2 Основные электрофизические свойства Ge и Si. Мелкие акцепторные и донорные уровни. Спектральный диапазон оптической прозрачности чистого кремния.

2.1 Электрофизические свойства кремния. Акцепторные и донорные уровни

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии принормальных условияхсоставляет порядка 1,5·10¹⁰ см⁻³.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор,алюминий,галлий,индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы, таких, какфосфор,мышьяк,сурьма. Из-за меньшей диэлектрической проницаемости и большей эффективной массы носителей заряда энергия ионизации мелких доноров и акцепторов в кремнии существенно выше, чем в германии, и для большинства примесей составляет около 0,05 эВ.

• Диэлектрическая проницаемость- 12,5

• Подвижность электронов - 0,14 м²/(В·c).

• Подвижность дырок - 0,05 м²/(В·c).

• Ширина запрещённой зоны:0 К – 1,165 эВ; 300 К – 1,2 эВ

• Время жизни свободных электронов: 5 нс — 10 мс

• Длина свободного пробега электрона: порядка 0,1 см

• Длина свободного пробега дырки: порядка 0,02 — 0,06 см

• Удельная теплоемкость (0 – 100 °C) Дж/(кг·К) - 710

2.2 Электрофизические свойства германия. Акцепторные и донорные уровни

Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т.е. часто встречается в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольшом количестве. Его содержание в земной коре примерно 0,0007%, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец ,и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и ряда других элементов.

Германий обладает относительно высокой температурой плавления (936°C) и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Отмеченное обстоятельство существенно упрощает технику кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Даже в расплавленном состоянии германий практически не взаимодействует с графитом и кварцевым стеклом, что позволяет использовать их в качестве тигелей и лодочек при проведении металлургических процессов. Жидкий германий обладает способностью интенсивно поглощать водород, предельная растворимость которого в твердой фазе не превышает ,причем водовод является электрически нейтральной примесью.

• Диэлектрическая проницаемость: 16

• Подвижность электронов - 0,39 м²/(В·c).

• Подвижность дырок - 0,19 м²/(В·c).

• Ширина запрещённой зоны при: 0 К – 0,746 эВ; 300 К – 0,665 эВ

• Удельная теплопроводность, Вт/(м·К) - 55

• Удельная теплоёмкость (0 – 100 °C), Дж/(кг·К) - 333

• Работа выхода электронов, эВ – 4,8

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей.

Процесс введения примесей в основной материал называют легированием. В качестве доноров и акцепторов наиболее часто используют, в основном, элементы V и III групп Периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0,01 эВ.