Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Большая концентрация вакансий может возникнуть в нестехис-метрических кристаллах химических соединений, т. е. в кристаллах, имеющих избыток или недостаток одного из компонентов. Хорошим примером вакансий являются так называемые центры окраски
в щелочно-галоидных кристаллах. Опыт показывает, что при нагревании кристаллов LiCl, NaCl, КС1 и т. д. в парах своего щелочного металла кристаллы приобретают густую окраску: желтую в случае NaCl, синюю в случае КС1 и др. Такую же окраску можно вызвать в щелочно-галоидных кристаллах, облучая их рентгеновскими лучами. Химический анализ показывает, что такие окрашенные кристаллы имеют избыток щелочного металла. Их окраска обусловлена возникновением в спектре поглощения света определенной полосы поглощения, которая различна для разных кристаллов. Эти полосы поглощения были названы Р. В. Полем /¦'-полосами, а вызывающие их центры поглощения — /•’-центрами (от немецкого Farb-zentren).
Объяснение природы F-центров было дано Н. Моттом и Р. Герни [2]. В кристаллах с избытком щелочного металла имеется недостаток галоида, что приводит к возникновению вакансий в решетке анионов. При этом положительный заряд катионов, окружающих данную вакансию, оказывается нескомпенсированным, и в. кристалле возникает положительно заряженный центр, способный присоединить к себе избыточный электрон (рис, 2.22), Таким
Рис. 2.21. а) Вакансия, б) Вакансия с междоузель-ным атомом.
80
ХИМИЧЕСКИЕ связи В ПОЛУПРОВОДНИКАХ [ГЛ. П
образом, образуется центр донорного типа. Под действием фотонов достаточно большой энергии этот электрон может быть отщеплен от /¦'-центра. При этом происходит поглощение света и возникает проводимость кристаллов (фотопроводимость). Энергия ионизации /¦'-центра приблизительно равна энергии фотонов, соответствующей середине полосы оптического поглощения.
Опыт показывает, что после длительного поглощения света в /•'-полосе в окрашенных кристаллах эта полоса ослабевает, но одновременно появляется новая полоса поглощения в более длинных волнах (/¦''-полоса). Последующее поглощение света в Z7'-полосе тоже вызывает фотопроводимость. При этом /•’'-полоса поглощения ослабляется, а первоначальная /¦'-полоса восстанавливается. Это ноказывает, что, наряду с /•'-центрами, в щелочно-галоидных
кристаллах могут возникать еще центры “ другого типа (^'-центры). Имеющиеся
. экспериментальные данные приводят к
вероятному заключению, что F'-центры __ представляют собой вакансию, захватившую два электрона, и что возникно-4-___вение /^-полосы поглощения и связан-
ной с ней фотопроводимости обуслов-
— лено ионизацией второго захваченного
электрона.
Аналогично этому, имеются указания на то, что вакансия в катионной решетке ионных кристаллов приводит к образованию отрицательно заряженного центра, с которым связана положительная дырка, т. е. к акцепторному центру. Центры такого типа получили название К-центров.
Хорошим примером дефектов по Френкелю могут служить так называемые радиационные дефекты в германии и кремнии. Они возникают при бомбардировке кристаллов быстрыми электронами с энергией порядка сотен килоэлектронвольт и выше, которые при соударении с атомами кристалла смещают их из узельного положения в междоузельное. Опыт показывает, что при этом на образование одного дефекта необходима в среднем энергия около 3,6 эВ в германии и около 4,2 эВ в кремнии.
Исследования эффекта Холла, оптических и фотоэлектрических свойств кристаллов кремния и германия с радиационными дефектами показывают, что эти дефекты создают сложную структуру энергетических уровней. Установлено также, что по крайней мере часть из этих уровней обусловлена не простыми дефектами Френкеля, а более сложными центрами, образованными из дефектов Френкеля и присоединенных к ним атомов кислорода. Однако на этих вопросах мы не будем останавливаться и отсылаем читателя к специальной литературе 151.
+ - + - +
- +
+ ~ К* *fj
+ - + - +
Рис. 2.22. Модель F-це
по Мотту и Герни.
ДИСЛОКАЦИИ
81
§ 11. Дислокации
Рассмотренные выше структурные дефекты — примесные атомы, вакансии и комбинации вакансий с междоузельными атомами — нарушают правильное расположение атомов в пределах небольшого объема, порядка нескольких элементарных ячеек, и поэтому могут быть названы точечными дефектами. Кроме того, в кристаллах могут быть еще линейные структурные дефекты в виде так называемых дислокаций. Они образуются при деформации сдвига в результате скольжения атомных плоскостей друг относительно друга.
Рис. 2.23. а) Образование линейной дислокации при сдвиге. Линейная дислокация AD перпендикулярна к вектору сдвига, б) Расположение атомов в плоскости, перпендикулярной к линейной дислокации, в простом кубическом кристалле.
Если бы скольжение происходило по всей атомной плоскости кристалла, то все атомы этой плоскости передвинулись бы на одинаковые расстояния в одну или несколько постоянных решетки в направлении сдвига и заняли бы новые положения, идентичные прежним. Однако в действительности скольжение происходит только на части атомной плоскости. Это показано схематически на рис. 2.23, а, где ABCD есть площадь сдвига. В результате вокруг линии AD, отделяющей зону сдвига, образуется характерное искажение решетки. Линия AD называется линейной (или краевой) дислокацией и обозначается значком J_. Линейная дислокация всегда перпендикулярна к направлению сдвига.
