| 8406202 9216 1210 912 1ен
[2018-7.jpg]
[2018-8.jpg]
Наличие в спектре поглощения П. широких и интенсивных полос в области Йсо порядка ДЕ показывает, что большое число валентных электронов слабо связано. Т. к. слабая связь легко деформируется внешним электрич. полем, то это обусловливает высокую поляризуемость кристалла. И действительно, для многих П. (алмазоподобные, AIVBVI и др.) характерны большие значения диэлектрической проницаемости е. Так, в Ge e = 16, в GaAs e = 11, в РbТе e = = 30. Благодаря большим значениям е кулоновское взаимодействие заряженных частиц, в частности электронов и дырок, друг с другом или с заряженными примесями, сильно ослаблено, если они находятся друг от друга на расстоянии, превышающем размеры элементарной ячейки, что и позволяет во многих случаях рассматривать движение каждого носителя независимо от других. Иначе свободные носители тока имели бы тенденцию образовывать комплексы, состоящие из электрона и дырки или заряженной примесной частицы с энергиями связи ~10 эв. Разорвать эти связи за счёт теплового движения, чтобы получить заметную электропроводность, при температурах ~ 300К было бы практически невозможно, однако попарное связывание электронов и дырок в комплексы всё же происходит, но связь эта слаба (Есв~10~2 эв) и легко разрушается тепловым движением. Такие связанные состояния электрона и дырки в П., наз. экситонами, проявляются в спектрах поглощения в виде узких линий, сдвинутых на величину Есв от края поглощения в сторону энергий, меньших энергий фотона. Экситоны образуются, когда электрон, поглотивший квант света и оставивший дырку на своём месте в валентной зоне, не уходит от этой дырки, а остаётся вблизи неё, удерживаемый кулоновским притяжением.
Прозрачность П. в узкой области частот вблизи края собственного поглощения можно изменять с помощью внешних магнитных и электрич. полей. Электрич. поле, ускоряя электроны, может в процессе оптич. перехода передать ему дополнит. энергию (малую, т. к. время перехода очень мало), в результате чего становятся возможными переходы из валентной зоны в зону проводимости под действием квантов с энергией, несколько меньшей ДЕ. Чёткий край области собственного поглощения П. при этом слегка размывается и смещается в область меньших частот.
Магнитное поле изменяет характер электронных состояний, в результате чего частотная зависимость показателя поглощения вместо плавной зависимости
[2018-9.jpg]
пиков поглощения, связанных с переходами электрона между уровнями Ландау валентной зоны и зоны проводимости. Наряду с собственным поглощением П. возможно поглощение света свободными носителями, связанное с их переходами в пределах зоны. Такие внутризонные переходы происходят только при участии фононов. Вклад их в поглощение мал, т. к. число свободных носителей в П. всегда очень мало по сравнению с полным числом валентных электронов. Поглощение свободными носителями объясняет поглощения излучения с hw < ДЕ в чистых П. В магнитном поле становятся возможными переходы носителей между уровнями Ландау одной и той же зоны, к-рые проявляются в виде резкого пика в частотной зависимости показателя поглощения на циклотронной частоте wс (см. Циклотронный резонанс). В полях ~ 103-105 э при эффективной массе ~(1- 0,01)т0 wc = 1010-1013сек-1, что соответствует сверхвысоким частотам или далёкому инфракрасному диапазону.
В П. с заметной долей ионной связи в далёкой инфракрасной области спектра (hw~10-2 эв) наблюдаются полосы поглощения, связанные с возбуждением (фотонами ) колебаний разноимённо заряженных ионов друг относительно друга.
Роль примесей и дефектов в полупроводниках. Электропроводность П. может быть обусловлена как электронами собственных атомов данного вещества (собственная проводимость), так и электронами примесных атомов (примесная проводимост ь). Наряду с примесями источниками носителей тока могут быть и различные дефекты структуры, напр, вакансии, междоузельные атомы, а также недостаток или избыток атомов одного из компонентов в полупроводниковых соединениях (отклонения от стехиометрич. состава), напр, недостаток Ni в NiO или S в PbS.
Рис. 4. Электронные переходы, создаю-' щие электропроводность в полупроводнике: 1-ионизация доноров (проводимость п-типа); 2 - захват валентных электронов акцепторами (проводимость р-типа); 3 - рождение электронно-дырочных пар (собственная проводимость); 4 - компенсация примесей.
Примеси и дефекты делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают в объём П. избыточные электроны и создают таким образом электронную проводимость (п-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны вещества, в к-рое они внедрены, в результате чего создаются дырки и возникает дырочная проводимость (р-типа) (рис. 4). Типичные примеры доноров-примесные атомы элементов V группы (Р, As, Sb) в Ge и Si. Внедряясь в кристаллич. решётку, такой атом замещает в одной из ячеек атом Ge. При этом 4 из 5 его валентных электронов образуют с соседними атомами Ge ковалентные связи, а 5-й электрон оказывается для данной решётки члишним", т. к. все связи уже насыщены. Не локализуясь ни в одной элементарной ячейке, он становится электроном проводимости. При этом примесный атом однократно положительно заряжен и притягивает электрон, что может привести к образованию связанного состояния электрона с примесным ионом. Однако эта связь очень слаба из-за того, что электростатич. притяжение электрона к примесному иону ослаблено большой поляризуемостью П., а размеры области вблизи примеси, в к-рой локализован электрон, в десятки раз превышают размер элементарной ячейки кристалла. Энергия ионизации примеси ~0,01 эв в Ge и ~0,04 эв в Si, даже при темп-ре 77 К большинство примесей ионизовано, т. е. в П. имеются электроны проводимости с концентрацией, определяемой концентрацией донорных примесей.
Аналогично атомы элементов III группы (В, Al, Ga, In) - типичные акцепторы в Ge и Si. Захватывая один из валентных электронов Ge в дополнение к своим 3 валентным электронам, они образуют 4 ковалентные связи с ближайшими соседями -атомами Ge - и превращаются в отрицательно заряженные ионы. В месте захваченного электрона остаётся дырка, к-рая так же, как электрон вблизи донорного иона, может быть удержана в окрестности акцепторного иона кулоновским притяжением к нему, однако на большом расстоянии и с очень малой энергией связи. Поэтому при не очень низких темп-рах эти дырки свободны.
Такие же рассуждения объясняют в случае соединений AIII Bv донорное действие примесей нек-рых элементов VI группы (S, Se, Те), замещающих атом Bv, и акцепторное действие элементов II группы (Be, Zn, Cd), замещающих АIII. В Ge тот же Zn - двухзарядный акцептор, т. к. для того, чтобы образовать 4 валентные связи с соседями, он может захватить в дополнение к 2 своим валентным электронам ещё 2, т. е. создать 2 дырки. Атомы Сu, Аu могут существовать в Ge в нейтральном, одно-, двух-и трёхзарядном состояниях, образуя одну, две или три дырки.
Рассмотренные примеры относятся к примесям замещения. Примером примесей внедрения в Ge и Si является Li. Из-за малости иона Li+ он, не нарушая существенно структуры решётки, располагается между атомами Ge (в междоузлии); свой внешний валентный электрон, движущийся на существенно большем расстоянии, он притягивает очень слабо и легко отдаёт, являясь, т. о., типичным донором. Во многих П. типа A1VBVI источники свободных дырок - вакансии атомов AIV, а вакансии BVI - источники электронов проводимости. Из сказанного ясно, что введение определённых примесей (легирование П.) - эффективный метод получения П. с различными требуемыми свойствами.
Сильно легированные полупроводники. При больших концентрациях примесей или дефектов проявляется их взаимодействие, ведущее к качественным изменениям свойств П. Это можно наблюдать в сильно легированных П., содержащих примеси в столь больших концентрациях Nnp, что среднее расстояние между ними, пропорциональное Nnp1/3 , становится меньше (или порядка) среднего расстояния а, на к-ром находится от примеси захваченный ею электрон или дырка. В таких условиях носитель вообще не может локализоваться на к.-л. центре, т. к. он всё время находится на сравнимом расстоянии сразу от неск. одинаковых примесей. Более того, воздействие примесей на движение электронов вообще мало, т. к. большое число носителей со знаком заряда, противоположным заряду примесных ионов, экранируют (т. е. существенно ослабляют) электрич. поле этих ионов. В результате все носители, вводимые с этими примесями, оказываются свободными даже при самых низких темп-рах.
[2018-10.jpg]
Ха~1, легко достигается для примесей, создающих уровни с малой энергией связи (мелкие уровни). Напр., в Ge и Si, легированных примесями элементов III или V групп, это условие выполняется уже при Nпр~1018-1019см-3, в то время как удаётся вводить эти примеси в концентрациях вплоть до Nnp ~ 1021 см-3 при плотности атомов осн. вещества ~5-1022 см-3. В П. AIVBVI практически всегда с большой концентрацией (=> 1017 1018см-3) присутствуют вакансии одного из компонентов, а энергии связи носителей с этими вакансиями малы, так что
[2018-11.jpg]
выполнено.
Равновесные концен |
