- •1) Электронная конфигурация внешних оболочек атомов и типы сил связи в твердых телах.
- •2) Структуры важнейших полупроводников - элементов aiv, avi и соединений типов аiiiвv,
- •3) Симметрия кристаллов.
- •4)Трансляционная симметрия кристаллов.
- •5) Базис и кристаллическая структура.
- •6) Элементарная ячейка.
- •7) Примитивная ячейка.
- •8) Ячейка Вигнера—Зейтца. Решетка Браве.
- •Решетки Бравэ
- •9) Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле.
- •10) Обратная решетка, ее свойства.
- •11) Зона Бриллюэна.
- •Характерные точки зоны Бриллюэна
- •Интересные особенности
- •12) Примеси и структурные дефекты в кристаллических и аморфных полупроводниках.
- •13) Химическая природа и электронные свойства примесей.
- •14) Точечные, линейные и двумерные дефекты.
- •Источники и стоки точечных дефектов
- •Комплексы точечных дефектов
- •Одномерные дефекты
- •Двумерные дефекты
- •Трёхмерные дефекты
- •21) Основные приближения зонной теории.
- •22) Волновая функция электрона в периодическом поле кристалла.
- •23) Зона Бриллюэна.
- •24) Энергетические зоны.
- •25) Эффективная масса.
- •Эффективная масса для некоторых полупроводников
- •26) Плотность состояний.
- •Определение
- •27) Уравнения движения электронов и дырок во внешних полях.
- •28) Искривление энергетических зон в электрическом поле.
- •29) Связь зонной структуры с оптическими свойствами полупроводника.
- •30) Уровни энергии, создаваемые примесными центрами в полупроводниках.
- •31) Доноры и акцепторы.
- •32) Мелкие и глубокие уровни.
- •33) Водородоподобные примесные центры.
- •42) Проводимость, постоянная Холла и термо-эдс. По характеру проводимости. Собственная проводимость
- •Примесная проводимость
- •43) Дрейфовая скорость, дрейфовая и холловская подвижности, фактор Холла.
- •44) Дрейфовый и диффузионный ток.
- •45) Соотношение Эйнштейна.
- •46) Механизмы рассеяния носителей заряда в неидеальной решетке.
- •47) Взаимодействие носителей заряда с акустическими и оптическими фононами.
- •48) Рассеяние носителей заряда на заряженных и нейтральных примесях.
- •49) Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда.
- •50)Уравнение кинетики рекомбинации.
- •51) Времена жизни.
- •52) Фотопроводимость.
- •53) Механизмы рекомбинации.
- •54) Излучательная и безызлучательная рекомбинация.
- •55) Межзонная рекомбинация.
- •56) Рекомбинация через уровни примесей и дефектов.
- •57) Центры прилипания.
- •59) Схема энергетических зон в контакте металл-полупроводник.
- •60) Обогащенные, обедненные и инверсионные слои пространственного заряда вблизи контакта.
- •61) Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки.
- •62) Энергетическая диаграмма р-п перехода.
- •63) Инжекция неосновных носителей заряда в р-п переходе.
- •64) Гетеропереходы.
- •65) Энергетические диаграммы гетеропереходов.
13) Химическая природа и электронные свойства примесей.
Если примесные атомы принадлежат группе периодической системы, которая отличается больше нежели на единицу от группы основного вещества полупроводника, то система локальных уровней
энергии оказывается сложнее. При этом, во-первых, появляются два или несколько разных уровней энергии для одного и того же атома. И, во-вторых, возникают глубокие уровни энергии.
Рассмотрим, например, медь, которая создает в германии три акцепторных уровня, удаленных на 0,04 и 0,33 эВ от верха валентной зоны ,и на 0,26 эВ от дна зоны проводимости. Это значит, что атом меди может присоединить к себе три электрона. Присоединение первого электрона (из числа электронов, образующих валентные связи в кристалле) требует наименьшей энергии Е1 — Ev — 0,04 эВ. При этом атом меди превращается в отрицательный ион Cu- и одновремейно образуется подвижная положительная дырка. Поэтому мы можем также сказать, что этот электронный переход есть отрыв связанной дырки от акцептора, на что необходима энергия ионизации 0,04 эВ. Для отрыва захваченного электрона от иона Cu- и перевода его в подвижное состояние необходима наименьшая энергия 0,79—0,04 = 0,75 эВ, где 0,79 эВ есть ширина запрещенной зоны германия (при 0К).
Рассмотрим, например, элементы II группы Zn и Cd. Их атомы имеют по два валентных электрона: (4s)2 и, соответственно, (5s)2. Однако для образования завершенных тетраэдрических связей в германии необходимо четыре электрона. Недостаток двух электронов приводит к образованию двух дырок, связанных с этими атомами, и поэтому они являются двойными акцепторами.
Элементы Мп (VII группа) и Fe, Co, Ni (VIII группа) все имеют на самой внешней оболочке по два электрона (4s)2. По-видимому, именно эта пара электронов и участвует в образовании валентных связей. Но тогда опять для завершения валентных связей не хватает двух электронов, и атомы этих элементов тоже являются двойными акцепторами.
Элементы I группы Си, Ag и Аu имеют по одному валентному электрону: (4s), (5s) и (6s). Поэтому при узельном положении этих атомов с ними связаны три дырки, и они являются тройными акцепторами. Однако у Аu обнаруживается еще и донорный уровень, связанный с возможностью отщепления валентного электрона.
Рассмотрим, наконец, еще пример Те (VI группа). Он имеет шесть валентных электронов (5s)2 (5p)4, в то время как для завершения валентных связей их необходимо только четыре. В соответствии с этим узельные атомы теллура создают в германии два донорных уровня.
14) Точечные, линейные и двумерные дефекты.
Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько разновидностей дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.
К нульмерным (или точечным) дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.
вакансия — свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки.
Собственный межузельный атом — атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки.
Примесный атом замещения — замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы.
Примесный атом внедрения — атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках — это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии.
В кристаллах часто наблюдаются также комплексы, состоящие из нескольких точечных дефектов, например: пара Френкеля (вакансия + собственный междоузельный атом), дивакансия (вакансия + вакансия), А-центр (вакансия + атом кислорода в кремнии и германии) и др.
Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределена между разными атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что он займет соседнее положение в решетке. Так осуществляется миграция (перемещение) точечных дефектов в объеме кристаллов.
Если один из атомов, окружающих вакансию, переместится в вакантный узел, то вакансия соответственно переместится на его место. Последовательные элементарные акты перемещения определенной вакансии осуществляются разными атомами. На рисунке показано, что в слое плотноупакованных шаров (атомов) для перемещения одного из шаров в вакантное место он должен раздвинуть шары 1 и 2. Следовательно, для перехода из положения в узле, где энергия атома минимальна, в соседний вакантный узел, где энергия также минимальна, атом должен пройти через состояние с повышенной потенциальной энергией, преодолеть энергетический барьер. Для этого и необходимо атому получить от соседей избыток энергии, который он теряет, «протискиваясь» в новое положение. Высота энергетического барьера Em называется энергией активации миграции вакансии.