Материалы электроники и электротехники. Королёв А.П - 23 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

Следует различать остаточные примеси, которые не были удалены из полупроводника при очистке или случайно были
введены в полупроводниковый материал при последующих технологических операциях, и легирующие примеси, намеренно
вводимые в заданных количествах в полупроводник при легировании как в процессе приготовления поликристаллической
шихты или выращивания монокристалла, так и в процессе изготовления p-n-переходов с целью придания всему материалу
или определённым его участкам требуемых электрофизических свойств (например, определённой величины и типа
проводимости). Введение легирующих примесей может обеспечивать воспроизводимые результаты только в том случае,
если их концентрация в полупроводнике (которая должна быть ниже их предела растворимости при температурах, близких к
комнатной) значительно выше концентрации остаточных примесей. Примеси в соответствии с их воздействием на
физические свойства полупроводника могут находиться в электрически активном и электрически неактивном состояниях (в
зависимости от условий введения и обработки). Электрически активные примеси могут быть однозначно активными, т.е.
проявлять себя либо как доноры, либо как акцепторы, или амфотерно активными: часть примесных атомов может проявлять
донорные свойства, а другая – акцепторные.
Электрическая активность примеси характеризуется в основном числом и распределением связей атома примеси с
соседними атомами полупроводника. Например, в полупроводниковых кристаллах со структурой типа алмаза (алмаз, Si, Ge)
акцепторами являются элементы III группы периодической системы Менделеева (атомы которых устанавливают связь
только с тремя из четырёх окружающих их атомов и вызывают появление дырки), а донорами – элементы V группы (у
которых после установления связей со всеми четырьмя соседними атомами остаётся один свободный электрон). Энергия
ионизации примесных атомов III и V групп в Si и Се близки к 0,01 эВ, поэтому при комнатных температурах такие примеси
почти полностью ионизированы. При малых концентрациях примеси создают локализованные энергетические уровни,
расположенные в запрещённой зоне (примесные уровни). В зависимости от того, мало или сравнимо с шириной
запрещённой зоны расстояние от примесного уровня до ближайшей разрешённой зоны, различают мелкие и глубокие
примесные уровни. При больших концентрациях уровни сливаются, образуя примесные зоны, примыкающие к разрешённым
зонам (такие полупроводники называются сильнолегированными). При изготовлении полупроводниковых приборов для
создания p-n-переходов нужной конфигурации иногда приходится локально перекомпенсировать примесь одного типа
(например, акцепторную) примесью другого типа (донорной), чтобы создать слой материала требуемого типа проводимости.
К группе электрически неактивных примесей (при определённых условиях, например при комнатной температуре)
относятся атомы тех групп периодической системы, которые для данного полупроводника не являются однозначно
легирующими примесями. Эти примеси в полупроводнике создают в запрещённой зоне два (иногда и более) глубоких
примесных уровня. Их иногда намеренно вводят в полупроводник для придания ему особых свойств, например резкого
уменьшения времени жизни неосновных носителей заряда. Примеси такого типа создают глубокие уровни, которые часто
являются эффективными центрами захвата и рекомбинации носителей заряда. В некоторых случаях, например при
изготовлении полупроводниковых кристаллофосфоров, осуществляется легирование примесями, создающими глубокие
уровни, и необходимая излучательная рекомбинация происходит между краем одной из разрешённых зон и глубоким уровнем
или между двумя примесными уровнями, один из которых глубокий.
В полупроводниковых соединениях типа А
III
В
V
или А
II
В
VI
однозначно активными акцепторами являются атомы
элементов, имеющие степень окисления на единицу меньше, чем компонент А или В, а донорами – атомы элементов, имеющие
степень окисления на единицу больше, чем А или В. Например, в GaAs акцепторами служат атомы элементов II группы, а
донорами – атомы элементов VI группы, атомы элементов IV группы – амфотерно активные примеси: атом Ge, замещающий
атом Ga, – донор, а замещающий атом As, – акцептор.
В полупроводниковых соединениях роль примеси могут играть избыточные по отношению к стехиометрическому
составу атомы компонентов самого соединения, т.е. точечные дефекты.
В любом полупроводниковом кристалле, очищенном до практически возможного предела, всегда имеются как
остаточные примеси, так и термически равновесные (и неравновесные) точечные дефекты. Поскольку все примесные атомы
и точечные дефекты склонны к ионизации, в полупроводниках устанавливаются сложные взаимодействия между всеми
заряженными дефектами и носителями зарядов.
Пробой в полупроводниках – явление резкого возрастания электрического тока через полупроводниковый образец при
малом изменении приложенной к образцу разности потенциалов, приводящее к необратимому тепловому разрушению образца
или какого-либо его участка. Характер такого пробоя связан с экспоненциальным ростом в полупроводнике концентрации
свободных носителей заряда при увеличении температуры: локальный разогрев участка полупроводника сопровождается
увеличением концентрации носителей заряда и локальной плотности тока, что ведёт к дальнейшему повышению температуры
этого участка и т.д.
Удельная электропроводность полупроводника сильно зависит от концентрации носителей заряда и выражается
зависимостью:
(
)
pn
pnq
µ
+
µ
=
σ
,
где n и p – концентрации электронов и дырок соответственно; µ
n
и µ
p
– подвижности электронов и дырок соответственно.
Концентрация носителей заряда положительно зависит от температуры. Следовательно, и удельная электропроводность
полупроводника зависит от температуры. Температурная зависимость удельной электропроводности схематично
легированного полупроводника (не в масштабе) показана на рис. 3.2. Участок I графика соответствует термогенерации
неосновных носителей заряда от примесных атомов, так как они ионизируются при меньших температурах, чем собственные
атомы. На участке II все примесные атомы ионизированы, а ионизация собственных атомов ещё не началась, поэтому нет
роста электропроводности. На участке III происходит ионизация собственных атомов полупроводника и рост концентрации
основных носителей заряда, что приводит к дальнейшему росту удельной электропроводности.

Страницы