А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника (1088520), страница 39
Текст из файла (страница 39)
На этом основании примеси замещения в соединении МХ стремятся занять узлы более близких к ним по химической природе атомов решетки: атомы металлов занимают узлы М, а атомы неметаллов — узлы Х. Геометри ~еский фактор может стать определяющим для атомов внедрения (примесных или собственных) в плотноупакованных решетках (гранецентрированной кубической и гексагональной), где объем междоузельных пустот относительно невелик. Электронная структура дефекта определяет его электрическое поведение в кристалле. Если в дополнение к необходимому для закрепления в решетке числу валентных электронов дефект (примесный или собственный) имеет один нли несколько избыточных электронов, локализованных около этого дефекта и слабо связанных с ним, то в результате тепловых колебаний решетки эти электроны могут быть оторваны от своего центра и обобществлены кристаллом в виде подвижных электронов проводимости.
Такие дефекты называются донорами, а созда- 4.д Точвнныв дефекты и фивичвскив свойства кристаллов 193 ваемая ими проводимость — электронной проводимостью или проводимостью п,-типа. Если для закрепления в решетке дефекту (примесному или собственному) недостает собственных валентных электронов, то недостающие электроны он забирает из валентных связей между основными атомами кристалла с образованием одной или нескольких положительно заряженных пустот в этих связях, называемых дырками. Такие дефекты называются акс(епторами, а создаваемая ими проводимость — дырочной проводимостью или проводимостью р-типа. Примесь, способную выполнять функции как донора, так и акцептора в зависимости от ее положения в решетке одного и того же кристалла, принято называть амфотерной примесью.
Энергия, необходимая для отрыва электрона от донорного атома Р (с возникновением подвижного электрона проводимости е н неподвижного положительного нона Р+) нлн для присоединения электрона к акцепторному атому А (с возникновением подвижной дырки е и отрицательного иона А ), называется энергией ионизачии донорного или акцепторного центра. Эти величины обозначаются соответственно как ЬЕр или сзЕА. Можно сформулировать следующие общие правила, позволяющие в большинстве случаев предсказывать электронные свойства дефектов. 1.
Атомы замещения (примесные и собственные в виде антиструктурных дефектов) действуют как донорьп если их валентность больше числа валентных электронов замещаемого атома, и как акиепторы — в противном случае. Например, в полупроводниковых кристаллах % и Ое (элементы 1Ч группы) атомы элементов Ч группы (Р, Аз, ВЬ) и 111 группы (В, А1, Оа) являются соответственно донорами и акцепторами. В то же время атомы В1 и Ое являются амфотерными ппимесями для полупроводникового соединения ОаАз (типа Ап|В~ ), выполняя функции донора при размещении в подрешетке галлия и акцептора при размещении в подрешетке мышьяка, В кристалле ОаАз антиструктурный дефект Оадв является двузарядным акцептором, а дефект Азс, — двузарядным донором.
2. Атомы внедрения (примесные и собственные), занимающие междоузельные положения, действуют как доноры, если их внешняя электронная оболочка заполнена меньше, чем наполовину (что характерно для металлов), и как акцепторы — в противном случае (что характерно для неметаллов). Междоузельных доноров существует сравнительно много (Е1 в Я1, Ое, ОаВЬ, ХпО; Сц в РЬВ и др.), тогда как междоузельных акцепторов довольно мало в природе. 7 А А Барывии 194 Гл.
4 Управление точечными дефекгпами а крисп аллах 3. Вакансии действуют как донорьг, если число неспаренных электронов вблизи вакансии меньше половины числа валентных электронов, имеюшихся в аналогичном месте совершенного кристалла, и как акг(епторы — в противном случае. Например, в кристалле СгаАз насьпценная связь между Сга и Аз создается с помошью восьми валентных электронов.
В результате вакансия галлия, окруженная пятью неспаренными электронами атомов мышьяка, для связывания с ними может принимать электроны, заряжаясь отрицательно и выполняя функции акцептора. Наоборот, вакансия мышьяка, окруженная тремя неспаренными электронами атомов галлия, является донором. Как уже ранее отмечалось, в большинстве случаев зависимость физических свойств реального кристалла от дефектов оказывается настолько сильной, что в конечном итоге эти свойства определяются не столько исходной структурой твердого тела, сколько концентрацией и типом дефектов. В частности, сюда относятся такие структурно-чувствительные свойства, как электропроводность, люминесценция и термоэлектронная эмиссия, кратко описываемые ниже. Электрические свойства полупроводников (в частности, электропроводность) определяются в основном поведением мелких примесей, энергия ионизации которых (ЬЕгз для доноров и сьЕА для акцепторов) много меньше «теплового кванта» ИВТ (равного 0,026 эВ ') при 300 К).
Это обеспечивает практически полную тепловую ионизацию мелких примесей. Для описания электронных состояний в кристалле используют энергетические зонные диаграммы, изображенные на рис. 4.1. Как известно, дефекты (примесные и собственные) создают локализованные электронные состояния — донорные и акцепторные, в отличие от нелокализованных состояний, соответствуюших подвижным электронам и описываемых функциями Блоха. На зонной диаграмме нелокализованным состояниям соответствуют зона проводимости для электронов и валентная зона для дырок, разделенные областью энергий, запрещенных для нелокализованных состояний, шириною й«Ек.
В запрещенной зоне располагаются только энергетические уровни, отвечающие локализованным состояниям. При этом одному и тому же дефекту может принадлежать несколько локальных уровней — по ') В физике твердого тела энергию частиц обычно измеряют в электроивольтах, при этом ! эВ =1,6 10 '»Дж, что в пересчете на один моль (путем умножения на постоянную Авогадро А(л) дает ! эВгмоль = 9,635 !О Джггмоль =- 23 ккалг'моль. 4. П Уоче ~ные дефекты и физические свойсмва крисгпаллов 195 числу электронов, которыми дефект в состоянии обмениваться с зоной проводимости или с валентной зоной.
Это так называемые многозарядные центрьг. например, примесь Ац в бе может находиться в одном из зарядовых состояний +1е, — 1е, — 2е, — Зе, каждому из которых в запрещенной зоне соответствует один уровень донорного типа (при заряде +1е) или акцепторного типа (при зарядах — 1е, -2е, — Зе). е е Е„. Ео Ег ГтŠ††††††††††††— †-Е, И Ег ДЕ„ Ел е е е е Е„. г=Е, г=-Е, е е е е Мелкая донорная примесь создает в запрещенной зоне локальный уровень с энергией Егт вблизи дна зоны проводимости Е, (рис.
4.1 а). Аналогично мелкая акцепторная примесь создает локальный уровень с энергией Ед вблизи потолка валентной зоны Е (рис. 4.1 б). Тепловая ионизация примесных центров изображена на рис. 4.1 а и б направленными вверх стрелками, которые соответствуют электронным переходам: а) для полупроводников п-типа — с уровня донора Ен в зону проводимости с образованием донорного иона Р+ и электрона проводимости е (рис.
4.1 а), Рис. 4.1. Энергетические зонные диаграммы полупроводников и;типа (а), р-типа (б), компенсированных полупроводников (в) и собственных полупроводников (г) 196 Рл. 4 Управление то«е»в»~ми дефекглами е крисглаллах б) для полупроводников р-типа — из валентной зоны на уровень акцептора Ек с образованием акцепторного иона А и подвижной дырки е+ (рис, 4,1 б). Процессы, связанные с тепловым перебросом электронов на вышележащие уровни (что изображено стрелками, идущими снизу вверх), в равновесном состоянии уравновешиваются обратными переходами, что отображается стрелками, направленными сверху вниз (которые не показаны на рис. 4.1а и б).
Такие переходы изображены на рис. 4.1в для так называемых компенсированных полупроводников, в которых донорные и акцепторные центры присутствуют примерно в одинаковых концентрациях. В этом случае электроны, стремясь к минимуму энергии, самопроизвольно переходят от донорных атомов к акцепторным (на энергетической диаграмме переходы сверху вниз. т. е. с допорного уровня на акцепторный), превращая их в ионы.
При полной компенсации отсутствуют подвижные носители заряда, порожденные ионизацией доноров и акцепторов. По характеру изменения концентрации электронов и дырок в зависимости от температуры компенсированные полупроводники близки к собственным (бездефектным) полупроводникам, зонная диаграмма которых приведена на рис.
4.1 г. Для собственных полупроводников единственным источником подвижных носителей заряда является межзонное возбуждение. Так называется процесс «вырывания» электрона из валентной связи между основными атомами кристалла. Ему соответствуют стрелки, идущие вверх из валентной зоны в зону проводимости на рис. 4.1 г, что характеризует парное возникновение электронов и дырок при межзонном возбуждении. Самопроизвольный процесс, обратный межзонному возбуждению, называют межзонной рекомбинацией, Понятно, что тепловое межзонное возбуждение имеет место во всех без исключения полупроводниках, т.е. на рис. 4.!а, б и в должны быть дополнительно изображены такие же стрелки, как и на рис. 4.1г. Глубина залегания энергетического уровня в запрещенной зоне отсчитывается от верхней (для доноров) или нижней (для акцепторов) ее границы и равняется энергии иопизации примесного центра: ЬЕгз = Е« — Еп и ЬЕл = Ед — Е .
При этом для мелких примесей ЬЕп и ЬЕк « ЬЕв, где ЬЕк — — Ь« — Е, — ширина запрещенной зоны, равная энергии, необходимой для вырывания электрона из валентной связи кристалла в результате процесса межзонного возбуждения. Для таких полупроводников, как германий, кремний и арсенид галлия, при Т= 300 К имеем: ЬЕз — — 0,67 эВ (С»е), 1,12 эВ (31) и 1,43 эВ (С»аАз). 4.Л Токекные оефекпы и фивикеские свойспва криспаллов 197 В то же время глубина залегания уровня для атомов фосфора Р и бора В (наиболее часто используемых при легировании кремния в качестве донора и акцептора) равняется ЬЕр = 0,044 эВ (Р в 51) и скЕл=0,046 эВ (В в 51).
В арсениде галлия энергия ионизации практически для всех мелких доноров при комнатной температуре очень мала и равняется ЬЕы - -0,006 эВ. Физика полупроводников дает следующие выражения для равновесной концентрации электронов и дырок в невырожденном полупроводнике: / Е, — Ег'т / Ег — Е 'ч й Т ) квТ Здесь Еи — уровень Ферми, Ас, и Аг, — эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне, определяемые как с„, ьвТ з79 Х = 2 и(", (4.2) где пь,(р) — эффективная масса электрона (дырки), й = 1,05 х х 10 з4 Дж с — постоянная Планка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
