4.4 Точечные дефекты и физические свойства кристаллов
собственные дефекты кристаллической структуры
вакансии - незанятые атомами или ионами узлы решетки;
междоузельные атомы -
собственные атомы кристалла, находящиеся в междоузельных пустотах решетки;
антиструктурные дефекты в
кристаллических соединениях (бинарные кристаллы МХ) - собственные атомы кристалла, занимающие несвойственные им узлы в чужой подрешетке (МХ — атом М на месте атома Х или ХМ — атом Х на месте атома М)
примесные дефекты кристаллической структуры
примеси замещения - чужеродные атомы, заменяющие атомы в узлах решетки или заполняющие ее вакансии;
примеси внедрения - чужеродные атомы, занимающие междоузлия решетки или заменяющие собственные междоузельные атомы.
Устойчивое местоположение дефекта в решетке определяется двумя факторами
энергетическим (результат стремления системы к минимуму свободной энергии)
Энергетический фактор зависит от соотношения сил притяжения и отталкивания, обусловленного близостью электронных конфигураций дефекта и атомов решетки.
В связи с этим, примеси замещения в соединении МХ стремятся занять узлы более близких к ним по химической природе атомов решетки: атомы металлов занимают узлы М, а неметаллов — узлы Х.
геометрическим (необходимость выполнения определенных соотношений между эффективными размерами дефекта и соответствующего для него места в решетке)
Геометрический фактор может стать определяющим для атомов внедрения (примесных или собственных) в плотноупакованных решетках (гексагональной и гранецентрированной кубической), где объем междоузельных пустот относительно невелик.
Электронная структура дефекта определяет его электрическое поведение в кристалле.
Если, кроме необходимого для закрепления в решетке числа валентных электронов, дефект имеет один или несколько избыточных электронов то возможно образование подвижных электронов проводимости. Такой дефект - донор, а создаваемая им проводимость — электронная (n-типа).
Если для закрепления в решетке дефекту недостает собственных валентных электронов, то недостающие электроны он забирает из валентных связей между основными атомами кристалла с образованием одной или нескольких положительно заряженных пустот в этих связях - дырок. Такой дефект - акцептор, а создаваемая ими проводимость —
дырочной (p-типа).
Примесь, способную выполнять функции и донора, и акцептора в зависимости от ее положения в решетке одного и того же кристалла,
называют амфотерной примесью.
Общие
Доноры
больше
Для п/п кристаллов Si и Ge (IV группы) атомы элементов V группы (P, As, Sb) – доноры, а элементов III группы (B, Al, Ga) - акцепторы.
для GaAs (типа AIIIBV) атомы Si и Ge - амфотерная примесь:: донор
при размещении в подрешетке Ga и акцептор в подрешетке As.
Атомы внедрения в междоузельях:
|
Доноры - если их внешняя |
|
|
В противном случае - Акцепторы |
|
|
электронная оболочка |
|
|
|
|
|
|
(неметаллы). |
|
|
заполнена меньше, чем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
наполовину (металлы) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вакансии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Доноры - если число неспаренных |
|
|
В противном случае - Акцепторы |
|
электронов вблизи вакансии < 1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
числа валентных электронов, |
|
|
|
|
|
|
|
имеющихся в аналогичном месте |
|
|
|
|
|
|
|
совершенного кристалла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В кристалле GaAs насыщенная связь между Ga и As создается с помощью 8 валентных электронов.
Вакансия Ga, окружена 5 неспаренными e атомов As, для связывания с ними может принимать электроны, заряжаясь отрицательно - акцептор.
Вакансия As, окруженная 3 неспаренными e атомов Ga – донор.
4.8 Управление собственными дефектами путем отжига кристаллов в парогазовой среде
М(г) МХ X2(г)
Пренебрежем влиянием примесей и будем считать, что среди собственных дефектов преобладающую роль играют дефекты по Шоттки VM и VX, причем VM действует как акцептор, а VX — как донор.
0 |
V |
|
V |
X |
|
|
|
M |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
V |
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
|
M |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
V |
|
e |
|
|
|
|
X |
|
|
|
M |
|
|
|
|
|
|
n [VM ] p [VX ]
KШ(T ) = [VМ][VХ]
[V ] p K VM (T ) M
[VM ]
|
|
[V ] n |
K V |
(T ) |
X |
|
|
|
X |
|
[V |
] |
|
|
|
|
X |
|
0 e e
уравнение равновесия кристалла с газом, содержащим избыточные атомы М
уравнение равновесия кристалла с газом, содержащим избыточные атомы Х
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
V |
|
|
X |
|
( Г ) |
|
К |
|
(T ) p |
1/2 |
[V |
] |
|
|
|
|
|
|
X |
X |
|
2 |
|
X |
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
X |
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.
. Комбинация квазихимических реакций дает общую реакцию диссоциа-
ции твердого вещества МХ на газовые компоненты:
При Т = const нельзя независимо регулировать парциальные давления рМ и рX2 , т.е. управляемым параметром является одно из этих давлений.
Исследуем качественно влияние парциального давления при изотермическом отжиге полупроводника на концентрацию электронов и дырок в нем
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стехиометрия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кристалла сохраняется |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
р |
М |
p |
X2 |
MX |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.
Компенсированный полупроводник
