ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Основные сведения из "Новые материалы в полупроводниковой электронике " В настоящее время большинство достижений полупроводниковой электроники, связано с применением кристаллических полупроводниковых материалов. [c.5] Основной признак кристаллов — наличие в них кристаллической решетки, характеризующейся ближним и дальним порядками расположения атомов. Если рассмотреть в объеме элементарного кристалла ближайшее окружение какого-либо атома (или атома данного типа в кристаллическом соединении), окажется, что число таких атомов и расстояния до них от рассматриваемого будут одни и те же, какой бы атом не был принят за центральный. Это свойство называют ближним порядком расположения атомов (рис. 1, а). При мысленном переносе атома (или элементарной ячейки, состоящей из нескольких атомов) на любое расстояние, кратное межатомному расстоянию а, новое положение атома или ячейки точно совпадет с положением другого атома (ячейки) в кристаллической решетке. Это свойство называют дальним порядком расположения атомов. [c.5] Дальний порядок упрощает анализ свойств кристаллов, так как информация о взаимном расположении всего лишь нескольких атомов, составляющих элементарную ячейку, позволяет последовательным переносом такой ячейки построить модель кристаллической решетки кристалла любых размеров. Дальний порядок в расположении атомов кристаллов является основой современной физики кристаллических полупроводников, на которой базируется полупроводниковая электроника. [c.5] В кристаллической решетке вследствие взаимодействия атомов происходит расщепление разрешенных энергетических уровней на множество уровней с малой разницей энергий, т. е. в некоторых интервалах энергий возникают зоны разрешенных уровней, также разделенные запрещенными зонами (рис. 2, в). [c.7] В кристаллических полупроводниках при низких температурах (близких к абсолютному нулю) часть разрешенных зон (с меньшей энергией) полностью заполнена электронами, а в остальных электроны отсутствуют. В верхней заполненной зоне находятся электроны, расположенные на внешних оболочках атомов и участвующие в химических связях с соседними атомами, так называемые валентные электроны. Поэтому эту зону называют валентной. Нижнюю, не занятую электронами зону разрешенных уровней называют зоной проводимости. [c.7] Валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной (рис. 3, а). Ширина запрещенной зоны соответствует минимальной энергии (в электрон-вольтах), которую надо сообщить электрону, находящемуся в валентной зоне, чтобы перевести его в зону проводимости. В отличие от электронов, находящихся в валентной зоне и связанных с атомами, электроны, переведенные в зону проводимости, теряют связь со своими атомами и могут перемещаться по кристаллу. В валентной зоне при переводе из нее электрона в зону проводимости остается незанятый энерге тический уровень и возникает равный по абсолютному значению заряду электрона не-скомпенсированный положительный заряд, называемый дыркой. При этом находящиеся в валентной зоне электроны соседних атомов могут переходить на незанятый уровень, что эквивалентно перемещению дырки с положительным зарядом в противоположную сторону. [c.7] Таким образом электропроводность в полупроводниках осуществляется перемещением отрицательно заряженных свободных электронов в зоне проводимости и положительно заряженных дырок в валентной зоне. При любой температуре количество (концентрация) электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне равны. Это справедливо для чистых полупроводников (при отсутствии атомов примеси), которые называют собственными или с собственной электропроводностью (/-типа) и обладают наименьшей для данного материала электропроводностью. [c.8] Легирование — контролируемое введение в материал примесей — позволяет в широких пределах управлять электрифизически-ми свойствами кристаллических полупроводников. При этом возможны два случая. [c.8] В первом случае атомы легирующей примеси имеют большее число валентных электронов, чем атомы полупроводника. Такую примесь называют донорной. Вследствие введения донорной примеси после образования химических связей примесного атома с окружающими его атомами полупроводника один валентный электрон оказывается лишним , т. е. не участвует в химических связях. Поэтому достаточно лишь небольшой энергии Ео (рис. 3, б), чтобы оторвать от примесного атома и сделать свободным этот валентный электрон, т. е. перевести его в зону проводимости. При этом образуется неском-пенсированный положительный заряд, который отличается от положительно заряженной дырки, способной перемещаться по кристаллу, тем, что остается неподвижным в кристаллической решетке. Легирование полупроводника донорной примесью увеличивает концентрацию электронов в зоне проводимости при неизменной концентрации дырок в валентной зоне. При этом электропроводность осуществляется в основном электронами, находящимися в зоне проводимости. Такие полупроводники называют электронными, или полупроводниками п-типа электропроводности. [c.8] Во втором случае атомы вводимой примеси имеют меньшее число валентных электронов, чем атомы полупроводника. Поэтому атомам примеси не хватает валентных электронов для образования всех химических связей с окружающими их атомами полупроводника. Недостающие электроны могут быть захвачены атомами примеси у соседних атомов полупроводника, для чего необходима небольшая энергия Ел (рис. 3, в). При этом атомы примеси приобретают отрицательный заряд, а в валентной зоне на месте захваченного электрона образуется дырка. Введение в полупроводник таких примесей, называемых акцепторными, приводит к возрастанию концентрации дырок в валентной зоне при неизменной концентрации электронов в зоне проводимости. Полупроводники, легированные акцепторной примесью, называют дырочными, или полупроводниками р-типа электропроводности. [c.8] Рассмотрим особенности некристаллических полупроводниковых материалов. Наиболее существенным отличием этих полупроводников является отсутствие в них кристаллической решетки и, как следствие, дальнего порядка в расположении атомов, что усложняет их теоретический анализ (см. рис. 1, б). [c.9] Необходимо отметить, что отсутствие дальнего порядка в расположении атомов некристаллических полупроводников не означает их полного беспорядка. Сохраняется ближний порядок, что во многом обусловлено химической природой атомов, составляющих материал, которая не изменяется при переходе от кристаллического состояния к некристаллическому. Наличие ближнего порядка дало возможность, хотя и не на количественном, а только на качественном уровне развить физику некристаллических полупроводников. В основу ее легло положение, выдвинутое советскими учеными А. Ф. Иоффе и А. Р. Регелем о том, что основные, фундаментальные свойства вещества определяются ближним, а не дальним порядком в расположении атомов. [c.10] Поскольку при переходе от кристаллического состояния к некристаллическому ближний порядок в расположении атомов сохраняется, это положение позволяет применять понятия запрещенной и разрешенных энергетических зон (валентной зоны, зоны проводимости) для описания энергетических состояний электронов в некристаллических полупроводниках. Однако возможность применения этих понятий не означает, что энергетические зоны в кристаллических и некристаллических полупроводниках имеют одинаковое строение. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов, хотя и не затрагивает само существование энергетических зон, приводит к существенному перераспределению в них разрешенных энергетических уровней. [c.10] Если сравнить распределение плотности состояний по энергиям в кристаллических и некристаллических полупроводниках, то основным их отличием является присутствие в запрещенной зоне некристаллических полупроводников значительного количества разрешенных состояний (рис. 4, г). Таким образом, запрещенная зона некристаллических полупроводников не является запрещенной в полном смысле. Вследствие отсутствия дальнего порядка в диапазон энергий, соответствующий запрещенной зоне, из валентной зоны и зоны проводимости сдвигается часть разрешенных энергетических уровней, так называемые хвосты валентной зоны и зоны проводимости (заштрихованные области слева и справа). [c.10] Наличие локализованных состояний в запрещенной зоне и их распределение по энергиям существенно влияют на электрофизические, оптические и другие свойства некристаллических полупроводников. В свою очередь, количество, а также распределение локализованных состояний по энергиям определяются взаимным расположением атомов, или атомной (молекулярной) структурой материала. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов некристаллических полупроводников приводит к тому, что при одном и том же химическом составе материала его структура (взаимное расположение атомов), а следовательно, и свойства могут быть различными. Эта особенность некристаллических полупроводников, с одной стороны, позволяет управлять при неизменном химическом составе свойствами материала, изменением его структуры в процессе изготовления образцов, а с другой стороны, делает необходимым при производстве приборов на основе некристаллических полупроводников контролировать не только химический состав, но и атомную структуру исходного материала. [c.11] Вернуться к основной статье