Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
ПРИМЕСНЫЕ АТОМЫ
77
в отрицательный ион Си" и одновремейно образуется подвижная положительная дырка. Поэтому мы можем также сказать, что этот электронный переход есть отрыв связанной дырки от акцептора, на что необходима энергия ионизации 0,04 эВ. Для отрыва захваченного электрона от иона Си" и перевода его в подвижное состояние необходима наименьшая энергия 0,79—0,04 = 0,75 эВ, где 0,79 эВ есть ширина запрещенной зоны германия (при 0К). Аналогично, энергия Е2 — Ev — 0,33 эВ на этой диаграмме есть приращение энергии центра при присоединении к иону Си- второго электрона (из числа электронов связи) и превращении его в ион Си2'. При этом среди электронов связи (в валентной зоне) образуется вторая
Рис. 2.20. Энергетические уровни некоторых примесей в германии при температуре абсолютного нуля. Все уровни — акцепторные, за исключением наиниз-
шего уровня золота.
подвижная дырка, и мы можем сказать, что энергия 0,33 эВ есть энергия отрыва второй дырки, связанной с ионом Си-. Энергия отрыва электрона от иона Си2- есть 0,79 — 0,33 = 0,46 эВ. И, наконец, энергия присоединения третьего электрона, теперь уже к иону Си2- (или, что то же, энергия отрыва третьей дырки), равна Е3 — Ev -- 0,79 — 0,26 = 0,53 эВ. При этом образуется ион Си3-. Энергия отрыва захваченного третьего электрона есть Ес — Е3 = = 0,26 эВ. Таким образом, узельные атомы меди в германии являются тройными акцепторами и могут существовать в четырех зарядных состояниях: Си0, Си-, Си2- и Си3'.
Число различных локальных уровней энергии для узельных примесных атомов в германии в ряде случаев согласуется с ожидаемым на основании электронной структуры атома и тетраэдрического характера валентных связей в германии. Рассмотрим, например, элементы II группы Zn и Cd. Их атомы имеют по два валентных электрона: (4s)2 и, соответственно, (5s)2. Однако для образования завершенных тетраэдрических связей в германии необходимо четыре электрона. Недостаток двух электронов приводит к образованию
78
ХИМИЧЕСКИЕ связи В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
[гл. и
двух дырок, связанных с этими атомами, и поэтому они являются двойными акцепторами.
Элементы Mn (VII группа) и Fe, Со, Ni (VIII группа) все имеют на самой внешней оболочке по два электрона (4s)2. По-видимому, именно эта пара электронов и участвует в образовании валентных связей. Но тогда опять для завершения валентных связей не хватает двух электронов, и атомы этих элементов тоже являются двойными акцепторами.
Элементы I группы Си, Ag и Аи имеют по одному валентному электрону: (4s), (5s) и (6s). Поэтому при узельном положении этих атомов с ними связаны три дырки, и они являются тройными акцепторами. Однако у Аи обнаруживается еще и донорный уровень, связанный с возможностью отщепления валентного электрона.
Рассмотрим, наконец, еще пример Те (VI группа). Он имеет шесть валентных электронов (5s)2 (5р)4, в то время как для завершения валентных связей их необходимо только четыре. В соответствии с этим узельные атомы теллура создают в германии два донор-ных уровня,
§ 10. Вакансии и междоузельные атомы
Нарушения правильной периодичности кристалла вызывают не только атомы примесей, но и собственно структурные дефекты, т. е. различные неправильности в расположении атомов основного вещества кристалла. Такие структурные дефекты, как и атомы примесей, создают в отдельных узлах решетки нарушения правильного чередования химических связей, что может приводить к появлению в запрещенной зоне локальных уровней энергии.
Простейшим типом структурных дефектов являются вакансии (дефекты по Шоттки), которые представляют собой просто пустые узлы решетки. Они схематически показаны на примере решетки соединения типа АВ на рис. 2.21, а. Здесь большие кружки изображают атомы А, малые кружки — атомы В. Вакансии могут быть как в простой решетке А, так и в простой решетке В. Процесс их образования можно представить как переход сначала одного из приповерхностных атомов на саму поверхность кристалла'. В образовавшуюся таким образом приповерхностную вакансию тепловым движением может быть заброшен один из более глубоких атомов, отчего возникнет вакансия, более удаленная от поверхности, и т. д. С помощью такого процесса, который можно рассматривать как диффузию вакансий с поверхности в глубь кристалла, вакансии могут образоваться в любом месте кристалла.
Другой тип дефекта, тоже образованный смещением атомов решетки, получается, если смещенный атом остается в непосредственной близости от своего узла, так что дефект состоит из вакансии
S 10]
ВАКАНСИИ И МЕЖДОУЗЕЛЬНЫЕ АТОМЫ
79
и междоузельного атома (рис. 2.21, б). Представление о дефектах такого рода было введено Я- И. Френкелем.
Рассмотренные дефекты существуют во всех кристаллах, даже если они находятся в термодинамическом равновесии. В этом случае дефекты возникают вследствие флуктуаций теплового движения, при которых отдельные узлы решетки могут получить энергию, достаточную для образования дефекта. Концентрация вакансий и дефектов по Френкелю зависит от энергии их образования и температуры и очень быстро увеличивается при повышении температуры.
