04 (Электронные лекции в формате DOC)

ДЕФЕКТЫ НА АТОМАХ ПНИКТИДОВ

Образование дефектов типа ППВ возможно не только на атомах халькогенов, но и на атомах элементов V группы периодической системы (пниктидах). Однако, в последнем случае картина возникновения дефектов является более сложной, поскольку валентность больше нормальной в пниктидах возможна только в результате гибридизации.

Нормальным состоянием пниктида, обладающим наименьшей энергией, является _рР₃⁰ , в котором атом образует три связи, используя р-орбитали (рис). Было показано, что дефектами с наименьшей энергией, так же как и в случае халькогенов, являются заряженные центры с переменной валентностью:

_рР ^₂ и _spP ^ ₄ (рис).

В случае ХСП, содержащих элементы V и VI групп, все виды дефектов ( С₁^, С₃^, _рР₂^, _spP₄^) могут присутствовать, но их концентрации будут различны вследствие различий в энергиях образования. Приближенный анализ показывает, что основным отрицательным центром в ХСП, вероятно будет С₁^, а положительно заряженными центрами будут как С₃^, так и _spP₄^.

_spP⁺₄

_pP^-₂

E_p

P

S

------------------------------------------------------------------------------------------------

ДЕФЕКТЫ НА АТОМАХ ЭЛЕМЕНТОВ IV ГРУППЫ

Необходимым условием образования пар с переменной валентностью (координация дефектов больше и меньше, чем у нормального атома) является наличие электронов на несвязывающих орбиталях (неподеленных пар электронов). В связи с этим данный тип дефектов возможен на атомах элементов V и VI групп периодической системы, но невозможен на атомах IV группы – тетраэдрических полупроводников, так как у последних нет неподеленных пар электронов. Следовательно, в материалах IV группы могут присутствовать только дефекты с координацией меньше нормальной.

Электронная структура возможных состояний атомов IV группы (кремния) была проанализирована Д. Адлером.

Нормальное состояние атома кремния _spT₄⁰ (см. рисунок).

По оценке Адлера, наименьшей энергией обладает дефект _pT₂⁰ (см. рисунок).

Следующая по величине энергия у заряженных дефектов _spT₂⁺ (см. рисунок) и

_pT₃^— (см. рисунок).

Обратим внимание, что если наименьшей энергией обладает нейтральный дефект (_рТ₂⁰), то отсюда следует, что корреляционная энергия для аморфного кремния положительная.

Это объясняется значительной жесткостью структурной сетки аморфного кремния по сравнению с ХСП. Однако надо отметить, что до настоящего времени вопрос о знаке корреляционной энергии в аморфном кремнии остается предметом дискуссий. Возможно, что за счет беспорядка и возникающих в результате этого флуктуаций энергетических состояний корреляционная энергия может менять знак.

Рассмотренные нами модели энергетических зон (хотя они относятся к некристаллическим полупроводникам вообще), как правило, создавались для халькогенидных стеклообразных полупроводников.

Давайте теперь подробнее рассмотрим строение энергетических зон аморфного кремния и, в частности, гидрогенизированного аморфного кремния, как имеющего наибольшее практическое применение. (Почему?).

Однако, сначала нам необходимо попытаться ответить на вопрос:

Почему именно a – Si:H обладает уникальными свойствами?

Почему именно a – Si:H допускает эффективное управление его свойствами путем легирования?

Но для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо иметь ясность в другом:

Почему некристаллические полупроводники, в отличие от кристаллов, как правило, нечувствительны к примесям?

Для ХСП одну причину мы уже называли:

• отсутствие дальнего порядка и мягкая структурная сетка (наличие шарнирных связей) приводит к тому, что атомы примеси насыщают все свои валентные связи и становятся электрически неактивными.

Однако такое объяснение вряд ли подойдет для некристаллического четырех координированного материала, у которого атомы образуют жесткую трехмерную сетку.

С другой стороны, жесткость структурной сетки приводит к тому, что в отсутствии дальнего порядка имеется значительное число собственных атомов материала, которые не могут полностью удовлетворить свою валентность. Другими словами, в материале имеется высокая плотность дефектов и соответствующих им уровней в запрещенной зоне. В результате плотность состояний в запрещенной зоне N, см^-3эВ^-1

a – Si составляет порядка 10²⁰ см^-3 эВ^-1.

П онятно, что в этой ситуации, при a – Si

н ормальных уровнях легирования, 10²⁰

к онцентрация уровней донорных или a – Si:H

а кцепторных уровней оказывается ниже, 10¹⁹

ч ем концентрация уровней собственных N_D

дефектов (рисунок). Поэтому примеси

н е оказывают влияние на положение 10¹⁸

у ровня Ферми и на свойства

п олупроводника. 10¹⁷

Что же происходит при введении в

кремний достаточно большого количества E_v 0,4 0,8 1,2 E_c

(несколько процентов) атомов водорода?

А томы водорода, имеющие один электрон, взаимодействуют с оборванными связями атома кремния. Например, с атомами в конфигурации Т₃⁰:

Н

Связь Si – H более сильная, чем связь Si – Si. Si₃⁰ H Si - H

С ледовательно, при образовании такой E_c

с вязи энергия электронов понижается на

величину даже бо’льшую, чем энергия

э лектронов, образующих связь Si – Si. + =

Т аким образом, вместо несвязывающих

о рбиталей в запрещенной зоне, образуются

с вязывающая орбиталь в валентной зоне и E_v

а нтисвязывающая орбиталь в зоне

проводимости.

Вывод: введение водорода позволяет резко снизить плотность локализованных состояний в запрещенной зоне (см. рисунок).

В этой ситуации становится возможным создание более высокой плотности состояний легирующей примеси, по сравнению с плотностью состояний собственных дефектов, а следовательно, управление свойствами материала путем легирования.