerdo con el mecanismo intersticial, entonces, por un lado, un aumento en la presión aumenta el contenido de átomos intersticiales, por otro lado, los átomos en el cristal se acercan entre sí y el movimiento entre sitios se vuelve más difícil.

Literatura

• Bokshtein B.S. Difusión en metales. - M. : Metalurgia, 1978. - 248 p.