[4] Полупроводниковые Материалы (987502), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Рис. 4.15

Из общих принципов квантовой механики можно пока­зать, что переходы могут вызываться поглощением не одного фотона, а двух и более, лишь бы суммарная энергия была достаточна для осуществления перехода. Вероятность про­цесса с участием нескольких фотонов резко уменьшается по мере увеличения числа последних. Поэтому практический ин­терес представляет лишь двухфотонное поглощение, которое можно наблюдать под действием лазерного излучения.

Экситонное поглощение наблюдается в процессах, когда электрон, поглотив квант света, не переходит в зону прово­димости, а образует с дыркой связанную систему, в которой электрон и дырка двигаются в одном и том же направлении. Импульс экситона связан с движением его центра масс. Его энергия строго дискретна:

E_ex=ħ²/(2M)*K_ex² - W_exⁿ

где W_exⁿ — энергия связи экситона в n-м возбужденном со­стоянии, а М=m_n+m_p. По сути дела экситон представляет собой возбужденное состояние атома в кристалле, передаю­щееся от атома к атому посредством квантомеханичеокого резонанса. В полупроводнике с прямыми переходами экситону соответствует пик поглощения 3 на краю фундаменталь­ного края полосы поглощения (рис. 4.13). В кремнии обнаружено четыре экснтонных подъема, связанных с поглоще­нием как оптических, так и акустических фононов.

При поглощении света полупроводниками возможно и та­кое возбуждение электронов и дырок, при котором кулоново взаимодействие между ними приводит к образованию ионоподобных или молекулоподобных комплексов. Например, два связанных электрона и одна связанная дырка могут об­разовать экситонный ион.

П
оглощение свободных носителей заряда вызывает пере­ходы носителей между состояниями в одной незаполненной зоне. Эти процессы осуществляются либо с генерацией, либо с поглощением фонона в том случае, когда происходит рас­сеяние на ионизированных примесях или дефектах. В послед­нем случае их можно рассматривать по механизму непрямых переходов. Коэффициент поглощения свободных носителей (пик 4, рис. 4.13) зависит от концентрации последних, их эффективной массы m*, среднего времени жизни τ и по­казателя преломления среды n:

Примесное поглощение (пик 5, рис. 4.13) происходит за счет ионизации или возбуждения светом примесных центров в кристалле. Отметим, что примесные центры могут харак­теризоваться наличием нескольких уровней возбуждения, что в свою очередь, приведет к появлению тонкой структуры в спектре примесного поглощения.

Решеточное поглощение наблюдается при возбуждении светом колебаний кристаллической решетки (пик 6, рис. 4.13). Интенсивность и положение полос слабо зависят от концент­рации дефектов примесей в полупроводнике. За счет энергии поглощенного фонона возникают дополнительные фононы.

е) Люминесценция полупроводников

Люминесценция является процессом, обратным поглоще­нию, т. е. случаем, когда полупроводник, находящийся в воз­бужденном состоянии, испускает электромагнитное излуче­ние.

Согласно принципу Франка—Кондона, спектр люминесцен­ции, как правило, смещен в сторону длинных волн по срав­нению с длиной волны возбуждения света.

Длительность спонтанного свечения определяется време­нем жизни носителей в возбужденном состоянии. В случае мономолекулярной релаксации возбужденных состояний I_Л ~ I₀e^-t/τ. При большом уровне возбуждения интенсивность люминесценции описывается выражением

I=I⁰/(1+βt)²

где β — константа, зависящая от степени предварительного возбуждения. В случае такой зависимости считают, что лю­минесценция идет по бимолекулярному механизму. По анало­гии с процессом поглощения рассмотрим рекомбинационное излучение полупроводников при фундаментальных перехо­дах, которое возникает при непосредственной рекомби­нации свободных носителей, при аннигиляции экситонов, а также при излучательной рекомбинации носителей через рекомбинационные ловушки, которые выступают в качестве центров свечения.

Прямые переходы наиболее вероятны. С ростом темпера­туры в незаполненных зонах заполняются все более высоко­лежащие состояния и в спектре люминесценции появляется коротковолновый «хвост».

В примесных полупроводниках люминесценция идет пре­имущественно через локализованные центры рекомбинации. Отметим, кто при рекомбинации донор — акцептор последние необходимо рассматривать как неподвижную молекулу, по­мещенную в кристалл:

hυ=ΔE-E_A-E_D+e²/ε²

т. е. кулоново взаимодействие между донором и акцептором, находящихся в среде с диэлектрической проницаемостью ε, вызывает уменьшение их энергии связи на величину

ΔE_кул= e²/ε²

В зависимости от узлов кристаллической решетки, которые занимают доноры и акцепторы, существуют различные виды активных центров. Для получения стимулированного излуче­ния в полупроводниках система должна находиться в состоя­нии с инверсной заселенностью. При этом

F_n-F_p> hυ

F_n-F_p> ΔE

где F_n и F_p, — положения квазиуровня Ферми для электронов и дырок соответственно. В таком случае система прозрачна на длине волны излучения. Состояние с инверсной заселен­ностью в полупроводниках может быть создано инжекцией неосновных носителей через p-n переход за счет возбуж­дения материала электромагнитным излучением, облучением электронами высоких энергий, ударной ионизацией в силь­ном электрическом поле.

ж) Поверхностные явления в полупроводниковых материалах

Физическое состояние поверхности и ее влияние на элект­рофизические характеристики полупроводников особенно важны в микроэлектронике, где подавляющее большинство элементов — пленочное, т. е. состояния поверхности подчас превалируют над объемными. Сама поверхность кристал­ла—это нарушение периодичности, т. е. непрерывный ряд дефектов. Эти дефекты возникают, во-первых, из-за отрыва на поверхности химических связей (уровни Тамма) и, во-вторых, вследствие адсорбции различных примесей (кислоро­да, воды и т. д.) на поверхности полупроводника. Очевидно, реальная сложная структура поверхности характеризуется набором поверхностных состояний, т. е. дополнительными энергетическими уровнями в запрещенной зоне донорного и акцепторного типа или ловушек.

Суммируя вышесказанное, выделим основные четыре при­чины, из-за которых наличие границы раздела приводит к видоизменению физических явлений в конденсированных сре­дах и к возможности их практического использования в ра­диотехнических системах:

1) в приповерхностном слое определенной толщины могут быть локализованы поверхностные электронные состояния и квазичастицы, свойства которых существенно отличаются от объемных;

2) сами объемные характеристики вещества изменяются по мере того, как размер кристалла в одном из направлений становится сравнимым с одной из характеристических длин: длиной свободного пробега, длиной экранирования, длиной волны электрона и т.д.;

3) на границе двух фаз имеет место их специфическое взаимодействие и влияние одной фазы на другую, например туннелирование электронов из полупроводника в оксид: гибридизация — взаимодействие и обмен электронами между металлом и полупроводником и т. д.;

4) приповерхностные области полупроводника являются, как правило, областями сильных электрических полей, вели­чинами которых можно управлять при создании ряда мик­роэлектронных и оптоэлектронных систем.

При комнатной температуре большинство примесей адсор­бируется на поверхности в виде ионов. Для компенсации их зарядов в поверхностном слое полупроводника образуется объемный заряд. Рассмотрим случай, когда на поверхности полупроводника n-типа имеется небольшое количество отри­цательно заряженных поверхностных состояний (рис. 4.16).

Р
ис. 4.16

В этом случае электростатическое поле поверхностных заря­дов проникает в полупроводник, создавая там обедненный слой, толщина которого определяется удельным сопротивле­нием материала. При большой плотности отрицательных по­верхностных зарядов у поверхности образуется инверсионный слой — с противоположным типом проводимости. Глубину залегания такого слоя опреде­ляют в точке пересечения уровня Ферми с серединой запрещенной зоны. Под инверсионным слоем находится обедненный слой, как и в выше разобранном случае. В случае на­личия на поверхности полу­проводника n-типа положительных поверхностных зарядов образуется обогащенный слой, глубина которого определяется проникновением электрического поля положительных зарядов в объем полупроводника. На практике мы обычно встречаемся c ситуацией, когда поверхность по­крыта оксидным слоем. В этом случае поверхностные состоя­ния могут существовать также в объеме оксида или на его поверхности. При этом разли­чают быстрые поверхностные состояния, располагающиеся на поверхности полупроводника и релаксирующие в тече­ние 10^-4—10^-8 с в случае перезарядки их электрическим полем, и медленные, расположенные в глубине оксида, переза­рядка которых занимает значительно большее время.

Быстрые поверхностные состояния могут выступать в ка­честве рекомбинационных ловушек, значительно изменяя вре­мя жизни носителей заряда всей системы τ_эфф:

1/ τ_эфф=1/ τ_υ + 1/ τ_s

где τ_υ , — время жизни в объеме полупроводника; τ_s — время жизни на поверхности полупроводника.

Плотность поверхностных состояний зависит как от обра­ботки поверхности, так и от свойств внешней среды, с кото­рой она соприкасается.

Кроме того, плотность поверхностных состояний может изменяться со временем из-за испарения или конденсации влаги на поверхности кристалла, из-за возможных миграций примесей по поверхности и к поверхности и т. д. Эти про­цессы приводят к изменению τ_эфф и могут являться причиной нестабильности параметров и характеристик полупроводни­ковых приборов и схем. К этим же результатам может при­водить и облучение, поглощающееся вблизи поверхности.

При проектировании радиоаппаратуры необходимо:

1. Выбрать метод обработки поверхности кристалла, при котором скорость поверхностной рекомбинации была бы ми­нимальна.

2. Разработать технологию длительного сохранения дос­тигнутых значений скорости поверхностной рекомбинации (покрытие, корпус, герметизация).

Э
то тем более важно, что поверхностные состояния могут существенно изменять электрофизические свойства системы. Так, инверсионный слой может осуществлять электрическую связь между различными областями в микроэлектронных схе­мах, т. е. реализовать канал поверхностной проводимости. Сопротивление такого канала можно определить по формуле

где а—глубина канала; b и l--ширина и длина слоя, при­чем концентрация n и подвижность μ_n меняются по глубине. В этой связи часто пользуются параметром удельного сопро­тивления слоя ρ_s, — сопротивление квадрата этого слоя току, проходящему между двумя противоположными сторонами квадрата:

R= ρ_s*l/b

г
де

4.5. Контакт электронного и дырочного полупроводников. Свойства электронно-дырочного перехода

Электронно-дырочным переходом, или p-n переходом, называют переходный слой между областями полупроводни­ка с различным типом электропроводности. При идеальном контакте полупроводников с различным типом электропро­водности происходит процесс диффузии электронов из n-об­ласти в р-область и дырок из р-области в n-область. Причи­ной этого является наличие градиента концентрации носите­лей заряда: концентрация электронов в полупроводнике n-ти­па во много раз превышает концентрацию электронов в ды­рочном полупроводнике, где они являются неосновными. То же самое можно сказать и для дырок. В результате этого в контактном слое между полупроводниками с различным ти­пом электропроводности возникает область с низкой кон­центрацией свободных носителей заряда. Объемные заряды ионизированных доноров и акцепторов образуют двойной электрический (запирающий) слой (рис. 4.17). Электрическое поле, образованное нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей и направленное от n-области к р-области, называется диффузионным электрическим полем. Возникшее диффузионное электрическое поле препят­ствует дальнейшей диффузии основных носителей через кон­такт— устанавливается равновесие, при котором ток через переход равен нулю, а падение напряжения на границах р и n-областей, называемое потенциальным барьером, прини­мает определенное значение. Разность потенциалов, соответ­ствующая данному состоянию, называется контактной и, как показывает теория, определяется следующим соотношением:

φ
_k=kT/E*ln(np/n_i²)

Характеристики

Список файлов учебной работы