Примесные уровни в германии и кремнии (определены термическим методом)

Примесь	Акцептор или донор	Энергия активации дырок ДЖа и электронов AWa, эВ
		Германий	Кремний
В	A	0,0104	0,045
А1	A	0,0102	0,057
Ga	A	0,0108	0,065
In	A	0,0112	0,160
Tl	A	—	0,025
Р	D	0,0120	0,044
As	D	0,0127	0,049
Sb	D	0,0096	0,039
Bi	D	—	0,069
Li	D	0,0093	0,033
Zn	A	0,0300; 0,0900	0,092; 0,300
Cd	A	0,0500; 0,1600	-
Mn	A D или А	0,1600 0,3700	—
Ni	A D или А	0,2200 0,3000	—
Co	A D или А	0,2500 0,3100	—
Fe	D D или А	0,3500 0,2700	—
Cu	A D или А	0,0400; 0,3300 0,2600	—
Pt	A D или А	0,0400; 0,2500 0,2000	—
Au	D A D или А	0,0500 0,1500; 0,0400 0,2000	0,390 0,300

Таким образом, ДИ^ представляет собой энергию активации (энергию образования) дырок в ВЗ полупроводника в результате теп­лового возбуждения (перехода) электронов из ВЗ на уровни акцеп­торной примеси; AW_R — это энергия активации электронов, пред­ставляющая собой энергию, необходимую для ионизации атомов ^пРИмеси, т.е. для теплового заброса электронов с уровней донорной ^пРИмеси в ЗП полупроводника.

261

В реальных полупроводниковых материалах существуют одно­временно акцепторная и донорная примеси. Поэтому тип электро­проводности определяется той примесью, концентрация которой бу­дет больше. Уровни акцепторной и донорной примесей размещаются на небольшом расстоянии от потолка ВЗ и дна ЗП соответствено Поэтому их называют мелкими уровнями. Кроме акцепторной и до­норной примесей существуют еще примеси амфотерная и нейтраль­ная.

Амфотерная примесь может играть роль акцепторов и доноров. Созданные ею в 33 дополнительные энергетические уровни, как правило, лежат далеко от дна ЗП и от потолка ВЗ и называются глу­бокими.

Нейтральная примесь не оказывает влияние на тип электропро­водности полупроводника.

Функции примеси могут осуществлять не только любые чуже­родные атомы, но и всевозможные дефекты кристаллической решет­ки полупроводника: вакантные узлы, атомы и ионы, находящиеся в междоузлиях; дислокации, возникающие при пластической дефор­мации, микротрещины и т.п. В полупроводниковых химических со­единениях роль примеси могут выполнять избыточные по сравне­нию со стехиометрическим составом атомы элементов, образующие данное химическое соединение (бертоллид). Однако управлять ти­пом и величиной электропроводности полупроводников с помощью указанных дефектов невозможно. Чтобы получить полупроводнико­вые материалы с минимально возможным содержанием дефектов (в том числе случайных примесей), после чего их легируют опреде­ленным химическим элементом заданной концентрации. Возмож­ность управления типом и величиной электропроводности полупро­водниковых материалов лежит в основе работы практически всех полупроводниковых приборов.

Примесь замещения. Рассмотрим роль примеси замещения на примере простого полупроводника кремния Si, являющегося эле­ментом IV группы таблицы Д.И.Менделеева и имеющего структуру алмаза. Химическая связь между атомами Si ковалентная и осущест­вляется четырьмя валентными электронами (рис. 8.2, а). Если атом Si в каком-либо узле решетки заместить атомом трехвалентного эле­мента, например бора В (см. рис. 8.2, б), имеющего всего три валент­ных электрона, то у него для связи с соседними атомами кремния недостает одного электрона, который «заимствуется» у атома Si. Не­обходимая для этого энергия A W_a a 0,045 эВ меньше, чем та, которая требуется для разрыва ковалентной связи между атомами кремния (ЛИ^/= 1,12 эВ). При этом в решетке образуется дырка, которая под действием приложенного напряжения начинает перемещаться по на­правлению электрического поля, обусловливая электропроводность /?-типа. Следовательно, для кремния трехвалентный бор является ак­цепторной примесью замещения.

Если же атом Si заместить атомом пятивалентного элемента, на­пример мышьяка As (см. рис. 8.2, в), то четыре его валентных элек-

262

Рис. 8.2. Кристаллическая решетка кремния:

о — без легирующей примеси; б — с акцепторной примесью — бором В; в — с донорной при­месью — мышьяком As

трона будут связаны с атомами кремния, а один (пятый) окажется «лишним». Этот пятый электрон не участвует в образовании химиче­ской связи в кристалле кремния. Он продолжает движение вокруг атома (иона) As, электрическое поле которого в кремнии ослаблено в г~ 12,5 раза (е — диэлектрическая проницаемость Si). Вследствие ослабления поля радиус орбиты этого электрона увеличивается в 12,5 раза, а энергия связи его с атомами As уменьшается примерно в е² к 151 раз, становясь равной АИ^ » 0,049 эВ. Получив такую энер­гию электрон отрывается от атома As и приобретает способность свободно перемещаться по кристаллу (переходит в ЗП). Такие избы­точные электроны создают электропроводность л-типа. Поэтому мышьяк для кремния является донорной примесью замещения.

Роль примеси замещения в полупроводниковых химических со­единениях играют не только чужеродные, но также собственные,из­быточные по сравнению со стехиометрическим составом. Например, в полупроводниковом химическом соединении карбида кремния SiC (общая формула A^1VB^1V) избыточные атомы кремния обусловли­вают электропроводность л-типа, а избыточные атомы углерода — электропроводность р-типа.

Примесь внедрения. — это такая примесь, атомы которой внедря­ются в междоузлие решетки полупроводникового материала. В дан­ном случае тип электропроводности примесного полупроводника бу­дет определяться размером и электроотрицательностью атомов примеси внедрения. Например, атом химического элемента I группы таблицы Д.И. Менделеева Li имеет ббльший размер, чем атом Si (см. рис. 1.4), но меньшую электроотрицательность (см. табл. 1.1). Поэто­му атом Li, внедряясь в междоузлие решетки кремния, легко теряет свой единственный валентный электрон, обусловливая электропро­водность л-типа. Только потеряв электрон и в результате этого Уменьшив свой размер, атом Li может внедриться в междоузлие ре-

Шетки кремния.

Таким образом, литий для кремния является донорной примесью внедрения. Если в решетку кремния внедрить атом кислорода (эле­мент VI группы), имеющего сравнительно небольшой размер (см.

263

табл. 1.3), но большую электроотрицательность (см. табл. 1.1), чем кремний, то он «захватит» электрон у атома Si. В результате образу­ется электропроводность /ьтипа. Следовательно, кислород для крем­ния является акцепторной примесью внедрения.

Из сказанного следует, что примеси как замещения, так и вне­дрения, могут выступать в роли акцепторов и доноров, обусловливая у примесного полупроводникового материала электропроводность р-и «-типа, соответственно.

При высоком содержании легирующей примеси ширина запрещенной зоны Д{р полупроводника начинает уменьшаться с дальнейшим ростом концентрации примеси. Это явление связано прежде всего с тем, что при концентрации примеси более 10²⁴ м""³ среднее расстояние между атомами примеси становится меньше 10 нм, которое сравни­мо с длиной волны электрона. В результате этого происходит перекрытие волновых функций электронов, что приводит к расщеплению примесных уровней в примесные подзоны. Таким образом, у сильнолегированных полупроводников единый примесный уровень доноров расщепляется в примесную подзону, которая перекрывается с ЗП\ при этом Д W полупроводника уменьшается на некоторую величину. Например, у кремния с электропроводностью л-типа и концентрацией донорной примеси Л[ц = 10 ⁵ м~³ при Т = 292 К ДИ^ уменьшается на 0,083 эВ.