Квазихимический метод описания дефектов

Содержание

Слайд 2

Квазихимический метод (система обозначений)

VM и VX — вакансии в подрешетках M и

Квазихимический метод (система обозначений) VM и VX — вакансии в подрешетках M
Х (например, VGa и VAs);
[VM] и [VX] — концентрация вакансий в подрешетках M и Х;

M+I и X−I — ионизованные междоузельные атомы M и Х;
[M+I ] и [X−I ] — концентрация ионизованных междоузельных атомов M и Х;

M — элементарный полупроводник (например Ge, Si);
MX — бинарный полупроводник типа AIIBVI и AIIIBV (ZnS, GaAs);

MI и XI — междоузельные атомы M и Х (например, GaI и AsI);
[MI] и [XI] — концентрация междоузельных атомов M и Х ( [GaI] и [AsI]);

V−M и V+X — заряженные вакансии в подрешетках M и Х (V−Ga и V+As);
[V−M ] и [V+X] — концентрация заряженных вакансий в подрешетках M и Х;

Слайд 3

D и A — донорный и акцепторный атомы (например, P и B

D и A — донорный и акцепторный атомы (например, P и B
в Si);
[D] и [A] — концентрация донорных и акцепторных атомов;

[e−] ≡ n — концентрация электронов;
[e+] ≡ p — концентрация дырок.

D+ и A− — донорный и акцепторный ионы (например, P+ и B− в Si);
[D+] и [A−] — концентрация донорных и акцепторных ионов;

Слайд 4


Процессы ионизации донорного атома D с образованием неподвижного иона D+ и

Процессы ионизации донорного атома D с образованием неподвижного иона D+ и подвижного
подвижного электрона е−

Процессы ионизации акцепторного атома А с образованием неподвижного иона А− и подвижной дырки е+

константа равновесия процессов ионизации донора

константа равновесия процесса ионизации акцептора

Слайд 5

Процесс ионизации вакансий

константы равновесия процессов ионизации вакансий

Процесс ионизации собственного атома кристалла

Процесс ионизации вакансий константы равновесия процессов ионизации вакансий Процесс ионизации собственного атома
находящегося
в междоузлье

константа равновесия процессов ионизации атома кристалла
находящегося в междоузлье

Слайд 6

4.5 Электронно-дырочное равновесие в полупроводниках

Собственный полупроводник

Ki(Т ) = ni pi

ni

4.5 Электронно-дырочное равновесие в полупроводниках Собственный полупроводник Ki(Т ) = ni pi
= pi

Условие электронейтральности

Межзонное возбуждение

Слайд 7

определим собственную концентрацию носителей заряда

Vкрист.= const → тепловая генерация носителей заряда в

определим собственную концентрацию носителей заряда Vкрист.= const → тепловая генерация носителей заряда
п/п происходит в изохорно-изотермических условиях (объём кристалла постоянен)


Собственная концентрация носителей заряда является параметром конкретного полупроводника, зависящим только от температуры.
ni = 2,4 ⋅ 1013 см−3 (Ge), ni = 1,5 ⋅ 1010 см−3 (Si) и ni = 1,8 ⋅ 106 см−3 (GaAs)

Слайд 8

1 — тепловое межзонное возбуждение с одновременным («парным») возникновением электрона и дырки

1 — тепловое межзонное возбуждение с одновременным («парным») возникновением электрона и дырки

2 — ионизация донорной примеси с образованием только электрона в зоне проводимости (без «парной» дырки) в результате его отрыва от донорного центра;

3 — ионизация акцепторной примеси с образованием только дырки в валентной зоне (без «парного» электрона) в результате захвата электрона акцепторным центром.

Примесный полупроводник

Слайд 9

KD(T ) = [D+] n / [D]

KА(T ) = [А−] р

KD(T ) = [D+] n / [D] KА(T ) = [А−] р
/ [А]

ΔЕD > 0 ΔЕA > 0

n + [A−] = p + [D+]

[D] + [D+] = ND

[A] + [A−] = NA

ΔЕD = Ec − ED
ΔЕA = EA − Ev

глубина залегания донорного и акцепторного уровней.

скорость нарастания KD(Т ) и KА(Т ) меньше, чем Ki(T ), т.к. ΔЕD и ΔЕA < ΔЕg .

При Т ↑ KD(T) и KA(T) ↑

Слайд 10

4.6 Растворимость примесей в полупроводниках с учетом ионизации примесных атомов

найдем закономерности:
-

4.6 Растворимость примесей в полупроводниках с учетом ионизации примесных атомов найдем закономерности:
взаимного влияния примесей при легировании п/п из газовой фазы,
- влияние температуры на растворимость легирующих примесей при ионном механизме растворения.

pD = [ DГ ] RT

[ D ] = sD (T ) pD

где sD(T ) = K1(T ) / RT — коэффициент растворимости - закон Генри

pD = [ D2Г ] RT

[ D ] = sD (T ) pD1/2

sD(T ) = [K2 (T ) / RT ]1/ 2

закон Сиверста

Слайд 11

Тепловая ионизация донорных центров порождает ионы D+

Т = const

примеси одного типа

Тепловая ионизация донорных центров порождает ионы D+ Т = const примеси одного
(или доноры, или акцепторы) при растворении в полупроводнике взаимно уменьшают растворимость друг друга, а раство-римость примесей противоположного типа взаимно увеличивают

1

Слайд 12

Исследуем температурную зависимость растворимости ND(Т ), считая, что полупроводник n-типа находится в

Исследуем температурную зависимость растворимости ND(Т ), считая, что полупроводник n-типа находится в
равновесии с газовой фазой, содержащей донорную примесь при парциальном давлении pD = const.

1. Область низких температур - все атомы примеси практически неионизо-ваны [ D+ ] <<  [ D ]  Растворимость описывается зак-ми Генри и Сиверста

2. Область средних и высоких температур - практически вся примесь ионизована [ D ] << [ D+ ]

2

Слайд 13

Температурную зависимость, описываемую общей формулой (2), проана-лизируем для двух частных случаев.

1. Средние

Температурную зависимость, описываемую общей формулой (2), проана-лизируем для двух частных случаев. 1.
температуры

Средние температуры вносят малый вклад процесса межзонного возбуждения в концентрацию подвижных носителей заряда

р ≈ 0

n ≈ [ D+ ]

с ростом температуры растворимость ND увеличивается

Слайд 14

Высокие температуры обеспечивают определяющий вклад процесса межзонного возбуждения в концентрацию подвижных носителей

Высокие температуры обеспечивают определяющий вклад процесса межзонного возбуждения в концентрацию подвижных носителей
заряда

Высокие температуры

[ D+ ] << р

n ≈ р ≈ ni

n = [ D+ ] + р

Так как ΔED < ΔEg / 2 , то величина ND(Т ) уменьшается с ростом температуры

Слайд 16

Для каждой пары примесь−полупроводник при определенной температуре Tпред существует предельная растворимость Nпред

Для каждой пары примесь−полупроводник при определенной температуре Tпред существует предельная растворимость Nпред
, выше которой невозможно обеспечить концентрацию данной примеси в полупроводнике.

Рассмотрим Si с температурой плавления Tпл = 1420 °С

P (донорная примесь) имеет Nпред = 1 ⋅1021 см−3 при Tпред = 1180 °С

B (акцепторная примесь) имеет Nпред = 6 ⋅1020 см−3 при Tпред = 1250 °С

Слайд 17

Молекулярное (з-н Генри) и атомарное (з-н Сиверста) растворение газа в конденсированной среде

Молекулярное (з-н Генри) и атомарное (з-н Сиверста) растворение газа в конденсированной среде

Слайд 18

4.7 Внутреннее равновесие собственных и примесных дефектов

В реальных кристаллах ввиду плотной упаковки

4.7 Внутреннее равновесие собственных и примесных дефектов В реальных кристаллах ввиду плотной
кристаллической решетки преобладает механизм Шоттки

Механизмы формирования собственных дефектов.

Механизм Шоттки

Механизм Френкеля

Слайд 19

VM

MS

MM

реакции растворения вакуума

KШ(Т ) = [VM]

KШ(T ) = [VМ][VХ]

VM MS MM реакции растворения вакуума KШ(Т ) = [VM] KШ(T )

В полупроводниковом соединении МХ с ионными связями вакансии по механизму Шоттки возникают одновременно в двух подрешетках (катионной и анионной).

Механизм Шоттки

Слайд 20

VM

MI

MM

KФМ(Т ) = [MI][VМ]

KФX(Т ) = [XI][VХ]

В бинарном п/п соединении

VM MI MM KФМ(Т ) = [MI][VМ] KФX(Т ) = [XI][VХ] В
МХ
дефекты по Френкелю возникают в двух подрешетках

Механизм Френкеля

KФX(Т )1/2 = [VM] = [VХ]

Слайд 21

Рассмотрим бинарный полупроводник МХ, из собственных дефектов которого будем учитывать только вакансии

Рассмотрим бинарный полупроводник МХ, из собственных дефектов которого будем учитывать только вакансии
в подрешетках М и Х, воз-никающие по механизму Шоттки.

реакция ионизации вакансий в подрешетке М

реакция ионизации вакансий в подрешетке X

KШ(T ) = [VМ][VХ]

Слайд 22

Увеличение концентрации донорных примесей приводит к уменьшению концентрации донорных вакансий и увеличению

Увеличение концентрации донорных примесей приводит к уменьшению концентрации донорных вакансий и увеличению
концентрации акцепторных вакансий.

Т = const

Общее правило взаимного влияния заряженных собственных и примесных дефектов в кристаллах:

- концентрация ионизованной примеси или собственного дефекта возрастает, когда присутствуют ионизованные дефекты противоположного знака, при этом повышается концентрация этих дефектов;

- если дефекты имеют заряды одного знака, то их равновесные концентрации взаимно снижаются.