4. Как изменится проводимость кремния при легировании его фосфором?
КРЕМНИЙ(Silicium) Si,химический элементIV гр. периодич. системы, ат. н. 14, ат. м. 28,0855. Состоит из трех стабильныхизотопов28Si (92,27%),29Si (4,68%) и30Si (3,05%). Поперечное сечение захвата тепловыхнейтронов1,3.10-29 м2. Конфигурация внеш. электронной оболочки 3s23p2;степень окисления+4 (наиб. устойчива), +3, +2 и +1; энергии ионизации при последоват. переходе от Si° к Si4+соотв. 8,1517, 16,342, 33,46 и 45,13 эВ;сродство к электрону1,22 эВ;электроотрицательностьпо Полингу 1,8;атомный радиус0,133,ионный радиусSi4+(в скобках указаны координац. числа) 0,040 нм (4), 0,054 нм (6), ковалентный - 0,1175 нм. Si-второй послекислородапо распространенности в земной коре элемент (27,6% по массе).
Кремний – полупроводник ширина
запрещенной зоны 1,21 эВ при т-ре ок. 0 К и
1,09 эВ при 300 К. В отличие от металлов, при
низкой температуре он практически не
проводит электрический ток из-за малого
количества свободных электронов и
дырок. Для того чтобы в кремнии появились
свободные носители заряда, нужно заменить
часть атомов Si на атомы, у которых число
валентных электронов либо больше, чем
у Si (такие как фосфор), либо меньше (такие
как бор). Эта процедура, называемая
легированием, позволяет контролировать
концентрацию свободных электронов или
дырок в той или иной области образца.
Легируют монокристаллынепосредственно в процессе выращивания.
Для получения однородныхмонокристаллов,
легированныхфосфором,
их часто облучают медленныминейтронами[
].
Если число примесных атомов (например, донорного фосфора) не велико, то “лишние” электроны остаются локализованными вблизи “своих” ядер. К слову, спиновые состояния ядер фосфора в кремнии или орбитальные состояния электронов в однократно ионизированной паре доноров P2+:Si предложили использовать в качестве базисных состояний спиновых и зарядовых кубитов. С ростом концентрации доноров электронные волновые функции перекрываются все сильнее и в итоге формируют орбитали, делокализованные по всему образцу. Поэтому проводимость, как и в металле, становится отличной от нуля даже при T → 0, несмотря на беспорядок, создаваемый хаотически расположенными примесными атомами.
Изменение электропроводности может быть связано изменением
концентрации носителей заряда и их скорости. Как показали
эксперименты в большинстве случаев в полупроводниках основным
фактором является изменение концентрации носителей заряда. Особенно
сильно концентрация носителей заряда зависит от концентрации
введенной примеси (обычно говорят от степени легирования).
Следует обратить внимание на тот факт, что при увеличении концентрации
примеси на 9 порядков, проводимость образца возрастает на 8 порядков, т.е.
существует почти линейная зависимость между проводимостью и концентрацией примеси.
Легирование влияет не только на величину электропроводности, но и
на ее температурную зависимость. В области высоких температур электропроводность легированного материала стремится к электропроводности нелегированного. В области низких температур проводимость изменяется незначительно, имея слабо выраженный максимум. Для сильно легированных кристаллов проводимость изменяется с температурой подобно проводимости металлов.
Наличие в кристалле примесей и дефектов приводит к появлению в
запрещенной зоне энергетических уровней, положение которых зависит от
типа примеси или дефекта. Для управления электрическими свойствами
полупроводников в них специально вводят примеси (легируют). Так
введение в элементарный полупроводник IV группы периодической системы
элементов, Si, примеси элементов V группы (доноров), т.е. фосфор, приводит
к появлению дополнительных электронов и соответственно преобладанию
электронной проводимости (n - тип), введение элементов III группы, т.е. бор,
приводит к появлению дополнительных дырок (p-тип).
Введение донорной примеси приводит к увеличению концентрации
электронов, поскольку энергия связи электронов с примесным атомом
меньше, чем с основным атомом решетки, то ему легче оторваться.
В последнее десятилетие именно кремний исследователи использовали для проверки идей и концепций, касающихся различий диэлектрического и металлического состояний, вообще, и проводимости легированных полупроводников, в частности.