[4] Полупроводниковые Материалы (987502), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Существует девять соединений типа А^IIIВ^V, которые можно получить, комбинируя In, Gа, Аl с Sb, Аs, Р. Из всех соединений типа А^IIIВ^V InSb обладает наименьшей шириной запрещенной зоны, которая составляет 0,165 эВ при 300 К. Изменение ширины зоны с температурой полностью аналогично такому изменению для Si и Gе, т. е. оно линейно в широкой области температур, а вблизи абсолютного нуля ширина зоны стремится к постоянной величине (0,23эВ). В этих соединениях элементы II группы Zn и Сd замещают атомы III группы. В InSb они создают акцепторы с энергией ионизации величиной 0,0075 эВ. Элементы VI группы S, Sе, Те замещают атомы V группы и образуют доноры. Сu, Аg и Аu дают в InSb двойные акцепторы, в то время как замещение другими атомами III или V групп, видимо, приводит к возникновению нейтральных примесей. В GаАs эти атомы дают акцепторы с энергией связи 0,034эВ, тогда как Gе дает донорный уровень с энергией связи 0,006 эВ. Сu и Аg ведут себя как акцепторы, однако склонны к образованию комплексов с другими несовершенствами кристаллической решетки.

Таблица 4.1

Таблица 4.2

Из соединений А^IIIВ^VI наиболее подробно изучены халько-гениды свинца РbS, РbSe и РbТе. В табл. 4.2 приведены ширины запрещенных зон ΔЕ в этих материалах при различных температурах. Следует отметить, что в отличие от Si и Gе и соединений типа А^IIIВ^V ширина запрещенной зоны ΔЕ в этих материалах уменьшается при понижении температуры. Сведения о примесных уровнях в этих полупроводниках немногочисленны главным образом из-за трудностей получения кристаллов стехиометрического состава. Избыточный атом Рb ведет себя как донор с очень неглубоким уровнем, в то время как атомы S, Sе, Те в РbS, РbSе, РbТе соответственно ведут себя как акцепторы с мелким уровнем.

Существование двух различных элементов в полупроводниковом соединении приводит к возникновению дефектов, связанных с отклонением от точного стехиометрического состава. Например, идеальный кристалл РbS должен содержать в точности одинаковое число атомов Рb и S. Однако хорошо известно, что соединение PbS может существовать в виде гомогенной кристаллической фазы с составом Pb_1+δS, где δ — дробное число, принимающее любые значения от пуля вплоть до 10^-3. Оказывается, что каждый лишний атом Pb в кристалле PbS действует как донорная примесь, энергетический уровень которой лежит вблизи дна зоны проводимости. Значению δ =10^-3 соответствует примерно 10¹⁹ до-норных атомов на 1 см3, т. е. очень большое число. Поэтому проблема очистки полупроводниковых соединений значительно осложняется по сравнению с очисткой одноатомных полупроводников, где из кристалла требуется лишь удалить чужеродные атомы, и не возникает проблемы точного соблюдения стехиометрического состава.

Полупроводниковые материалы, электрические характеристики которых определяются донорными или акцепторными примесями, называют примесными полупроводниками. Полупроводники, у которых концентрация доноров равна концентрации акцепторов, называют скомпенсированными.

4.3. Особые электронные состояния в конденсированных средах

Уровни Тамма. Кристаллы имеют конечную протяженность, и наличие поверхности нарушает строгую периодичность атомов. Это приводит к изменению зонной структуры вблизи поверхности кристалла и появлению добавочных локальных приповерхностных энергетических уровней в запрещенной зоне. В трехмерном кристалле уровни Тамма расщепляются в приповерхностную зону, причем волновые функции электронов, находящихся па приповерхностных уровнях, спадают по экспоненте от границы кристалла, так что электроны могут удалиться от границы не более, чем на величину постоянной решетки. Количество уровней Тамма соизмеримо с числом поверхностных атомов и составляет примерно 10¹⁹ на 1 м² поверхности. Это много меньше объемной плотности атомов, так что в целом зонная структура кристалла не изменяется.

Зонная диаграмма реальных кристаллов помимо таммовских уровней содержит в запрещенной зоне локальные донорные или акцепторные уровни, образованные поверхностными атомами посторонних веществ.

Ловушки. Зонные диаграммы реальных кристаллов содержат большое число локальных энергетических уровней в запрещенной зоне, связанных с дефектами решетки, которые способны захватывать электроны или дырки и выводить их из процесса электропроводности. Ловушки электронов вблизи зоны проводимости и дырок вблизи валентной зоны называются центрами (уровнями) захвата. При слабых тепловых возбуждениях они могут неоднократно обмениваться носителями заряда соответственно с зоной проводимости или валентной зоной.

Экситоны. Под экситоном понимают электрически нейтральное элементарное возбуждение в кристалле, обусловленное появлением пары связанных друг с другом электрона и дырки. Если энергия возбуждения электрона валентной зоны меньше ширины запрещенной зоны, то он не сможет перейти в зону проводимости, однако электрон способен удалиться из атома, оставаясь связанным силами притяжения с образовавшейся дыркой. Связанная пара электрон—дырка может перемещаться вдоль кристалла, но, будучи электрически нейтральной, не создаст ток. При образовании экситоиного состояния существенную роль играет величина связи между электроном и дыркой. Можно выделить две различные модели, соответствующие предельным случаям и достаточно хорошо изученные теоретически, — экситон Френкеля и экситон Ванье-Мотта.

Экситон Френкеля представляет собой сильно связанные электрон и дырку, расположенные в пределах одного узла решетки, так что для описания экситонного состояния можно Пользоваться волновыми функциями изолированных атомов или молекул.

Экситон Ванье—Мотта, чаще наблюдаемый в полупроводниках, характеризуется большим расстоянием электрон — дырка много больше постоянной решетки.

Поляроны. Движущиеся по кристаллу электроны и дырки своим полем смещают в противоположные стороны разноименные ионы и тем самым поляризуют кристалл, что, в свою очередь, изменяет условия движения электронов и дырок. Деформация решетки приводит к образованию потенциальной ямы, удерживающей электрон (дырку) в области локальной поляризации; следовательно, энергия такой системы квантована, а энергетические уровни находятся в запрещенной зоне ниже дна зоны проводимости. Движущийся заряд вместе с перемещающейся областью поляризации представляет собой квазичастицу-полярон. Особенностью полярона является большая эффективная масса (в сотни раз большая массы электрона), а следовательно, малая подвижность.

Плазмоны. Силы кулоновского взаимодействия между электронами уменьшаются с расстоянием сравнительно медленно, так что практически все электроны проводимости связаны между собой. Поэтому в электронном газе кристалла возможно появление коллективных (плазменных) колебаний, квант которых был назван плазмоном.

4.4. Основные параметры полупроводниковых материалов

К важнейшим параметрам, которые характеризуют основные электрофизические свойства полупроводниковых веществ, относятся:

—удельное электрическое сопротивление (проводимость) материала;

— температурный коэффициент удельного сопротивления (проводимости) вещества;

— ширина запрещенной зоны и энергии активации примесей;

— концентрация, время жизни носителей заряда;

— коэффициенты диффузии электронов и дырок, диффузионная длина;

— подвижность основных носителей заряда в полупроводнике.

В ряде случаев специального применения к этим параметрам добавляются и другие, например, коэффициент термо-электродвижущей силы (при использовании термоэлектрических эффектов в полупроводниках), коэффициент Холла и т. д.

а) Концентрация и время жизни, носителей заряда в полупроводниках

Как уже отмечалась, между процессами генерации и рекомбинации носителей заряда при любой температуре устанавливается динамическое равновесие, которому соответствуют равновесные концентрации носителей заряда, обозначаемые обычно через n₀, p₀. В случае собственного полупроводника концентрация электронов в зоне проводимости равна концентрации дырок в валентной зоне: n₀,=p₀=n_i В состоянии термодинамического равновесия в невырожденном полупроводнике произведение равновесных концентраций основных и неосновных носителей заряда при заданной температуре является величиной постоянной, равной квадрату концентрации электронов (или дырок) в собственном полупроводнике при этой же температуре:

n_n,*n_p=n_i² = const (4.6)

Э

то соотношение легко получить следующим образом, учитывая соотношения (4.2) — (4.5):

(

4.7)

А

налогично

Характеристики

Список файлов учебной работы