Лекція 4. Дефекти і локалізовані стани електронів в кристалах
1. Радіаційні дефекти
2. Дислокації
3. Домішкові атоми.
4. Елементарна теорія домішкових центрів
5. Екситони
6. Полярони
7. Задачі
Будь-яке відхилення від періодичної структури кристала має назву дефекту кристалічної ґратки. Властивості напівпровідників дуже чутливі до дефектів. Вони є визначальними для типу і концентрації вільних носіїв заряду; рухливості вільних носіїв при низьких температурах; процесів генерації, рекомбінації, прилипання нерівноважних носіїв; гальвано-, термомагнітних і термоелектричних явищ; взаємодії з випромінюванням (поглинання світла, фотопровідність, люмінесценція, стимульоване випромінювання тощо).
Класифікація дефектів. За геометричними ознаками: точкові, лінійні, плоскі, об’ємні, складні.
Точкові дефекти поділяються на власні (вакансії і міжвузлові атоми) і домішкові (стороні атоми у вузлах і міжвузлі).
Власні (теплові) дефекти – дефекти за Френкелем і дефекти за Шотткі.
Дефекти за Френкелем - атом з вузла переходить у міжвузля. Отже, утворюється відразу пара дефектів. Якщо число атомів N, а число міжвузлів N1, то концентрація дефектів
де z – кількість атомів, які оточують вакансію, тому n вакансій можна ототожнити з 3nz гармонічними осциляторами з частотою ν', а решту атомів у кристалі – з 3N-3nz осциляторів з частотою ν. При цьому ν' < ν, оскільки в околі вакансії квазіупружна сила взаємодії між сусідніми атомами менша, ніж в ідеальній ґратці.
Дефекти за Шотткі – атом з вузла виходить на поверхню кристала. Концентрація таких дефектів
Оцінки показують, що для NaCl
При значних концентраціях вакансій енергетично вигідним є утворення бівакансій, тривакансій, мікропустот.
Радіаційні дефекти
Точкові дефекти, утворені в твердих тілах при опроміненні швидкими електронами, протонами, нейтронами, іонами тощо, носять назву радіаційних дефектів.
Процеси:
а) пружні зіткнення швидких частинок з ядрами;
б) збудження електронів в атомах кристала та їх іонізація;
в) ядерні перетворення і перетворення їх в домішкові центри.
Існує порогова енергія, необхідна для переведення атома з вузла в міжвузля. Для більшості кристалів це Ed ≈ 25 еВ, якщо енергія зв’язку становить ~ 10 еВ. Якщо енергія зміщених атомів перевищує Ed, то вони в свою чергу можуть створювати вторинні атоми віддачі, вторинні третинні і т.д. до повної витрати енергії.
Дислокації
Виникають при вирощуванні кристалів чи при деформації зсуву, як наслідок ковзання атомних площин одна відносно одної. При цьому утворюється одна напівплощина, край якої і є лінійною дислокацією. В околі дислокації є області стиску і області розтягу ґратки.
Крім лінійних дислокацій існують гвинтові і криволінійні.
Легко дифундуючи, домішки накопичуються на дислокаціях. Дислокації створюють додаткові електронні стани в забороненій зоні енергій (як донори так і акцептори).
Лінійна дислокація утворює дислокаційну зону в забороненій зоні. З’являється розсіювання електронів провідності на дислокаціях і зменшення їхньої рухливості.