Крутогин - Материалы и компоненты микроэлектроники (1074334), страница 4
Текст из файла (страница 4)
На связующей орбиталивозникнет дефицит отрицательного заряда, т.е. как бы положительный заряд,называемый дыркой. Вокруг одной дефицитной орбитали находитсямножествонормальныхнеискаженныхперемещаться с орбитали на орбитальорбиталейидыркаможетв объеме полупроводника какэффективный и положительный заряд. Т.о. дырка - тоже свободный носительзаряда, положительного и численно равного заряду электрона.Итак, врассмотренном случае, один квант энергии, полученный извне или какфлуктуация тепловой энергии кристалласвободных носителя заряда.создал (генерировал)Это событие называетсядвагенерацией, апоявившиеся носители - собственными, т.к. возникли они за счетсобственных атомов .27Наличие двух свободных носителей зарядасвидетельствует оповышенной энергии кристалла в целом, а такая ситуация энергетическиневыгодна, неравновесна.Рано или поздно свободный электрон можетоказаться рядом с дефицитной орбиталью ( дыркой ) и будет ею захвачен,т.е.
водворен на своѐ равновесное место. Избыточная энергия выделится ввиде кванта тепловой или оптической природы. Такое событие называетсярекомбинация носителей. Нарисунке 11 приведена схема этихвзаимодействий.Рисунок 11 – Процесс генерации-рекомбинации в собственномполупроводнике28ЭнергетическикартинаГенерации=Рекомбинациистрогосимметрична, но статистически совсем нет.
Представьте себе электрон идырку, хаотически блуждающие по решетке кристалла среди триллионовнейтральных атомов. Для рекомбинации электрон и дырка должнывстретиться в некотором малом объѐме кристалла, попасть в электрическоеполе друг друга. Вероятность этой встречи много меньше, чем для процессагенерации.Произведение концентраций свободных электронов и дыроквсегда имеет видnp = ni2 .( 10 )Полная проводимость полупроводника выражается суммой= e (nПриn+pp).достижениинекоторойповышеннойтемпературылюбойполупроводник становится собственным, т.к. избыточной тепловой энергиидостаточно для генерации большого числа пар собственных носителей.Примесная проводимостьПримесная проводимость в полупроводникевозникает за счетизбыточных ( или недостаточных) для образования связей электронов у техатомов примеси, которые заняли место собственных атомов в решетке.Для элементарныхполупроводников 1У группынаиболее важныелегирующие примеси находятся в соседних группах ПС, в 111 и У.
Взапрещенной зоне уровни этих примесей оказываются поблизости от границзоны. Энергетический зазор между примесными уровнями и ближайшейграницей зоны называется энергией активации примеси и характеризует туэнергию, получив которую примесный атом освободит свой избыточный(несвязанный) электрон.Мелкие примесные уровни с Еа0,01 – 0,1 эВ легко активизируютсяуже при комнатной температуре.
Например, примесь Sb в Ge приконцентрации 1016 см-3 имеет Еа = 0,0096 эв и полностью ионизирована (29т.е. освободила пятый валентный электрон!) уже при 32 К. Если валентностьпримеси на 2 и 3 отличается от валентности полупроводника, то уровнибудут глубокими, да еще их может быть несколько. Глубокие уровни не таклегко ионизируются, но способствуют захвату свободных носителей,ускорению рекомбинации.Рисунок 12 - Типы легированных полупроводниковЗная концентрации собственных носителей заряда в Geni(300 К)=2,5.1013 см-3 , .
в Si - ni(300К) = 1010 см-3 можно вычислить количество дырок вэлектронном Ge. Например, при концентрации примеси n - 1015 : ni2 | n =р=6,2.1011 см-3 .Получить собственный полупроводник можно глубочайшей очисткой,но это путь дорогой и сложный ( например, чистый Geудельногосопротивления,равнымтеоретическисо значениемрассчитанному,ужеполучен, а такой же кремний, несмотря на пятьдесят лет технологическихусилий – еще нет). Другой прием: сделать высокоомный полупроводник спомощью вэаимной компенсации* примесей разного типа. На рисунке 12представленасхемаиспользованиялегированныхполупроводников.легирующейУпрощеннаяпримесизоннаяидиаграмматипыдляЛегированного и компенсированного полупроводника приведена на рисунке13.30При этом точно перелегировать мелкие акцепторы мелкими донорамитоже довольно сложно.
А вот компенсировать мелкие уровни одного типаглубокими уровнями другого очень удобно. Если даже и ввели при этомизбыток глубоких уровней, то проводимость не возрастет, т.к. энергияактивации глубоких уровней достаточно велика и не создает примесныхносителей. При корректной компенсации сопротивление компенсированногоа – электронного; б – дырочного; в – компенсированногоРисунок 13 – Примесные уровни в запрещенной зоне полупроводниковполупроводника стремится к значению сопротивления собственногои такой материал называется полуизолирующим (пример: сопротивлениеполуизолирующего108 Ом.см).
Естественно, чтоGaAs достигаетсобственным его называть нельзя, ведь разных примесей в нем не так и мало.Итак, на практике имеем 4 возможных состояния полупроводника:высокоомноесобственное (т.е. почти беспримесное), электронноеn- ,дырочное p+ , высокоомное компенсированное (полуизолятор)Рисунокполупроводника14 показывает температурную зависимость проводимостивширокоминтервалелегирующей примеси (координаты lnтемператур- 1|Tиконцентраций-общепринятые для этойзависимости, называются координатами Аррениуса).31При высокой концентрации примеси, когда уровень донорной примесирасширяется в зонуверхний уровень этой зоны может сомкнуться с дномзоны проводимости ЕС . Такая ситуация называется вырождением.Рисунок 14 – Обобщенная зависимость удельной электропроводностиполупроводников от температуры и концентрации носителей.Примесная электропроводность характерна для области значений Т и n , заключенной между линиями собственнойконцентрации и вырожденияДля реализации вырождения нужно, чтобы примесь достаточнохорошо растворялась в полупроводнике (подчеркнем - с образованиемтвердого раствора замещения).Ширина запрещенной зоныg*g слабо зависит от температуры (убывает).аналитически,полупроводниканокоррелируетси прочностью связей.величинойg не рассчитываетсяпараметрарешеткиg определяет край оптическогопоглощения в полупроводниках.h = g( 11 )32крит1,24( еслиEgg в эв, ав мкм ), т.е.
при g = 1 эв т( это инфракрасное излучение ), при g = 2 эвкркр= 1,24 мкм= 0,62 мкм– это красныйсвет.Таким образом, по длине волны края поглощениякр можноопределитьg полупроводника. Это оптический метод оценки ширины запрещеннойзоны.На рис.15 приведен вид кривых поглощения света для важнейшихполупроводников. Касательная к круто падающей части кривой показываетна абсциссе ширину запрещенной зоны .Рисунок 15 – Положение края собственного поглощения материаловДругой метод оценки - термический, по температурной зависимостиудельной проводимости, тангенс угланаклона участка собственнойпроводимости, см.
рисунок 14.Некоторые полезные дополнения1. Понятие о прямозонных и непрямозонных полупроводниках33Рассматриваемая в координатах энергии и импульса носителейповерхность дна зоны проводимости (а также и потолка валентной зоны!)совсем не выглядит ровной плоскостью. На ней наблюдаются холмы идолины, а в некоторых направлениях и глубокие ямы!Ширинойзапрещенной зоны Eg считают всегда минимальное расстояние между самойглубокой долиной дна зоны проводимости и самым высоким холмом потолкавалентной зоны.
Но довольно часто случается, что вершина такого холма идно долины имеют разные координаты. Такие полупроводники называютнепрямозонными. Ну, а если дно долины лежит против вершины холма –прямозонными!Прямозонная структура особенно благоприятна дляконструированиясветоизлучающихполупроводниковыхприборов:светодиодов и лазеров. В прямозонных материалах процесс рекомбинациипорождаетпреимущественно оптические кванты. Самые освоенныеполупроводники, кремний и германий, к сожалению - непрямозонные.2. Униполярные полупроводники – в некоторых полупроводниковыхсоединенияхне удается получитьзаданный тип проводимости, ониполучаются всегда в каком-то одном: либо n- , либо p-.
Примеры: CdS , ZnS, GaN, AlN . Еслине реализованы два типа проводимости, то сделатьприборы на основе р-n перехода в таких материалах не удается, чтоограничиваетих возможные применения. Как правило, существованиеуниполярных полупроводников - это вопрос недостаточного совершенстваприменяемых технологий их получения.Примеси и концентрация носителей зарядаТа примесь (донор или акцептор), которая добавляет свободныеносители заряда, называется электрически активной. Чтобы стать активной,примесь должна получитьдополнительную энергию ЕактЭлектрическиактивной может быть примесь, занявшая положение полупро-водниковогоатома в узле решетки, т.е. образующая с полупроводникомтвердыйраствор замещения.34Ковалентныйрадиус атомапримесипочти всегда отличается отсобственного Rп/п , и следовательно, примесный атом – по крайней мерегеометрический (размерный) точечный дефект* в полупроводнике.
Вокрестностях атома примеси имеет место локальная деформация решетки.Заняв место в решетке полупроводника атом примеси образует с соседямиковалентные связи и имеет ковалентный радиус (не собственный атомный, неметаллический ). Приведемвыраженные в ангстремах (Å) ковалентныерадиусы элементарных полупроводников и легирующих примесей: Ge , Si =1,17 , Sb – 1,36 ; Sn – 1,4 ; C – 0,77 ; O – 0,66 ; B – 0,88 ; P – 1,10 , поэтому B,P, As – 1,18 Å - основные легирующие атомы с небольшим различием вразмерах( обозначение соответствующих марок кремния- КДБ ( кремнийдырочный тип проводимости, легирован бором), КЭФ ,германия- ГЭС(электронный, сурьма).
При больших концентрациях примеси еѐ ионизацияне полная, т.е. концентрация свободных носителей заряда обычно меньшеNпримеси ( см. рисунок 16 ).Важно понимать, что ионизированная примесь в полупроводникепредставляет не только механический (геометрический), но и электрическийдефект. Например, примесный атом фосфора, отдавший электрон Рили бора, захвативший электрон В + еР+ + е-В- превращается в неподвижныйактивный заряд в нейтральной решетке. Электрическое поле ионизированнойпримеси влияет на движение свободных носителей заряда на гораздобольшем расстоянии и сильнее, чем поле механических напряжений.351 – германий, легированный сурьмой; 2 - германий, легированныймышьяком; 3 – кремний, легированный мышьякомРисунок 16 – Зависимость концентрации носителей от концентрациипримесейПодвижность носителей зарядаНосители заряда под действием приложенного электрического поля Едолжны бы двигаться в решетке полупроводника с ускорением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
