Г.П. Яровой, П.В. Тяпухин, В.М. Трещев, В.В. Зайцев, В.И. Занин - Основы полупроводниковой электроники, страница 4

Молекулярные кристаллы имеют низкие температурыплавления и кипения, сильную сжимаемость, малую электропроводность, они прозрачны для электромагнитного излучения вплоть до дальнего ультрафиолета. К ним относятся такиевещества, как H2, N2, Cl2, H2O, CO2, органические кристаллы,инертные газы в твердом состоянии и т.д.• Ионные кристаллы. Силы притяжения в ионныхкристаллах представляют собой кулоновские силы взаимодействия между ионами противоположных знаков, локализованными в узлах решетки.

Ионная связь является гетерополярной, которая характеризуется обязательным переносомэлектрона от одного атома (чаще всего щелочного металла) кдругому атому (галогену). Как правило, ионные кристаллы −это неорганические диэлектрики с проводимостью в 1020 разменьшей, чем у металлов. С повышением температуры проводимость в них, в отличие от металлов, возрастает, так какона связана с диффузией ионов вдоль решетки (ионная электропроводность).

Ионные кристаллы хорошо поглощаютэлектромагнитное излучение в инфракрасной части спектра. Вкачестве примера кристаллов с ионными связями можно назвать NaCl, ZnS, KCl, AgBr.• Атомные кристаллы образуются за счет ковалентной (валентной, гомеополярной, обменной) связи между атомами решетки. Она возникает при перекрытии внешних электронных оболочек соседних атомов, когда резко возникаетвероятность туннельного перехода валентных электронов от29одного атома к другому. При расстоянии между ядрами менее0,2 нм частота обмена валентными электронами настольковелика, что можно говорить о системе из двух ядер с обобществленными валентными электронами, принадлежащими обоим ядрам.

Такая система может быть более устойчивой, чемдва изолированных друг от друга атома.Ковалентная связь присуща в основном элементам средних групп периодической системы, таким, как C, Ge, Si, атакже большинству органических соединений, галогенам ит.д. Атомные кристаллы характеризуются большой прочностью, низкой сжимаемостью, высокой температурой плавления, малой проводимостью при низких температурах (в отсутствии примесей) и заметным её ростом с повышениемтемпературы. По оптическим свойствам они близки к ионнымкристаллам.• Металлические кристаллы образуются главнымобразом из атомов первых групп периодической системы. Силы притяжения связаны с обобществлением электронов проводимости, которые принадлежат всему кристаллу и ведутсебя как газ, подчиняющийся статистике Ферми.2.3.

Ковалентная связьДля иллюстрации природы ковалентной связи можно рассмотреть простейший пример взаимодействия двух атомовводорода. По мере сближения атомов вероятность переходаэлектронов к "чужим" ядрам увеличивается. При расстояниимежду ядрами r = 0,2 нм наступает заметное перекрытиеэлектронных облаков этих атомов и частота перехода достигает значения1014 Гц. При дальнейшем сближении степень перекрытия облаков и частота обмена увеличиваются настолько, что теряетсмысл говорить о принадлежности электронов какому-то конкретному атому.

Это соответствует возникновению новогосостояния, не свойственного системе, образованной двумя30изолированными атомами. Оно замечательно тем, что электроны в этом состоянии принадлежат одновременно обоимядрам, или, как говорят, обобществлены.Обобществление электронов сопровождается перераспределением электронной плотности и изменением энергии системы. Перераспределение состоит во "втягивании" электронных облаков в пространство между ядрами. Появление состояния с повышенной плотностью электронного облака, заполняющего межъядерное пространство, вызывает всегдауменьшение энергии системы и приводит к возникновениюсил притяжения.

Энергия связи − электростатическая энергиявзаимодействия электронного облака повышенной плотности,формирующегося между атомами, с ядрами этих атомов.Рис. 2.2. Связь атома Si с четырьмя соседними атомами вкристаллической решеткеХарактерными особенностями ковалентной связи являются её насыщаемость и направленность. Насыщаемость состоит в том, что каждый атом способен образовать ковалентную связь лишь с определенным числом соседей (число связей определяется числом валентных электронов).

Направленность означает, что ковалентная связь образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая часть электронного облака (электронное облако втянуто в межъядерноепространство).312.4. Дефекты кристаллической структурыВ реальных кристаллических телах нет идеально правильного расположения атомов, молекул или ионов. В них всегданаблюдаются отклонения от строгой упорядоченности решетки − дефекты кристаллической структуры, которые по геометрическим признакам подразделяются на точечные, одномерные (линейные), двухмерные (поверхностные) и трехмерные (объемные).Точечные дефекты имеют малую протяженность (порядка нескольких атомных расстояний) в любом направлении.Сюда относят вакансии (отсутствие атомов в некоторых узлах решетки) и атомы в междоузлиях.

Вакансия вместе сатомом в междоузлии называется дефектом по Френкелю.Появление вакансии не обязательно связано со смещением атома в междоузлие. Вакансия может образоваться при испарении или частичном отрыве атома поверхности и затемпостепенно проникнуть в глубь тела. При этом ей уже не будет соответствовать атом внедрения (дефект по Шоттки).Для смещения атома и образования вакансии требуется затратить энергию порядка 1-2 эВ, для внедрения атома в междоузлия − порядка 1-5 эВ.Кроме дефектов по Френкелю и Шоттки к точечным дефектам относят примесные атомы замещения и внедрения. Взависимости от их природы и количества они могут находиться в кристалле или в растворенном состоянии, или в виде более или менее крупных включений. Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежуткимежду атомами кристалла или замещают часть этих атомов,размещаясь в узлах решетки.

Так как примесные атомы посвоей физической природе и размерам отличаются от атомовосновного кристалла, то их присутствие вызывает искажениерешетки.Точечные дефекты обладают рядом важных свойств.1. Дефекты могут играть роль центров рассеяния электронов.322. Дефекты могут сильно влиять на оптические свойствакристаллов (прозрачные бездефектные образцы могут приобретать синюю или пурпурную окраску).3. Благодаря энергии, запасенной в дефектах, они могутвлиять на термодинамические свойства кристаллов.4.

Дефекты могут влиять на механические и магнитныесвойства.Линейные дефекты. К линейным дефектам относятсядислокации − нарушения структуры, захватывающие большое число атомов и приводящие к сдвигу атомных плоскостей в решетке.краеваядислокация12аРис. 2.3. Краевая дислокациябРис.2.4.

Винтовая дислокацияДислокации могут быть различными по форме, но обычноих можно рассматривать как наложение двух предельных типов: краевой (линейной) и винтовой дислокаций. Краевая33дислокация связана с появлением лишней атомной плоскости,прерывающейся в толще кристалла. При винтовой дислокации атомные плоскости "закручены" в форме винтовой лестницы.Представим себе, что одна из атомных плоскостей (плоскость М на рис. 2.3, а) простирается не через весь кристалл, аобрывается внутри него. Край этой плоскости образует линейный дефект (нарушение решетки), который называюткраевой или линейной дислокацией, а саму плоскостьМ−экстра-плоскостью. На рис. 2.3, б показано расположение атомов в плоскости, перпендикулярной краевой дислокации. "Лишняя" атомная плоскость ОМ является экстраплоскостью, а точка О, где она обрывается, представляет собойцентр дислокации.

Атомный ряд 1, проходящий через точкуО, содержит на один атом больше, чем атомный ряд 2, расположенный ниже. Поэтому расстояние между атомами ряда 1 уцентра дислокации О меньше нормального, вследствие чегорешетка здесь сжата; расстояние же между атомами ряда 2 уточки О больше нормального, вследствие чего решетка здесьрастянута. По мере перемещения от центра дислокации вправо и влево, вверх и вниз искажение решетки постепенноуменьшается и на некотором расстоянии от О в кристаллевосстанавливается нормальное расположение атомов.

В направлении, перпендикулярном плоскости рисунка, дислокация проходит через весь кристалл, выходя на его поверхность.Выход дислокаций на поверхность кристалла можно установить методом травления. При травлении поверхности кристалла специальными травителями в первую очередь протравливаются участки, в которых решетка искажена наиболеесильно, так как атомы этих участков обладают избыточнойсвободной энергией и химически более активны.

Такими участками как раз являются места выхода дислокаций на поверхность, которые после травления выявляются в виде ямоктравления.За количественную характеристику числа дислокацийпринимают плотность дислокаций, равную числу дислокаци34онных линий, пересекающих единичную площадку поверхности кристалла.Плотность дислокаций на единицу поверхности кристаллов, выращенных в высокостабильных условиях, имеютпорядок102 − 106 см-2.