Список литературы 47

1. Электрофизические свойства полупроводников

1. Основные свойства полупроводников

Полупроводник – вещество, основным свойством которого является сильная зависимость удельного сопротивления от воздействия внешних факторов: температуры, электрического и магнитного полей, светового и ионизирующего излучения.

При комнатной температуре удельное сопротивление полупроводников лежит в пределах от 10^–4 до 10¹⁰ Ом·см. Полупроводники, как правило, твердые тела с регулярной кристаллической структурой – монокристаллы. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. Например, у германия (Ge) и кремния (Si) решетка состоит из тетраэдров с расстоянием между смежными атомами около 0,25 нм.

Связь атомов в кристаллической решетке обусловлена специфическими силами, возникающими в результате попарного объединения валентных электронов смежных атомов. Такая связь (при которой каждый из атомов остается нейтральным) называется ковалентной.

Регулярность структуры кристалла приводит к зависимости его свойств от направления в кристаллической решетки, т. е. анизотропии. Направление в решетке принято задавать с помощью кристаллографических осей и кристаллографических плоскостей. Эти оси и плоскости обозначают трехзначными индексами Миллера.

Применительно к простейшей кубической решетке соотношения между кристаллическими плоскостями и индексами Миллера приведены на рис. 1.1.

Кроме кристаллических существуют аморфные вещества, т.е. бесструктурные. Их характерная особенность – отсутствие однозначной температуры плавления: переход от жидкого состояния к твердому осуществляется плавно и сопровождается постепенным увеличением вязкости. Так же плавно происходит переход от твердого состояния к жидкому.

Рис. 1.1. Кристаллографические плоскости

Типичными представителями являются разного рода стекла, в том числе обычное стекло на основе двуокиси кремния (SiO₂).

Из числа полупроводников к аморфным телам относятся халькогенидные стекла – соединения кремния с халькогенидными элементами: вольфрамом, теллуром и др. Производство аморфных полупроводников значительно дешевле и проще, чем монокристаллических. Кроме того, они меньше подвержены радиационным эффектам. Однако из-за плохой воспроизводимости и стабильности свойств они находят ограниченное применение.

2. Дефекты кристаллической решетки

Структура кристалла никогда не бывает идеальной – ни в объеме, ни тем более на поверхности. Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (рис. 1.2) или междуузельного атома (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Пустой узел Рис. 1.3. Междуузельный атом

Это дефекты точечного типа. Распределение точечных дефектов по кристаллу обычно близко к равномерному.

Л

Рис. 1.4. Примесные дефекты

юбой реальный полупроводник содержит примеси – либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Каждый примесный атом равносилен точечному дефекту решетки. Примесные атомы (рис. 1.4) могут располагаться между узлами решетки – примесь внедрения (1) или в узлах вместо основных атомов – примесь замещения (2).

У атомов, расположенных на поверхности кристалла, часть ковалентных связей неизбежно нарушается из-за отсутствия «соседей» по другую сторону границы раздела. Количество нарушенных связей зависит от кристаллографической ориентации поверхности. Например, для кремния в плоскости (111) оказывается оборванной одна из четырех связей, а в плоскости (100) – две (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Нарушение ковалентных связей на поверхности

Как следствие, электрофизические параметры приповерхностного слоя заметно отличаются от параметров объема. Поэтому приповерхностный слой следует рассматривать как особую область кристалла. Эта область играет важную роль в полупроводниковых приборах и микроэлектронике, поскольку ее элементы расположены непосредственно под поверхностью, а размеры рабочих областей часто соизмеримы с толщиной приповерхностного слоя.