Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Понаклону прямой на участке собственной электропроводности можно такжеопределить ширину запрещенной зоны.У реальных полупроводников температурное изменение проводимости можетотклоняться от рассмотренных. Это связано с тем, что в материалах имеется неодин, а несколько примесных дефектов, у которых энергия активации различна.Другие аномалии могут быть вызваны различием подвижностей электронов и дырок, особенно это характерно для полупроводниковых соединений.
Например, дляантимонида Zn(ZnSb) µn/µp≈100. Таким образом, проводимость ZnSb p–типа принекоторых уровнях легирования может быть существенно ниже собственного полупроводника.В справочных данных о полупроводниковых материалах указывается обычноравновесная концентрация носителей (no,рo) при комнатной температуре. В условиях динамического равновесия, количество вновь образовавшихся пар“электрон–дырка” равно числу рекомбинировавших в каждый отрезок времени иконцентрация носителей при отсутствии внешних возбуждающих факторовпостоянна.
Закон “действующих масс” применим только для этих концентраций.Воздействие изменений температуры, облучений, электромагнитных полей,нарушает равновесие, может привести к появлению неравновесных носителей ∆n,∆p: ∆n = n–no, ∆p = p−po. После прекращения воздействия, материал возвращаетсяв равновесное состояние за какое–то время.
Процесс генерации носителей (парносителей) характеризуется скоростью генерации q (число вновь образующихсяносителей в единицу времени), а рекомбинация – скоростью рекомбинации r:(2.11)rn = – dn/dt = – d(∆n)/dt.Прямая рекомбинация происходит при переходе электрона из зоныпроводимости в валентную зону на один из свободных уровней (в “дырку”). Этосоответствует исчезновению пары носителей.
Такой процесс маловероятен:электрон и дырка должны одновременно находиться в одном и том же местекристалла.62Рис.2.12. Кривые Ирвина (Т=300К)Рис.2.13. Схема оптических переходовпри различных механизмах оптическогопоглощения:1 − собственное поглощение; 2 − экситонноепоглощение; 3,4 − примесное поглощение63Кроме того, должен выполняться закон сохранения импульса: электрон и дыркадолжны иметь одинаковые, но противоположно направленные импульсы.
Долженвыполняться и закон сохранения энергии, и некоторые другие условия. Врезультате, в Ge на 10 тысяч рекомбинаций лишь одна происходит как прямая.Помочь встретиться с дыркой электрону может атом примеси (примесной центр) сэнергией активации ∆ЭА≈∆Э/2 (глубокая примесь). Если в окрестности этогоцентра появится электрон, он будет захвачен на примесной центр. Если бы этобыл центр мелкий (∆ЭА≈kТ), то тепловое движение немедленно выбросилo бызахваченный электрон. При более глубоком центре электрон задержится дольше,но, не дождавшись дырки, оторвется (центры прилипания). Глубокий центрназывается центром рекомбинации, он будет удерживать электрон до появлениядырки.
Как только она появится, происходит рекомбинация и эффективный центррекомбинации снова готов к работе. Пример повышения быстродействия привведении глубокой примеси уже приводился. Но если нужно задержатьрекомбинацию, очистка от примесей не всегда дает результат. Дело в том, чтоэффективными центрами рекомбинации могут быть структурные нарушениярешетки.
Технологам известно, например, что если нагреть полупроводник, азатем быстро охладить (закалить), то время жизни может уменьшиться на 1…2порядка. Дело в том, что термодефекты обладают всеми свойствами глубокихцентров и могут быть термоакцепторами (захватывают электроны у соседнихатомов) и термодонорами. Отжиг закаленных образцов восстанавливает прежниесвойства.Многие другие дефекты, в том числе и вакансии, могут быть такими центрами.Они создают в запрещенной зоне донорные и акцепторные уровни, подобныеэнергетическим уровням примесей на рис.2.4. Особенно много таких уровней наповерхности полупроводникового кристалла, который представляет собойвопиющее нарушение в идеальной кристаллической решетке. Дальний порядок вобъеме материала внезапно обрывается на поверхности, условия связи валентныхэлектронов поверхностных атомов иные, чем в объеме.
Совокупность, спектрповерхностных уровней (поверхностных состояний) реальной поверхности можноизменять, меняя условия окисления и способ обработки поверхности,предотвращая адсорбцию или, напротив, насыщая поверхность атомамиопределенного вещества. Плотность поверхностных состояний на реальныхповерхностях лежит в пределах ∼от 109 до 1015 см–2 (верхний предел примерноравен количеству атомов на поверхности).Время жизни неравновесных носителей это отношение избыточной концентрации ∆n(∆p) к скорости rn(rp):τn = ∆n/rn.(2.12)В примесных полупроводниках скорость рекомбинации пропорциональнаизбыточной концентрации, а время жизни оказывается постоянным (линейнаярекомбинация).
Из (2.11) и (2.12) следует:rn = – d(∆n)/dt = ∆n/τn.(2.13)64Интегрируя и преобразуя (2.13), находим:(2.14)∆n = ∆noexp(–t/τn),где ∆no – начальная избыточная концентрация носителей в момент t = 0.Из (2.14) видно, что время жизни – это характеристическое время, поистечении которого избыточная концентрация при линейной рекомбинацииуменьшается в e раз. Поскольку зависимость (2.14) экспоненциальная, за среднеевремя существования избыточной концентрации и принимается величина τ.Время жизни неравновесных носителей максимально в собственноммонокристаллическом полупроводнике с совершенной структурой.
Сповышением температуры затрудняется захват носителей на уровни ловушек ивремя жизни растет. В реальных полупроводниках время жизни может составлять10–10…10–2 с.Обычно генерация неравновесных носителей происходит не во всем объеме, атолько в какой–то части полупроводника, при этом образуется локальная областьс повышенной концентрацией носителей, что вызывает появление диффузионноготока JD через единицу площади в единицу времени: JD = – D(dn/dx), где dn/dx –скорость изменения концентрации по координате х.
Коэффициентпропорциональности D – коэффициент диффузии, с размерностью м2/с. Приотсутствии внешних воздействий, коэффициент диффузии прямопропорционаленсредней длине свободного пробега носителя l [м], и средней скорости тепловогодвижения vт (м/с). Статистическая физика дает зависимость:D =lvт/3 =vт2τ0/3.(2.15)1/2Подставив в (2.15) величинуvт = (3kT/m) , получим:кТµ.(2.16)D = (kTτ0)/m =еСоотношение (2.16) – соотношение Эйнштейна, оно устанавливает связьмежду коэффициентом D и подвижностью частиц (носителей). Зная один изпараметров, можно всегда определить другой по (2.16), поскольку величина (kТ)/eизвестна. Например, при комнатной температуре (Т=300 K) (kТ)/e = 0,026 В. Впроцессе диффузии, неравновесные носители заряда рекомбинируют, поэтомуизбыточная концентрация носителей убывает при удалении от источникавозбуждения.
Диффузионная длина L – это расстояние, на котором приодномерной диффузии избыточная концентрация носителей убывает в e раз.Решая уравнение диффузии, можно получить выражение, связывающеедиффузионную длину L с временем жизни τ:Ln2 = Dτn ; Lp2 = Dτp.(2.17)Для Ge τ=10…500 мкс, L = 0,2…3 мм. Для Si эти величины меньше.
При 300К коэффициент D в GaAs равняется 0,025 м2/c. При размерах полупроводниковогоприбора 10–6…10–7 м, время прохождения электроном этого расстояния за счетдиффузии составит t ≈ L2/Dn = 4⋅10–11 c.Избыточная энергия, которая освобождается при рекомбинации, либо излучается в виде фотона, либо передается кристаллической решетке в виде теплоты: из65лучательная рекомбинация, фононная. Межзонная излучательная рекомбинацияхарактерна для узкозонных полупроводников. Для широкозонных характерна рекомбинация через примесные уровни, которые могут воспринимать разность импульсов или энергий рекомбинирующих частиц и аннигиляция может быть тожеизлучательной.
Последнему способствует структурное совершенство кристалла,повышение концентрации носителей. Наиболее интересными материалами в этомотношении являются соединения типа АIII ВV (в первую очередь GaAs) и твердыерастворы сложного состава на их основе, в которых доля излучательныхпереходов при оптимальных условиях возбуждения может достигать 80% и болееот общего числа актов рекомбинации. Это основные материалы для изготовленияполупроводниковых источников излучения (светодиодов, лазеров).Процессы генерации и рекомбинации носителей, скорости протекания этихпроцессов, изменение концентраций носителей в результате внешнихвоздействий, лежат в основе работы полупроводниковых приборов.
Изменениеэлектрической проводимости (удельного сопротивления) материала подвоздействием ЭМ излучения называется фотопроводимостью (фоторезистивныйэффект). Полупроводниковые фотоприемники были изобретены на полвекараньше, чем полупроводниковые излучатели (проще использовать естественные,природные излучатели, например, солнце). При фотопроводимости первичнымявляется процесс поглощения фотонов света. Различают несколько механизмовоптического поглощения в полупроводниках. Область оптического излучения:1мм>λ>1нм (диапазон 10–3…10–9м). Эта область очень велика и содержит многонеиспользуемых пустот.
Заселена источниками и приемниками излучения частьэтой области 20 мкм>λ>0,2 мкм – область оптоэлектроники. Видимая частьспектра – 0,76 мкм>λ>0,38 мкм составляет лишь часть этой области,инфракрасное и ультрафиолетовое излучения хотя мы и не видим, но ощущаем ввиде тепла или загара кожи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
