Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК

СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК

СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК - кристаллич. полупроводник, <в к-ром примесные атомы (ионы) хаотически распределены в решётке, а ихконцентрация N превышает нек-рую критич. концентрацию N _кр. С. п. представляет собой неупорядоченную систему примесей внутриупорядоченной монокристаллич. полупроводниковой матрицы.

При слабом легировании (см. Легирование полупроводников )примесныеатомы можно считать изолированными друг от друга. Волновые ф-ции электронови силовые поля U соседних примесных атомов (кулоновские для заряж. <примесей - ионов, упругие - для нейтральных атомов) не перекрываются (рис.1, а).

Рис. 1. Зависимость плотности примесных состояний от их энергии для слаболегированного полупроводника (а); при среднем уровне легирования(б); при сильном легировании (в).

Количественно условие слабого легирования выполняется при соблюдениинеравенств:

Здесь - ср. расстояние между соседними примесными атомами, а _Б - боровскийрадиус примесного атома в кристалле, r₀ - радиус экранированиякулоновского потенциала примесного иона электрич. полем противоположнозаряженных свободных носителей заряда. Неравенство (1) определяет отсутствиеперекрытия волновых ф-ций электронов, неравенство (2) - силовых полей соседнихатомов примеси:

Здесь -диялектрич. проницаемость кристалла. Величина r₀ зависитот концентрации свободных носителей заряда п ₀, т. е. <от концентрации примесей TV. Для случаев невырожденного и полностью вырожденногогаза носителей заряда соответственно

где m* - эфф. масса носителей заряда.

С увеличением концентрации примесей N условия (1) и (2) нарушаются. <Сначала перестаёт выполняться неравенство (2), т. к. по мере увеличения N примесные атомы сближаются и электрон, локализованный в потенциальнойяме U у одного из них, начинает испытывать воздействие со сторонысоседних атомов. При этом энергетич. уровень примесного электрона несколькосмещается, но примесные уровни остаются дискретными. Смешение уровней зависитот взаимного расположения примесных атомов. Хаотичность последнего приводитк разбросу примесных уровней относительно дна зоны проводимости и потолка валентной в разных частях кристалла. Это проявляется в уширении примесного уровня, <наз. классическим (рис. 1,б).

При дальнейшем увеличении N нарушается неравенство (1). Из-заперекрытия волновых ф-ций электронов соседних атомов дискретные уровниуширяются настолько, что преобразуются в примесную зону. Пока в полупроводникесохраняются уширенные примесные уровни либо обособленная от и примесная зона, уровень легирования относят к среднему (или промежуточному).При достаточно большой концентрации примесей полностью нарушаются оба неравенства. <Примесная зона продолжает расширяться, и при нек-рой критич. концентрации N _кp она сливается как с зоной проводимости, так и с валентнойзоной (рис. 1,в). Плотность состояний оказывается отличной от 0 практическиво всей запрещённой зоне полупроводника («хвосты» плотности состояний).При этом газ носителей заряда уже не подчиняется статистике Больцмана;он становится вырожденным и подчиняется статистике Ферми.

При сильном легировании электрон взаимодействует одновременно с неск. <примесными атомами, кол-во и координаты к-рых из-за хаотич. распределенияразличны в разных частях кристалла. В результате потенц. энергия U примесныхэлектронов приобретает случайный характер, приводящий к гофрировке зон(рис. 2).

«Хвосты» плотности состояний и их флуктуац. характер проявляются в электропроводности(см. Прыжковая проводимость, Протекания теория), в фотопроводимости (гигантское увеличение времени жизни носителей заряда), в электролюминесценции р - п-переходов и гетеропереходов и др.

Рис. 2. Энергия носителей заряда в поле примесей при сильном легированииполупроводника.

Рис. 3. Зависимость концентрации носителей п ₀ от концентрациипримесей N в случае образования нейтральных (1) и заряженных (2) примесно-дефектиыхкомплексов.

При N>N _кp нарушается ионизационно-примесное равновесие, <т. е. возникает отклонение от равенства n₀ = N. Этообусловлено образованием примесных кла=стеров (комплексов). Комплексообразованиеможет приводить к изменению концентрации носителей и положения примесныхуровней примеси в запрещённой зоне. Зависимость n₀(N )(рис.3) при этом имеет вид:

где К(Т) - константа взаимодействия примесных атомов, m - число легирующих примесных атомов в кластере, q - электрич. <заряд кластера. При малых N зависимость (6) переходит в n₀= N; при больших N и нейтральных кластерах

Для отрицат. кластера с m = 1 (взаимодействие атома примеси с к.-л. <иным точечным дефектом) кривая (6) в области сильного легирования выходитна плато:

переходящее при q= -1 в соотношение

Заряд q может быть только отрицательным, ибо при q = +1кластеры не уменьшают, а при qn₀ сверх введённой концентрации примесей N, что невозможно. Комплексообразованиеоказывает заметное влияние на процессы рассеяния и захвата носителей заряда, <оптич., механич. и др. свойства. Основанное на комплексообразовании формированиесложных примесно-дефектных центров, обладающих отличным от атомов легирующейпримеси энергетич. и рекомбинац. характеристиками, используют в практикелегирования для придания материалу новых свойств.

Лит.: Фистуль В. И., Сильно легированные полупроводники, М.,1967; Фистуль В. И., Гринштейн П. М., Р ы т о в а Н. С., О политронии легирующихпримесей в полупроводниках, «ФТП», 1970, т. 4, с. 84; Fair R. В., WеberG. R., Effect of complex formation on diffusion of arsenic in silicon,«J. Appl. Phys.», 1973, v. 44, p. 273; Бонч-Бруевич В. Л., К а л а ш ни к о в С. Г., Физика полупроводников, М., 1977; Шкловский Б. И., ЭфросА. Л., Электронные свойства легированных полупроводников, М., 1979. В. И. Фистуль.