Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 12
Текст из файла (страница 12)
В обычных условиях это практически не отражается наэлектроводности, поскольку в такой же степени увеличивается и скорость рекомбинации пар. Чтобы сделать явной деятельность центров–ступенек, нужно создатьнеравновесную ситуацию. Например, при создании в какой–то области полупроводника электрического поля носители будут выносится этим полем и их концентрация резко уменьшится, и соответственно уменьшится скорость рекомбинации.А на генерацию пар поле практически не повлияет. Вынос носителей полем обусловливает появление тока в цепи.
Замер и сравнение токов в цепяхполупроводников без глубоких центров и даже с небольшой концентрациейпримесей с ∆ЭА≈∆Э/2 показывает, что токи разнятся на 3…4 порядка. Другойпример неравновесной ситуации. Осветим образец полупроводника светом,энергия квантов которого Эф=hν больше, чем энергия создания электронно–дырочной пары ∆Э. В образце возникнут избыточные (по отношению кравновесным, темновым) носители. Проводимость образца увеличится. Привыключении света, концентрации носителей возвратятся к равновесным(темновым) значениям, но это произойдет не сразу. Время возвращенияконцентраций к равновесному значению определяется временем жизни τизбыточных носителей, оно определяется, в свою очередь, скоростью рекомбинации.
Введение глубоких примесей с ∆ЭА=∆Э/2. может уменьшить τ на3…4 порядка. Так, введение Аu или Рt в кремний в концентрации 1013см–3(0,0000001%) ускоряет гибель неравновесных носителей с 10–3 до 10–6с.Введением глубоких примесей можно существенно увеличить быстродействиеполупроводниковых приборов.53Таким образом, полупроводники могут использоваться в собственном, примесном n и p – типов и высокоомном компенсированном состояниях. Это расширяетвозможности изготовления приборов СВЧ-техники, микро– и оптоэлектроники.Температурная зависимость концентрации носителей заряда. В широкомдиапазоне температур и для различного содержания примесей температурныезависимости в координатах Аррениуса (полупроводник n–типа) показаны нарис.2.5. В области низких температур при низкой концентрации доноров NД1зависимость концентрации электронов от температуры выражается:(2.4)n=A1exp(–∆ЭД/2kT)Уравнение (2.4) однотипно уравнению (2.3), отличается только постоянной А1и величиной показателя степени ∆ЭД1<∆Э (участок между точками 1 и 4).
Наклонпрямой на участке 1–4 характеризует энергию ионизации примесей ∆ЭД1, участок(4…6) – область истощения примесей, за точкой 6 – область собственнойпроводимости, где n = p, а крутизна определяется запрещенной зонойполупроводника. Для большинства примесных полупроводников температура Тiперехода к cобственной проводимости существенно больше комнатной и зависитот концентрации примеси и ширины зоны ∆Э. Например, для Ge n–типа сконцентрацией NД=1016 см–3 температура Тi=450 К. С увеличением концентрациипримеси участки кривых смещаются вверх (коэффициент А1∼ N Д ). Кроме того,с увеличением концентрации примесных атомов, уменьшается расстояние междуними, более сильно проявляется взаимодействие, расщепляются дискретныеэнергетические уровни и образуются примесные зоны. При этом уменьшаетсяэнергия ионизации ∆ЭД2 [кривая (2–5–7) на рис.2.5], повышается температураистощения примеси.
При достаточно большой концентрации доноров (NД3), ихэнергия ионизации обращается в ноль, примесная зона перекрывается зонойпроводимости, полупроводник становится вырожденным (полуметаллом) –ломаная линия (3–8–9) на рис.2.5. Область примесной электропроводностиширокозонных полупроводников простирается в зону повышенных температур.Это обусловливает сохранение работоспособности p–n-переходов на них, притемпературах 650 К (GaAs, ∆Э=1,4 эВ), 1000 К (GaР, ∆Э=2,3 эВ) и даже 1200 К(SiC, ∆Э≈3,0 эВ). Кроме температурного интервала работоспособностиполупроводникового прибора, ширина запрещенной зоны определяет иоптические свойства полупроводника.
Например, край полосы пропускания (крайполосы поглощения, красная граница фотопроводимости λкр). Он определяетпрозрачность полупроводника для света данной длины волны. По мереувеличения частоты колебаний растет энергия фотона: Эф=hν. До тех пор, покаhν < ∆Э, его энергия недостаточна для генерации пары носителей “электрон–дырка”, свет не поглощается полупроводником, он остается прозрачным. Когдаэнергия hν>∆Э, ее достаточно для генерации пар, свет поглощается, и его энергияпревращается в электрическую, возбуждая в материале микротоки. Край полосыпоглощения непосредственно связан с шириной запрещенной зоны уравнениями:hν = hc / λ кр =∆Э или λкр=1,24/∆Э,54(2.5)55где ∆Э в эВ, λ – в мкм. Длина волны, соответствующая краю поглощения, определяется по спектрам пропускания (рис.1.22). Для света (λ> λкр) материал прозрачен.
Для Si ∆Э=1,1 эВ и λкр=1,23/1,1=1,1 мкм и, следовательно, он прозрачентолько в ИК–области спектра. Для GaP λкр=0,6 мкм, он прозрачен для красного ижелтого цвета и выглядит оранжевым. У сульфида Zn (∆Э=3,5эВ) λкр=0,3 мкм, онпрозрачен во всем видимом спектре, он бесцветен. Метод определения ширинызапрещенной зоны по λкр с помощью формулы (2.5) называется оптическим.Ширина запрещенной зоны определяет и длину волны света, испускаемого p–nпереходом в результате излучательной рекомбинации. Если при взаимодействииэлектрона проводимости с дыркой, энергия выделяется в виде фотона (что бываетдалеко не всегда), то энергия кванта света близка к ширине запрещенной зоны.Это значит, что светодиод из GaP может излучать зеленый свет, а прирекомбинации через примесные уровни – красный и желтый, но никогда – синийи фиолетовый.
Классические полупроводники Ge и Si по фундаментальнымпричинам вообще непригодны для излучательных диодов и лазеров. Воптоэлектронике хорошо зарекомендовали себя широкозонные полупроводники с∆Э∼1,5 эВ и более, и в первую очередь соединения групп АIIIBYI(Ga As и др.),АIIBYI. Для приема ИК–области спектра (тепловидение, ночное видение,преобразование ИК изображений в видимые) требуются узкозонные (∆Э<0,3 эВ)материалы.
Интенсивно разрабатываются двухкомпонентные полупроводники итвердые растворы на их основе (трех– и четырехэлементные соединения), чтопозволяет охватить весь спектр величин ширины запрещенной зоны, создатьматериалы с требуемой величиной зоны ∆Э. Ширина запрещенной зоны наряду ссобственной концентрацией носителей ni являются фундаментальнымипараметрами полупроводника. Собственные полупроводники используются кактерморезисторы, счетчики различных излучений, фотоприемники, а также вкачестве высокоомных элементов приборов, основанных на p–i–n-переходах.Области применения примесных полупроводников настолько широки, что дажепростое их перечисление очень объемно.
Число химических элементов,используемых для легирования Si, измеряется десятками. Вид примеси, наряду судельным сопротивлением и типом проводимости, лежит в основе маркировкиполупроводников в ГОСТах и технических условиях. Тип проводимости легкоопределить методом термозонда (рис.2.6). При местном нагреве кристалла 1, спомощью горячего зонда 2, по его длине образуется градиент температур ∆Т/∆l.Так как энергия носителей и их концентрация возрастают при нагреве, то внаправлении градиента возникает поток зарядов, который при разомкнутойвнешней цепи приводит к возникновению термоЭДС.
Достаточно измерить знакзарядов в области горячего зонда: отрицательный заряд на горячем зонде –признак материала p–типа, положительный – n–типа. Для некоторых соединенийтипа АIIIBY и АIIBYI, состоящих из элементов с резко отличающимися физико–химическими свойствами, не найдено примесей для создания мелкихакцепторных уровней и они всегда имеют n–тип проводимости (униполярные).Это сульфиды и нитриды (СdS, ZnS, GaN, AlN) металлов, в которых стехиометрия56резко нарушена в сторону преобладания металла, вследствие повышеннойлетучести, испаряемости неметалла соединения.
Это ограничивает возможностиуказанных материалов, хотя в некоторых случаях они незаменимы.Для измерения удельного сопротивления ρ наибольшее применение получил4-х зондовый метод (рис.2.7). Четыре подпружиненных зонда монтируются вголовку изолированно друг от друга в линию, на расстоянии около 1 мм. Приопускании головки на образец, зонды обеспечивают невыпрямляющие контакты кполупроводнику и через крайние из них, 1 и 4, пропускается постоянныйток∼100 мА, а на средних – 2 и 3, измеряется разность потенциалов.
Измерение ρ назондах 2 и 3 производится с помощью вольтметра с очень высоким внутреннимсопротивлением, чтобы исключить нагрев от прохождения тока в местахконтакта. Расчет ведется по формуле: ρ=(U/J)F(L, l, δ), где L, l, δ – см. рис. 2.7.Функция F(L, l, δ) может быть рассчитана теоретически, но чаще устанавливаетсяпо образцу (калибровка прибора). Для учета возможного градиента температуробразца, измерение производится второй раз при развороте зонда на 180о иберется среднее значение. Однозондовый метод (рис.2.8) имеет то преимущество,что, перемещая зонд, после несложных преобразований, можно получитьраспределение ρ по измеряемому участку с разрешающей способностью 3…5диаметровзонда(30…50мкм).Методпозволяетисследовать–5микронеоднородности по длине (сечению).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
