Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 2.24. Граница зерен под малым углом (схематически): а) расположение атомных плоскостей в обоих зернах; б) соединение зерен с помощью ряда параллельных дислокаций.
84
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ-В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
1ГЛ. II
типа *). Оно соответствует элементарной ячейке алмаза, изображенной на рис. 2.9, но здесь показано большее-число атомов. Как и раньше, линиями показаны направленные валентные связи, которые соединяют каждый атом с четырьмя его ближайшими соседями. На рис. 2.25, б показана та же группа атомов при наличии
Рис. 2.25. а) Расположение атомов в структуре алмаза. 6) Один из возможных типов линейной дислокации в структуре алмаза (по В. Шокли). Дислокация возникла вследствие частичного сдвига плоскости 1 относительно плоскости 2. Показаны также три атома на крае неполной атомной плоскости и их неспареиные, или «болтающиеся», связи.
линейной дислокации, возникающей в результате частичного сдвига атомной плоскости 1 относительно плоскости 2. На рисунке отмечены также основные кристаллографические направления. Сдвиг произошел в плоскости (111) в направлении \110). Дислокация
*) W. Т. Read, Phil. Mag. 45, 775 (1954).
ДИСЛОКАЦИИ
85
направлена вдоль оси \011]. Над плоскостью сдвига имеется ряд атомов (на рисунке показаны три из них), лежащих на крае неполной атомной плоскости, которые не имеют соответствующих соседей снизу. Поэтому каждый из этих атомов имеет по одному неспаренному электрону, которые образуют ненасыщенные, или (следуя терминологии Шокли) «болтающиеся», связи.
Отметим, что указанная конфигурация ненасыщенных связей не является единственно возможной. Так, например, при частичном сдвиге плоскостей 2 и 3 относительно друг друга структура связей оказалась бы другой.
Неспаренные электроны на крае неполной атомной плоскости и приводят к появлению дополнительных состояний. При этом, в принципе, следует учитывать две возможности. Во-первых, на ненасыщенную связь может быть захвачен второй электрон, отчего возникнет парно-электронная связь. Если энергия этого электрона окажется меньше, чем в зоне проводимости, но больше, чем в валентной зоне, то в запрещенной зоне будет разрешенное состояние для электронов. Дислокация окажется способной присоединять к себе дополнительный электрон и будет проявлять себя подобно акцепторам. Во-вторых, ненасыщенная связь может быть разорвана, и тогда неспаренный электрон превратится в электрон проводимости. Если энергия неспаренного электрона имеет промежуточное значение между энергиями электронов в зоне проводимости и в валентной зоне, то дислокация будет подобна донорам с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны.
Таким образом, линейные дислокации по электрическим свойствам имеют сходство с примесными центрами. Однако между ними имеются и существенные различия. В случае примесных центров локальные уровни в среднем распределены приблизительно изотропно в каждой макроскопической области кристалла. В случае же дислокаций распределение отдельных «центров» крайне анизотропно. Среднее расстояние между ними очень мало вдоль дислокаций (расстояние между соседними болтающимися связями). Поэтому в отсутствие примесных атмосфер дислокации следует представлять скорее как одномерные кристаллы, нежели как неравномерно распределенные точечные центры. Соответственно вместо локальных уровней энергии точечных дефектов (рис. 2.19) в этом случае правильнее говорить об энергетических зонах, создаваемых дислокациями в запрещенной зоне («дислокационные зоны»). При наличии примесных атмосфер вблизи дислокаций могут возникать и дискретные локальные уровни.
Пользуясь изложенными представлениями, можно приближенно рассматривать линейную дислокацию как заряженную линию. Если проявляются акцепторные свойства дислокации, то в материале п-типа она будет заряжена отрицательно. При этом, вслед-
86
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ Б ПОЛУПРОВОДНИКАХ
[ГЛ. II
ствие отталкивания от нее электронов проводимости, дислокация будет окружена цилиндрическим слоем индуцированного положительного заряда.
Из этой модели, далее, следует, что дислокации, как и примесные центры, должны вызывать дополнительное рассеяние электронов и, следовательно, уменьшать их подвижность. При этом можно ожидать, что если ток течет параллельно дислокациям, то их влияние будет мало, так как в этом случае основная часть электронов будет двигаться вне цилиндрических областей объемного заряда, за пределами которых электрическое поле заряженных дислокаций равно нулю. Если же ток течет перпендикулярно дислокациям, то траектории электронов должны существенно изменяться и подвижность электронов должна уменьшаться сильнее.
Влияние линейных дислокаций на электрические свойства полупроводников действительно наблюдается на опыте. Так, например, создание дислокаций в германии п-типа приводит к уменьшению концентрации электронов проводимости. Это показывает, что в германии дислокации создают локальные состояния акцепторного типа. При этом уменьшается и подвижность электронов.
Дислокации могут действовать также как эффективные центры рекомбинации (см. гл, IX) и существенно изменять кинетику электронных процессов.
