Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
положительных дырок и могут существовать в различных состояниях.
При более высоких температурах все эти дефекты становятся достаточно
подвижным", в результате чего между различными типами дефектов легко
устанавливается термодинамической равновесие. Чем меньше энергия
образования дефекта, тем больше число дефектов данного типа. Например,
если энергия образования дефекта по Шоттки много меньше энергии
образования дефекта по Френкелю, то первый тип дефектов будет
преобладающим и число атомов в междоузлиях окажется сравнительно
небольшим. В кристаллах с плотной упаковкой атомов появление
междоузельного атома, как правило, затруднено. Примесные атомы малых
размеров сравнительно легко внедряются в междоузлия, тогда как более
крупные атомы могут образовывать дефекты такого рода лишь с трудом, и,
как правило, являются примесями замещения. Обычно один из типов дефектов
по концентрации преобладает над всеми остальными.
Как уже было сказано, при высоких температурах, близких к точке
плавления, между различными типами дефектов устанавливается
термодинамическое равновесие. Однако время установления равновесия между
дефектами сильно возрастает при понижении температуры. В этих условиях
возможно "вмораживание" дефектов и тогда количество и род дефектов,
имеющихся в кристалле, будет зависеть не только от температуры, но и от
предыдущей тепловой обработки кристалла. Выдержав кристалл некоторое
время при промежуточной температуре, можно в значительной мере уменьшить
количество "вмороженных" дефектов. Этот процесс называют отжигом.
В условиях теплового равновесия число дефектов определенного типа можно
вычислить с помощью методов статистической физики, если известна энергия
образования этих дефектов. С другой стороны, энергию образования дефектов
легко определить, если тем или иным путем найдена температурная
зависимость концентрации дефектов в кристалле. В гл. 2 книги Мотта и
Герни [1] приведена термодинамическая теория образования дефектов по
Шоттки и по Френкелю с привлечением понятия свободной энергии образования
дефектов. Из теории следует, например, что когда дефекты по Шоттки
преобладают над другими видами дефектов, количество вакансий
_3. Примеси и несовершенства в кристаллах 67
Nv можно вычислить по формуле
Nv = NFexp [-§•]. (3.1)
где N - число атомов в кристалле, Wr - энергия образования вакансий, F -
медленно меняющаяся с температурой функция, численные значения которой по
порядку величины лежат в пределах от 10* до 10*. Величина обычно имеет
значения порядка 1-г 4-2 эВ, так что при обычных температурах в условиях
равновесия N4 ничтожно мало, но быстро растет с повышением температуры.
3.1.3. ДИСЛОКАЦИИ
Перечисленные выше несовершенства решетки в большинстве случаев
представляют собой точечные дефекты. Небольшое количество близко
расположенных дефектов может, правда, группироваться и образовывать
небольшие скопления (кластеры) или короткие цепочки дефектов, однако
обычно эти дефекты четко локализованы. Рассмотрим теперь линейные (часто
прямолинейные) дефекты, которые пронизывают кристалл. Такие дефекты
называют дислокациями. В кристалле, подвергнутом механическим
напряжениям, вообще говоря, имеют место относительные сдвиги
кристаллических плоскостей. Кристаллическая плоскость не сдвигается как
целое относительно других плоскостей. Сдвиг происходит внутри некоторого
участка, который постепенно распространяется по плоскости. Линию раздела
сдвинутой и несдвинутой плоскостей называют дислокацией. Если направление
скольжения составляет пря-
• •••••
• • • • •
Краевая ' дислокация
• ••••••
Рис. 3.3. Краевая дислокация.
68
3. Примеси и несовершенства в кристаллах
Рис. 3.4. Ямки травления у выхода краевых дислокаций на поверхность
кристалла. (С микрофотографии, полученной в работе [7]).
мой угол с осью дислокации, то такую дислокацию называют краевой. Можно
показать, что краевая дислокация эквивалентна введению лишней
полуплоскости атомов (рис. 3.3). Если направление скольжения совпадает с
направлением дислокации, то дислокация носит название винтовой.
Рассмотрение весьма интересных вопросов геометрической теории дислокаций
выходит за рамки настоящей книги. Теория дислокаций занимает центральное
место во всех современных работах по сбпротивлению материалов. Она
подробно освещается в ряде учебников 12-4]. Дислокации сказываются и на
физических свойства* полупроводников; эти вопросы будут обсуждены далее в
разд. 8.11.
У места выхода линии дислокации на поверхность кристалла правильное
расположение атомов на поверхности нарушается. Эти поверхностные дефекты
можно подвергнуть избирательному действию некоторых травителей. При
соответствующих условиях в местах выхода дислокаций на поверхность
кристалла после травления образуются небольшие углубления, так называемые
ямки травления, которые легко наблюдаются в микроскоп даже при не-
3. Примеси и несовершенства в кристаллах
69.
большом увеличении. На рис. 3.4 показаны такие ямки травления, полученные
