Сильнолегованих напівпровідник - кристалічні. напівпровідник. в к-ром домішкові атоми (іони) хаотично розподілені в решітці, а їх концентрація N перевищує недо-рую критич. концентрацію Nкр. С. п. Є неупорядковану систему домішок всередині впорядкованої монокрісталліч. напівпровідникової матриці.
При слабкому легуванні (див. Легування напівпровідників) домішкові атоми можна вважати ізольованими одна від одної. Хвильові функції електронів і силові поля U сусідніх домішкових атомів (кулонівських для заряджу. Домішок - іонів, пружні - для нейтральних атомів) не перекриваються (рис. 1, а).
Мал. 1. Залежність щільності домішкових станів від їх енергії для слаболегірованних напівпровідника (а); при середньому рівні легування (б); при сильному легуванні (в).
Кількісно умова слабкого легування виконується при дотриманні нерівностей:
Тут - пор. відстань між сусідніми домішковими атомами, АБ - борівський радіус примесного атома в кристалі, r0 - радіус екранування кулонівського потенціалу примесного іона електричні. полем протилежно заряджених вільних носіїв заряду. Нерівність (1) визначає відсутність перекриття хвильових функцій електронів, нерівність (2) - силових полів сусідніх атомів домішки:
Тут-діялектріч. проникність кристала. Величина r0 залежить від концентрації вільних носіїв заряду п0. т. е. від концентрації домішок TV. Для випадків невиродженого і повністю виродженого газу носіїв заряду відповідно
де m * - еф. маса носіїв заряду.
Зі збільшенням концентрації домішок N умови (1) і (2) порушуються. Спочатку перестає виконуватися нерівність (2), т. К. В міру збільшення N домішкові атоми зближуються і електрон, локалізований в потенційній ямі U у одного з них, починає відчувати вплив з боку сусідніх атомів. При цьому енергетичних. рівень примесного електрона кілька зміщується, але домішкові рівні залишаються дискретними. Змішання рівнів залежить від взаємного розташування домішкових атомів. Хаотичність останнього призводить до розкиду домішкових рівнів щодо дна зони провідності і стелі валентної в різних частинах кристала. Це проявляється в розширенні примесного рівня, наз. класичним (рис. 1, б).
При подальшому збільшенні N порушується нерівність (1). Через перекриття хвильових функцій електронів сусідніх атомів дискретні рівні розширюються настільки, що перетворюються в примесную зону. Поки в напівпровіднику зберігаються розширені домішкові рівні або відособлена оті примесная зона, рівень легування відносять до середнього (або проміжному). При досить великій концентрації домішок повністю порушуються обидва нерівності. Домішкова зона продовжує розширюватися, і при деякої критич. концентрації Nкp вона зливається як із зоною провідності, так і з валентною зоною (рис. 1, в). Щільність станів виявляється відмінною від 0 практично у всій забороненій зоні напівпровідника ( «хвости» щільності станів). При цьому газ носіїв заряду вже не підкоряється статистиці Больцмана; він стає виродженим і підпорядковується статистиці Фермі.
При сильному легуванні електрон взаємодіє одночасно з дек. домішковими атомами, кількість і координати яких брало через хаотичний. розподілу різні в різних частинах кристала. В результаті потенц. енергія U домішкових електронів набуває випадковий характер, що призводить до гофрування зон (рис. 2).
«Хвости» щільності станів і їх флуктуації. характер проявляються в електропровідності (див. Стрибкова провідність, Протікання теорія). в фотопровідності (гігантське збільшення часу життя носіїв заряду), в електролюмінесценції р - п-переходів і гетеропереходов і ін.
Мал. 2. Енергія носіїв заряду в полі домішок при сильному легуванні напівпровідника.
Мал. 3. Залежність концентрації носіїв п0 від концентрації домішок N в разі утворення нейтральних (1) і заряджених (2) домішково-дефект комплексів.
При N> Nкpнарушается іонізаційно-домішкові рівновагу, т. Е. Виникає відхилення від рівності n0 = N. Це обумовлено утворенням домішкових кла = стер (комплексів). Комплексоутворення може призводити до зміни концентрації носіїв і положення домішкових рівнів домішки в забороненій зоні. Залежність n0 (N) (рис. 3) при цьому має вигляд:
де К (Т) - константа взаємодії домішкових атомів, m - число легуючих домішкових атомів в кластері, q - електричні. заряд кластера. При малих N залежність (6) переходить в n0 = N; при великих N і нейтральних кластерах
Для отрицат. кластера з m = 1 (взаємодія атома домішки з до - л. іншим точковим дефектом) крива (6) в області сильного легування виходить на плато:
переходить при q = -1 в співвідношення
Заряд q може бути тільки негативним, бо при q = + 1 кластери не зменшують, а при q> +1 навіть повинні збільшувати n0 понад введеної концентрації домішок N. що неможливо. Комплексоутворення справляє помітний вплив на процеси розсіювання і захоплення носіїв заряду, оптич. механічні. і ін. властивості. Засноване на комплексообразовании формування складних домішково-дефектних центрів, що володіють відмінним від атомів легуючої домішки енергетичних. і рекомбінації. характеристиками, використовують в практиці легування для додання матеріалу нових властивостей.
Література по сильнолегованих напівпровідників
- Фістули В. І. Сильно леговані напівпровідники, М. 1967;
- Фістули В. І. Грінштейн П. М. Ритова Н. С. Про Політрон легуючих домішок в напівпровідниках, «ФТП», 1970, т. 4, с. 84;
- Fair R. В. Wеber G. R. Effect of complex formation on diffusion of arsenic in silicon, «J. Appl. Phys. », 1973, v. 44, p. 273;
- Бонч-Бруєвич В. Л. Калашников С. Г. Фізика напівпровідників, М. 1977;
- Шкловський Б. І. Ефрос А. Л. Електронні властивості легованих напівпровідників, М. 1979.
НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі теорії ефіру