Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
под дном зоны проводимости, соответственно акцепторные примеси имеют
уровни, лежащие сравнительно высоко над потолком валентной зоны.
Некоторые примесные атомы этого типа порождают несколько уровней в
соответствии с тем, сколькими электронами занят один и тот же примесный
атом11. Например, Аи в Ge может иметь акцепторный уровень, лежащий на
0,15 эВ выше валентной зоны, или донорный уровень, расположенный на 0,20
эВ ниже зоны проводимости 2).
Примесные уровни некоторых атомов лежат, по-видимому, в полосе
разрешенных энергий, и по этой причине их трудно обнаружить
экспериментально. Такая ситуация может иметь место тогда, когда энергия
ионизации соответствующих примесных атомов замещения в кристалле сравнима
с шириной запрещенной зоны, или даже больше ее. Поэтому такие примесные
атомы не могут присоединить к себе лишний электрон и образовать
устойчивый отрицательный ион. Имеются основания считать, что именно таким
образом ведет себя примесь водорода в решетках Ge и Si. В качестве других
примеров- можно привести случай малых добавок атомов Si в кристалле Ge,
или, наоборот, примесь Ge в кристалле Si. Это неудивительно, если учесть
большое сходство структуры внешних электронных оболочек этих двух
элементов.
Пустые узлы решетки, или вакансии, по-видимому, очень слабо влияют на
концентрацию свободных электронов или дырок. Они могут играть роль
ловушек для носителей заряда, энергетические уровни которых лежат далеко
от краев зоны проводимости и валентной зоны. У вакансий имеется тенденция
собираться на дислокациях. Дислокации, несомненно, имеют большое влияние
на скорости диффузии примесей в полупроводниках типа Si и Ge.
11 Число электронов или дырок, связанных с одним и тем же примесным
атомом принято называть зарядовым состоянием примесного атома.- Прим.
ред.
2) В первом случае атом золота находится в зарядовом состоянии Аи-, во
втором - в зарядовом состоянии Аи2 ~. Оба этих состояния атома золота в
германии являются акцепторными. Однако зарядовое состояние Аи2-
проявляется в кристаллах с электронным типом проводимости и ведет себя
подобно донорной примеси. Атомы Аи в Ge могут иметь еще два уровня:
акцепторный, расположенный на 0,05 эВ ниже дна зоны проводимости, и
донорный, располагающийся на 0,04 эВ над потолком валентной зоны.- Прим.
ред.
______________3. Примеси и несовершенства в кристаллах_______87
3.4.3. ПРИМЕСИ В ПОЛЯРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Одно из главных отличий полупроводниковых соединений от одноатомных
полупроводников связано с тем, что даже в отсутствие посторонних примесей
они содержат более одного типа атомов. В связи с этим в них могут
возникать дефекты, связанные с отклонением от точного стехиометрического
состава. Например, идеальный кристалл PbS должен содержать в точности
одинаковое число атомов РЬ и S. Однако хорошо известно, что соединение
PbS может существовать в виде гомогенной кристаллической фазы с составом
Pb1+eS. где 6 - дробное число, принимающее любые значения от нуля вплоть
до 10"*. Оказывается, что каждый лишний атом РЬ в кристалле PbS действует
как донорная примесь, энергетический уровень которой лежит вблизи дна
зоны проводимости. Значению б=Ю"* соответствует примерно 101в донорных
атомов на 1 см*, т. е. очень большое число. Поэтому проблема очистки
полупроводниковых соединений значительно осложняется по сравнению с
очисткой одноатомных полупроводников, где из кристалла требуется лишь
удалить чужеродные атомы и не возникает проблемы точного соблюдения
стехиометрического состава.
В двухатомном полярном полупроводнике стехиометрического состава
вакантные анионные и катионные узлы должны встречать-
X* У* X* Y~ X* Ус
Y- / Y~ X* Y~
х*¦ Y~ X*¦ Y~ X*
Y~ X* \ X* Y~ К
X* Y~ a X* Y~ X+
X* Y~ X* У* X*¦ Уа
Y- X*¦ / X* Y~
X* Y~ 6 X* Y~ x*
Рис. 3.19. Анионные н катионные вакансии в полярных кристаллах.
о - пара вакансий Уд. Ус; б-вакансия, обусловленная избыточным атомом
металла.
88
3. Примеси и несовершенства в кристаллах
ся одинаково часто. Это - простое следствие условия нейтральности
кристалла в целом. Вакантные анионные и катионные узлы обозначим
соответственно через Уд и Ус• Если в узлах решетки имеется избыток
катионов, то одновременно в кристалле должен иметь место равный избыток
анионных вакансий (рис. 3.19). Если, однако, избыток одного из
компонентов получается за счет внедрения в междоузлие, то равенство числа
обоих видов вакансий, естественно, нарушается. Более того, значительный
избыток катионов приводит к заполнению большинства катионных вакансий,
так что большая концентрация вакансий анионов сопровождается малой
концентрацией катионных вакансий. В условиях термодинамического
равновесия концентрация анионных вакансий [Уд] связана с концентрацией
катионных вакансий [Ус] законом, аналогичным "закону действующих масс":
[Уд] [Ус] = Я (П. (3.5)
где К(Т) - функция, зависящая только от температуры. В основе равенства
(3.5) лежит предположение о том, что катионная и анионная вакансии могут
