Физика конденсированного состояния Электронный учебно-методический комплекс Презентации к

Физика конденсированного состояния Электронный учебно-методический комплекс Презентации к лекционному курсу Сильно легированные и некристаллические полупроводники МОСКВА 2012 НИУ «МЭИ»

Сильно легированные полупроводники • Сильнолегированный полупроводник – кристаллический полупроводник, в котором примесные атомы (ионы) хаотически распределены в решетке, а их концентрация N превышает некоторую критическую концентрацию Nкр.

Сильно легированные полупроводники • При достаточно большой концентрации примесей примесная зона продолжает расширяться, и при некоторой критической концентрации Nкp она сливается как с зоной проводимости, так и с валентной зоной. • Плотность состояний оказывается отличной от 0 практически во всей запрещенной зоне полупроводника ( «хвосты» плотности состояний). При этом газ носителей заряда уже не подчиняется статистике Больцмана; он становится вырожденным и подчиняется статистике Ферми.

Зависимость плотности примесных состояний от их энергии

• При сильном легировании электрон взаимодействует одновременно с несколькими примесными атомами, количество и координаты которых из-за хаотического распределения различны в разных частях кристалла. В результате потенциальная энергия U примесных электронов приобретает случайный характер, приводящий к гофрировке зон

Энергия носителей заряда в поле примесей при сильном легировании полупроводника

• «Хвосты» плотности состояний и их флуктуационный характер проявляются в электропроводности (прыжковая проводимость), в фотопроводимости (гигантское увеличение времени жизни носителей заряда), в электролюминесценции р - ппереходов и гетеропереходов и др.

• Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие).

• При N>Nкp нарушается ионизационнопримесное равновесие, т. е. возникает отклонение от равенства = N. Это обусловлено образованием примесных кластеров (комплексов). Комплексообразование может приводить к изменению концентрации носителей и положения примесных уровней примеси в запрещенной зоне

Зависимость концентрации носителей п 0 от концентрации примесей N

Отметим основные особенности сильно легированных полупроводников • СЛП могут рассматриваться как плохо проводящие металлы, и в тех, и в других веществах уровень Ферми находится в зоне проводимости (напомню, что полупроводник, уровень Ферми в котором расположен в зоне проводимости, в валентной зоне или в запрещенной зоне в пределах энергии, равной k. T, от ее границ, называют вырожденным); • в СЛП, так же как и в металле, зона проводимости оказывается частично заполненной электронами даже при абсолютном нуле;

Основные особенности сильно легированных полупроводников • в СЛП примесные уровни в запрещенной зоне сливаются друг с другом и образуют примесную зону, смыкающуюся с дном зоны проводимости в полупроводниках nтипа или с потолком валентной зоны в полупроводниках р-типа; • в СЛП наиболее вероятными центрами рассеяния являются ионы примеси;

Основные особенности сильно легированных полупроводников • в СЛП р-типа уровень Ферми расположен вблизи валентной зоны, поэтому концентрация дырок в валентной зоне велика и почти все ловушки пустые. В этом случае время жизни электроннодырочной пары определяется захватом электронов (концентрация которых мала) на уровень ловушки: как только электрон будет захвачен ловушкой, она мгновенно заполнится одной из дырок, число которых велико; как и в материале n- типа, время жизни электроннодырочных пар контролируется временем захвата неосновных носителей;

Основные особенности сильно легированных полупроводников • в СЛП п- или р-типа и – постоянные, не зависящие от концентраций носителей тока; • в СЛП, также как и в слаболегированных при низких температурах, преобладающим механизмом рассеяния является рассеяние на примесях и дефектах, однако в СЛП возникает дополнительное поглощение, обусловленное свободными носителями

Основные особенности сильно легированных полупроводников • Весьма важным свойством СЛП вообще и, в частности, германия является независимость постоянной Холла от температуры в широком температурном интервале

Основные особенности сильно легированных полупроводников • Вследствие этого, а также из-за особенностей энергетических зон сильно легированного полупроводника при обратных и небольших (около 100 м. В) прямых напряжениях появляется так называемый туннельный ток, объясняемый квантово-механическим туннельным эффектом. При этом эффекте частица (электрон) способна преодолеть потенциальный барьер, создаваемый встречным электрическим полем области пространственного заряда и превышающий ее кинетическую энергию. В обычных (слабо легированных) рп-переходах условия возникновения туннельного эффекта не выполняются, поэтому туннельный ток в них отсутствует

Квантово-механический туннельный эффект

Чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным, чтобы обеспечить такой наклон зон, при котором заполненные электронами уровни валентной зоны оказались напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны, а ширина потенциального барьера сравнима с длиной волны де-Бройля электрона.

Напряжение туннельного пробоя сравнительно слабо зависит от температуры. Однако с ростом температуры ширина запрещенной зоны германия и кремния уменьшается, вероятность туннелирования возрастает, и величина критической напряженности поля уменьшается. Поэтому напряжение туннельного пробоя уменьшается. Поскольку напряжение, при котором возникает лавинный и туннельный пробой достаточно стабильно, этот эффект используется для создания приборов, падение напряжения на которых остается стабильным при изменении тока – стабилитронов.

Энергетические диаграммы сильно легированных полупроводников

Некристаллические полупроводники • Проблема неупорядоченных полупроводников относится к одной из наиболее интересных и наименее изученных областей физики конденсированных сред. Наибольших успехов теория конденсированных сред добилась в приложении к крайне идеализированному объекту – монокристаллическому состоянию вещества.

Некристаллические полупроводники • С другой стороны, очевидно, что монокристаллы встречаются несравненно реже, чем неупорядоченные системы – микро- и нанокристаллы, неупорядоченные сплавы, аморфные и стеклообразные материалы.

Некристаллические полупроводники • Во многих случаях к перечисленным материалам оказываются неприменимы основные положения физики монокристаллов, поскольку последние основаны на существовании периодической кристаллической решетки или, иначе говоря, на существовании трансляционной симметрии

Некристаллические полупроводники • Физика и технология приборов, основанных на некристаллических полупроводниках, в настоящее время активно развиваются. К таким приборам, прежде всего, относятся: • фотоэлектрические преобразователи энергии (солнечные батареи) на основе гидрогенезированного аморфного и микрокристаллического кремния и его сплавов; • матрицы тонкопленочных транзисторов для управления жидкокристаллическими дисплеями и телевизионными экранами; • устройства для записи и обработки оптической и голографической информации:

Аморфные и стеклообразные полупроводники • аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников. Они характеризуются наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка

Аморфные и стеклообразные полупроводники • Потеря дальнего порядка приводит к исчезновению на дифракционных картинах резких рефлексов, свойственных кристаллам. Таким образом, имеется и экспериментальный метод разграничения кристаллических и некристаллических тел.

Некристаллические полупроводники

Некристаллические полупроводники • При наличии дальнего порядка в расположении атомов потенциальная энергия носителей заряда, двигающихся в суммарном поле атомов, является периодической функцией координат. Нарушение дальнего порядка приводит к нарушению этой периодичности

Некристаллические полупроводники • Исходя из этого, можно дать следующее определение: неупорядоченными называются материалы, в которых потенциальная энергия носителей заряда является непериодической функцией координат.

Зависимость потенциальной энергии носителей заряда от координаты в случае кристалла (а) и неупорядоченного материала (б) E E а x б x

Некристаллические полупроводники • В качестве критерия используется изменение средней энергии носителей заряда ΔЕ, связанное с нарушением дальнего порядка. Поскольку в невырожденных полупроводниках средняя энергия электронов равняется k. T (k – постоянная Больцмана), то в случае ΔЕ<<k. T нарушения дальнего порядка мало влияют на энергетический спектр носителей заряда и материал является кристаллическим. Если же ΔЕ≥k. T материал относится к неупорядоченным системам.

К неупорядоченным системам относятся: • жидкие полупроводники; • некристаллические полупроводники; • сильно легированные кристаллические полупроводники; • поверхность кристаллических полупроводников; • неупорядоченные кристаллические полупроводниковые сплавы

Выделяют три механизма проводимости, которые преобладают в различных температурных интервалах: • перенос носителей заряда, возбужденных за край подвижности, по делокализованным состояниям; • прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованные состояния вблизи краев подвижности; • прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям

Некристаллические полупроводники • Особенности аморфных и стеклообразных полупроводников связаны с особенностями энергетического спектра электронов. Наличие энергетических областей с высокой и низкой плотностями электронных состояний – следствие ближнего порядка. Поэтому можно условно говорить о зонной структуре некристаллических веществ.

Некристаллические полупроводники • Однако разупорядоченность структуры приводит к появлению дополнительных разрешенных электронных состояний, плотность которых N(E) спадает в глубь запрещенной зоны, образуя "хвосты" плотности состояний.

Зависимость плотность разрешенных электронных состояний от энергии

Некристаллические полупроводники • По аналогии с кристаллическими полупроводниками, расстояние между краями подвижности называется запрещенной зоной (или щелью) по подвижности. Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие). • Максимумы N(E), обусловленные дефектами структуры, могут возникать внутри щели и перекрываться друг с другом, как и сами "хвосты"

Структуры запрещенных зон некристаллических полупроводников

Некристаллические полупроводники • Выделяют три механизма проводимости, которые преобладают в различных температурных интервалах: • перенос носителей заряда, возбужденных за край подвижности, по делокализованным состояниям. При этом статическая проводимость в широком температурном интервале определяется выражением

Некристаллические полупроводники • прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованнын состояния вблизи краев подвижности

Некристаллические полупроводники • прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям вблизи на расстоянии, увеличивающиеся при уменьшении Т:

Некристаллические полупроводники • Подвижность носителей заряда мала (10 -510 -8 см 2 В-1 с-1) и зависит от напряженности электрического поля и толщины образца, что связывают либо с многократным захватом носителей на локализованные состояния, распределенные по определенному закону, либо с прыжковым переносом

Некристаллические полупроводники • Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на халькогенидные, оксидные, органические, тетраэдрические. Наиболее подробно изучены халькогенидные стеклообразные (ХСП) и элементарные тетраэдрические (ЭТАП).

Некристаллические полупроводники • ХСП получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. К ним относятся Se и Те, а также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы халькогенидов (сульфидов, селенидов в теллуридов) разл. металлов (напр. , As-S - Se, As- Ge-Se-Те, As-Sb-S-Se, Ge-Pb-S). ЭТАП (аморфные Ge и Si) получают чаще всего ионным распылением в разл. водородсодержащих атмосферах или диссоциацией содержащих их газов (в частности, Si. H 4 или Ge. H 4) в высокочастотном разряде.

Некристаллические полупроводники • Для многих халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) характерен эффект переключения – быстрый (~10 -10 с) обратимый переход из высокоомного состояния (1) в низкоомное (2) под действием сильного электрического поля 105 В см-1.

Некристаллические полупроводники • прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованные состояния вблизи краев подвижности. В этом случае

ВАХ ХСП в условиях "эффекта переключения"

Некристаллические полупроводники • Это объясняется как инжекцией электронов и дырок из контакта и делокализацией захваченных носителей заряда, так и ростом температуры в шнуре тока. В ряде ХСП низкоомное состояние образца сохраняется длительно, а для возврата в высокоомное состояние необходимо пропустить через образец кратковременный импульс тока. Этот эффект памяти обусловлен частичной кристаллизацией ХСП в области токового шнура.

• Спасибо за внимание!