Структура алмаза полупроводников

Структура алмаза (рис. 1.28). По типу структуры алмаза кристаллизуются полупроводники S1 и Ge. Структура алмаза является примером неплотно упакованной —структуры с координационным числом, 1 .равным 4. Каждый атом углерода [c.32]

Полупроводники со структурой алмаза, вюрцита, цинковой обманки и близких к ним являются относительно рыхлыми. Они содержат большие межатомные пустоты, в которых могут легко раз-меш,аться междоузельные атомы. Междоузлия в структуре алмаза имеют тетраэдрическое окружение. Их расположение иллюстрируется рис. 3.4. [c.87]

Поскольку всегда е(0) е(оо), то (Oto Wlo. В некоторых кристаллах, например типа алмаза, в приближении длинных волн (при й->0) (ото соьо. Это Означает, что е(0) е(оо), т. е. ИК-вклад (ионный) в поляризацию очень мал. Действительно, в таких важных для техники кристаллах полупроводников, обладающих структурой алмаза, как германий и кремний, ИК-поглощение очень невелико электромагнитная ветвь ш = пересекает ветви ТО и L0 прак- [c.85]

Кремний и германий относятся к алмазоподобным полупроводникам, так как они имеют кристаллическую структуру алмаза. Это куб, в вершинах и в центрах граней которого расположены атомы углерода. Кроме того, атомы углерода находятся в центрах четырех (из восьми) малых кубов (октантов), на которые делится большой куб (рис. 58). [c.96]

Вторая зонная структура, которую мы рассмотрим, принадлежит германию — типичному полупроводнику. Германий имеет кристаллическую структуру алмаза — гранецентрированную кубическую решетку с двумя одинаковыми атомами в каждой примитивной ячейке. Таким образом, зона Бриллюэна, линии и точки симметрии остаются теми же, что и раньше. Зонная структура германия показана на фиг. 29. В противоположность алюминию энергетические щели между зонами здесь довольно велики. Снова энергия в первой зоне начинает возрастать из точки Г, сильно напоминая параболу для свободных электронов, но искажения теперь значительно более сильные. Зоны в алмазе и кремнии очень похожи на зоны в германии. [c.107]

Основные свойства полупроводников. Полупроводниковые кристаллы обладают структурой алмаза и пространственной симметрией. Плотность полупроводников колеблется от 2300 до 8200 кг/м . По мере возрастания атомного номера связи закономерно ослабляются, [c.231]

Известно много различных кристаллических структур. Одна из-них—структура алмаза (см. рис. 2, б). Подобную структуру имеют и полупроводники —кремний и германий. В структуре цинковой [c.21]

В зависимости от кристаллической структуры один и тот же элемент может быть либо металлом, либо полупроводником, либо диэлектриком. Например, известно, что белое олово—металл, а серое—полупроводник, углерод в виде алмаза—диэлектрик, а в виде графита он проявляет металлические свойства. [c.84]

Кремний и германий — широко используемые и наиболее исследованные полупроводники. Кристаллизуются в решетке алмаза. Имеют сложную зонную структуру. [c.455]

Механизм передачи теплоты в первую очередь определяется типом связи в металлах теплоту переносят электроны в материалах с ковалентным или ионным типом связи — фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность осуш ествляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление. [c.63]

Диэлектрики и полупроводники качественно подобны и те и другие имеют энергетическую щель в спектре электронных состояний. Однако в полупроводниках эта щель (запрещенная зона) гораздо меньше. Поэтому проводимость полупроводников заключена в широком интервале, разделяющем проводимость металлов и диэлектриков. Например, для кремния при 300 К а=5-10 См/м, а для германия а=2,5 См/м, что в 10 —10 раз превышает проводимость диэлектриков и в то же время в 10 —10 раз уступает проводимости металлов. Зависимость о Т) полупроводников лишь в исключительных случаях и в небольшом температурном интервале может носить металлический характер как правило, и в полупроводниках, и в диэлектриках температурные зависимости проводимости подобны. Ширина энергетической щели в германии равна 0,72 эВ, а в кремнии 1,12 эВ, в то время как в алмазе — диэлектрике е такой же кристаллической структурой — запрещенная зона равна 7 эВ. Таким образом, с точки зрения зонной теории полупроводники принципиально отличаются от металлов наличием энергетической щели, в то время ак между полупроводниками и диэлектриками есть только количественное отличие. Считается, что при Д < 2—3 эВ кристалл можно отнести к полупроводникам, а при больших — к диэлектрикам. [c.16]

Наиболее распространенными полупроводниками являются германий и кремний. Оба полупроводника в твердом, кристаллическом состоянии обладают структурой типа алмаза. В структуре (решетке) алмаза каждый атом окружен четырьмя соседями — атомами, соединенными с ним ковалентными связями и находящимися от него на одинаковых расстояниях. Атомы германия и кремния, являясь элементами [V группы, также обладают четырьмя валентными электронами, образующими ковалентную связь с четырьмя соседними атомами. [c.483]

Необходимо иметь в виду, что в зависимости от структуры и внешних условий порядок значений р вещества может различаться весьма существенно. Так, углерод в аллотропической модификации графита — проводник, а в модификации алмаза — диэлектрик такие типичные (при нормальных условиях) полупроводники, как германий и кремний, при воздействии очень высоких гидростатических давлений становятся проводниками, а при воздействии очень низких температур — диэлектриками твердые и жидкие металлы — проводники, но пары металлов — диэлектрики. [c.7]

Из полупроводниковых материалов наиболее полно изучены и широко применяют германий и кремний. В твердом кристаллическом состоянии они имеют структуру типа алмаза. Эти материалы обладают многими ценными свойствами. Для нужд полупроводниковой техники мировая потребность в них составляет сотни тонн в год. Наряду с германием и кремнием в последнее время все большее применение получают искусственно созданные полупроводники следующих композиций мышьяк — галлий (арсенид галия), индий — сурьма, кадмий — висмут и др. [c.176]

К этой группе полупроводников относятся алмаз, графит, кремний, германий, серое олово (а-5п) и система твердых растворов германия и кремния. Все эти вещества кристаллизуются в структуры типа алмаза. [c.238]

Структуры типа алмаза. Тип электропроводности определяется размерами и электроотрицательностью примесных атомов, внедряющихся в междуузлия решеток полупроводников IV группы периодической системы. Эксперимент показывает, что в противоречии с указанным выше правилом валентности литий (I группа), внедряясь в междуузлия решетки германия, будет донором, а кислород (VI группа) — акцептором. Внедрение большого по размерам атома лития в тесные междуузлия решетки германия оказывается возможным только после его ионизации вследствие слабой связи валентного электрона, легко отрывающегося от своего атома в среде с большой диэлектрической проницаемостью (е германия см. в табл. 8-4). Образовавшийся ион лития маленьких размеров может уже внедряться в тесные междуузлия решетки, а освободившийся электрон обусловливает электропроводность л-типа. Внедрение в междуузлия атомов кислорода, имеющих сравнительно небольшие размеры и большую электроотрицательность, приводит к захватам электронов из атомов полупроводника, вследствие чего возникает электропроводность р-тина. [c.329]

В структурах алмаза, кремния, германия и алмазоподобных соединений сильным ковалентным <т-связям вдоль направлений <111> отвечают максимальные значения модулей упругости Еиь Однако, в отличие от металлов, для этого класса материалов наиболее важны не механические, а электрофизические свойства. Определение пoJ y пpoвoдникa трудно представить до рассмотрения электронной зонной теории кристаллических твердых тел. Можно сказать, что полупроводники - это изоляторы, в которых запрещенная зона между состояниями валентных электронов (валентная зона) и электронными состояниями, ответственными за электропроводность (зона проводи.мости), значительно меньше, чем в обычных изоляторах, и может быть преодолена при наличии определенных условий, например, с помощью теплового возбуждения. Поэтому, в отличие от металлов, электропроводность пoJTV пpoвoдникoв растет с температ рой. [c.46]

Кроме того, непосредственный анализ дифракционных картин с поверхности исследуемых кристаллов, полученных методом ДМЭ, показал [381 384], что атомы в поверхностных слоях из-за отсутствия сил межатомной связи с одной стороны существенно смещены от своих нормальных положений в кристаллической решетке. При этом на поверхности кристалла образуются сложные двухмерные структуры с иной симметрией решетки, а также с другой плотностью, длиной и типом атомных связей [381—384, 410—412] (рис. 71). Например, Ханеман [410] получил данные об искажении тетраэдрической симметрии, измеряя дифракцию электронов на чистых поверхностях полупроводников со структурой алмаза и цинковой обманки. Интерпретация дифракционных картин показала, что в этом случае верхний слой атомов плоскости (111) имеет постоянную решетки в два ра- [c.127]

Для металлов характерны следующие кристаллические решетки грапецентрированная кубическая (г.ц.к.), объемноцентрированная кубическая (о. ц. к.), гексагональная плотноупаковаиная (г. п. у). На рис. 2 представлены элементарные ячейки этих решеток, а также элементарные ячейки тетрагональной объемноцентри-рованной и ромбоэдрической решеток. Эти решетки также встречаются у металлов. Здесь же представлена элементарная ячейка кубической решетки алмаза. Эта кристаллическая решетка характерна для структуры многих полупроводников. [c.22]

Направленность межатомных связей и неплотноупакованные кристаллические структуры приводят к низкой пластичности и высокой твердости ковалентных кристаллов, типичными представителями которых являются алмаз (одна из полиморфных модификаций углерода), кремний, германий, серое олово, кварц, карбид кремния, нитрид бора (со структурой алмаза). Большая энергия связи в ковалентных кристаллах приводит к высокой температуре плавления. Заполнение валентных зон при образований ковалентной связи превращает ковалентные кристаллы в полупроводники и даже диэлектрики. [c.30]

Элемиггы IV группы С (алмаз), 8 , Со и 8н (а-Зп), с 1ми являются полупроводниками и кристаллизуются в структуре алмаза. Элементы др. групп не являются 1К)лунроводниками, по соединенные попарно так, что каждая пара состоит из элементов, равноотстоящих от IV группы, они образуют полупроводниковые химич. соеднпеиия типа и (А и В —эле- [c.113]

Спин-орбитальное расщепление валентной зоны. Перейдем теперь непосредственно к полупроводникам с решеткой цинковой обманки и рассмотрим дисперсию носителей тока в валентной зоне в окрестности точки экстремума ко =0. Полученные результаты применимы (с некоторыми оговорками и дополнениями) и для элементарных полупроводников со структурой алмаза, а также для полупроводниковых соединений со структурой вюрцита. В пренебрежении спином и спин-орбитальным взаимодействием (нерелятивистское приближение) Г-состояния на дне зоны проводимости и в потолке валентной зоны в полупроводнике типа GaAs характеризуются s- и /7-симметрией. Соответствующие (орбитальные, или координатные) функции записываются в виде S r) = S (представление Г) точечной группы Td) и X, Y, Z (представление Г15). Они периодичны с периодом решетки цинковой обманки, напримерХ(г + а,) = = А (г), где а, (г = 1, 2, 3) — базисные векторы решетки Браве. Учет спина удваивает число состояний t5 и — в зоне проводимости, X, tY, [Z,iX,iY, iZ— в валентной зоне. [c.20]

Многие вещества являются промежуточными между валентными и веществами с другим типом связи. Так, например, кремний, германий и серое олово имеют структуру алмаза, хотя их электропроводность значительно больше электропроводности алмаза. Кремний и германий могут быть отнесены также к полупроводникам, а серое олово — к металлам. Аналогично, карбнд кремния и двуокись кремния имеют некоторые черты валентных кристаллов, в частности большую твёрдость, и некоторые ионные свойства, напрнмер, способность сильно поглощать инфракрасные лучн. [c.74]

Рис. 10. Зависимость иовалеитного межзонного расстояния от параиетра С из (1,40) для всех полупроводников со структурой алмаза, цинковой обманки, вюрцита и Na I. Особые значения параметра / = /( j + С ) (сплошные кривые) разделяют области существования различных структур. (По Филлипсу [91].)

В качестве типичных полупроводников рассмотрим кремний и германий, которые имеют структуру алмаза, схематически изображенную на фиг. 4. Структуру алмаза легко получить из кубической гранецеитрированной структуры, если вставить в нее вторую гране-центрированную структуру, смещенную по отношению к первой [c.14]

Из уравнения (2.37) видно, что описание полупроводников с помощью псевдоволновой функции намного сложнее, чем соответствующее описание простых металлов. Усложнения проистекают, во-первых, из-за необходимости рассматривать зоны с величиной 1/т, сильно отличающейся от значения для свободных электронов,— использование только первого слагаемого в выражении (2.35) было бы совершенно бессмысленным для большинства полупроводников. Вторая трудность, тесно связанная с первой, состоит в том, что блоховскую функцию Mf (r) нельзя представить константой в пространстве вне внутренних оболочек [к чему приводит оператор (1 — Р) в теории псевдопотеициала]. В кристаллах со структурой алмаза она близка к нулю в пространстве между атомами. В этом причина усложнения уравнения (2.37), связанного с появлением множителя р, и трудностей при переходе от псевдоволновой к истинной волновой функции. Наконец, это не позволяет дать ясную постановку задачи при неупорядоченном расположении атомов. Описание эффектов, связанных с изменениями (г), с помощью параметра Р представляет собой, конечно, грубую аппроксимацию. [c.164]

Традиционный подход, который используется для описания зон в полупроводниках, имеет много общего с соответствующим подходом в случае металла (подробнее см. [25]). Мы снова считаем, что валентные электроны образуют свободный газ и имеют сферическую ферми-поверхность. Далее, как и в схеме расширенных зон, мы вводим брэгговские плоскости отражения и предполагаем, что некоторая группа плоскостей, образующая зону Джонса, играет доминирующую роль в зонной структуре, так что ферми-поверхность сливается с границами этой зоны ( исчезает ). Плоскостям, ограничивающим зону Джонса, отвечают большие значения структурного фактора (в то время, когда разрабатывался описываемый подход, ничего не было известно об относительных значениях формфактора псевдопотеициала) сама зона имеет довольно высокую симметрию, близкую к сферической, причем ее объем должен быть достаточен, чтобы принять соответствующее число электронов на примитивную ячейку, В структуре алмаза выбор зоны Джонса вполне естествен она образуется плоскостями, которые делят пополам вект( ы обратной решетки типа [220] 2п/а. Структурный фактор равен единице, и зона имеет точно такую же форму, как и зона Бриллюэна для объемноцентрированной кубической решетки (фиг. 21) симметрия ее действительно довольно близка к сферической и объем имеет требуемую величину. Однако теперь мы знаем и значения формфакторов псевдопотеициала они также характеризуют относительную важность различных плоскостей. Оказывается, что в кремнии формфактор обращается в нуль очень близко от этих плоскостей [24] это ставит под сомнение всю картину. [c.500]

Углерод является диэлектриком или полуметталлом (см. ниже) в зависимости от кристаллической структуры. Кремний и германий — полупроводники (см. гл. 28). Олово может иметь как металлическую (белое олово), так и полупроводниковую (серое олово) фазу. Серое олово обладает структурой алмаза, а белое имеет объемноцентрированную тетрагональную решетку с двухатомным базисом. Его поверхность Ферми была рассчитана и определена экспериментально она также представляет собой не слишком сильно искаженную поверхность свободных электронов. [c.304]

Кроме полупроводников, структура которых является производной от структуры алмаза и которые образуются путем заполнения дополнительных мест в этой решетке, существуют полупроводники с дефектными структурами на основе структур сфалерита и вюртцита. Это соединения четвертого типа. Они образуются при замене атомов А из II подгруппы на атомы из III подгруппы и изменении их числа с трех на два для сохранения общего числа электронов в молекуле. С точки зрения правила нормальной валентности и правила Музера-Пирсона такое изменение роли не играет — в обоих случаях rig = 24, Nb = 3, Nbb = 0. Однако число валентных электронов на атом становится больше 4 (24/5 = 4.8). Такая ситуация приводит к образованию дефектной тетраэдрической структу- [c.80]

Ковалентные соединения. Бинарные соединения из элементов Ш-У и II-VI групп при подобранных концентрацрмх компонентов содержат в среднем 4 валентных электрона на атом. Кристаллическая структура многих из этих соединений напоминает структуру алмаза. Прототипом для многих таких соединений служит сфалерит, или цинковая обманка (гп8). Второй характерной для полупроводников структурой является структура вюрцита (тоже 7п8). [c.24]

Металлическое состояние. Основанием для выделения М, в отд. класс веществ служит деление всех веществ по электрич. свойствам на проводники и изоляторы (полупроводники и полуметаллы занимают промежуточное положение). М.— проводники. Однако нек-рые элементы в зависимости от кристаллич. структуры могут быть проводниками (М.), изоляторами (ди- лектриками), полупроводниками или полуметаллами. Примеры 8п (белое олово — М., серое — полупроводник) С (графит — полуметалл, алмаз — диэлектрик, см. Полиморфизм). В результате можно говорить о металлич. состоянии вещества, понимая под этим такое состояние, при к-ром в теле есть достаточно большое кол-во коллективизиров. подвижных электронов (электронов проводимости или свободных электронов), причём их подвижность не есть результат термич. возбуждения если тело в данном состоянии существует вплоть до Г = о К, то и при Т = О К в нем есть электроны проводимости. Наличие электронов проводимости — оояэат. признак структуры М. Представление о М. как о веществе, состоящем из положит, ионов и свободных электронов, достаточно точно отражает строение реальных М. Электроны компенсируют силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ионами, и тем самым свявывают их в твёрдое тело или жидкость. Электроны проводимости определяют не только электрич., магн., оптич. и др. типично электронные свойства, но и их теплопроводность, а при низких темп-рах — теплоёмкость. Значительна роль электронов в сжимаемости М. и др. механич. характеристиках, их наличие делает М. пластичным. [c.113]

В стандартной зонной схеме твёрдых тел в диэлектриках и полупроводниках заполненные зоны отделены от пустых запрещённой зоной (анерге-тич. щель) Sg, а в металлах есть зоны, заполненные частично, и электроны могут двигаться по этим зонам в слабом электрич. поле (см. Зонная теория). Структура зов в однозлектронном приближении связана с симметрией кристаллич. решётки. П. м.— д. может быть связан с изменением решётки, т. е. со структурным фазовым переходом. Такова природа П. м.— д. во мн. квазиодномерных соединениях и кеазидвумерных соединениях (слоистых). В этом случае переход паз. Пайерлса переходом или переходом с образованием волны зарядовой плотности. С изменением симметрии решётки связаны П. м.— д. и в др. веществах, напр. переход белого олова в серое ( оловянная чума ). С изменением ближнего порядка связаны П. м.— д., происходящие при плавлении мн. полупроводников (см. Дальний и ближний порядок). Так, в Ое И 31, имеющих в твёрдой фазе решётку типа алмаза, при плавлении меняется ближний порядок и они становятся жидкими металлами. [c.577]

Текстуры элементарных диполей. В 1959 г. было установлено наличие пьезоэффекта в р— -переходе у гер.маппя [19], что можно рассматривать как предельный случай текстуры элементарных диполей вида допор — акцептор. Эти данные были впоследствии подтверждены и для других полупроводников. Важно отметить, что в данном случае реализуется нецентросимметричное упорядочение зарядов — элементарных диполей, формирующих р— -переход в слое протяженностью от нескольких десятков до нескольких сотен элементарных ячеек в центросимметричной матричной структуре (в данном случае—типа алмаза). [c.36]

В книге помещены переводы статей, опубликованных в зарубежной периодической печати в последние годы. В I части книги рассматривается атомная структура различных дефектов в кристаллах полупроводников с решеткой алмаза и цинковой обманки (сфалерита) полные и частичные дислокации, дефекты упаковки, дислокации несоответствия, а также наклонные границы, в том числе двойниковые границы высокого порядка. Во II чаети описаны структура и происхождение некоторых типов дефектов, встречающихся главным образом в эпитаксиальных пленках дефекты упаковки, микродвойниковые ламели и более сложные дефекты типа трипирамид , воэникновение которых обусловливается многократным двойникованием. [c.335]

Рис. 1. Рассчитанное распределение заряда химически активных валентных электронов [9]. Представлены контуры равной плотности заряда при наличии примесного атома азота в идеальном кристалле алмаза (й) й кремния (б). Будучи более электроотрицательным, чем атомы углерода, атом азота в алмазе притягивает к себе электроны. Распределение заряда на связях между двумя атомами углерода и между атомами углерода и азота имеет характерную двугорбую структуру, которой соответствуют пары замкнутых контуров между атомами. Этого нет в других тетраэдрических полупроводниках, например в кремнии, где ковалентные связи характеризуются одним максимумом заряда между атомами. Обширные междоузельные области фактически пусты и образуют периодическук сетку электронного заряда, характерную для диэлектриков и полупроводникоа. В металлах заряд распределен более равномерно. Расчеты проводились методом функционала локальной плотности с использованием псевдопотенциалов, Для описания дефекта (примесного атома азота) применялся метод рассеяния функций Грина,

Перейдем теперь к обсуждению опытов [42, 43], касающихся оптических свойств полупроводниковых кристаллов со структурой типа алмаза или типа цинковой обманки. На фиг. 41 приведены экспериментальные результаты для коэффициента отражения, а также для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости 1п8Ь. Приведенные зависимости типичны для. рассматриваемой группы полупроводников. На кривых ясно различаются три участка (области энергий 1, 2 и 3 на фиг. 41). В области 1 наблюдаются пере.ходы между валентной зоной и зоной проводимости. В области 2 кристалл ведет себя почти как система свободных электронов. Наконец, область 3 соответствует вступлению в игру переходов из ( -зоны (если таковая имеется) в зоны про-водимости. В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением оптических свойств только в областях энергий 2 и 5. [c.281]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...