Сильно легированные и некристаллические полупроводники презентация

Твердотельная электроника Сильно легированные и некристаллические полупроводники

Сильно легированные полупроводники Сильнолегированный полупроводник – кристаллический полупроводник, в котором примесные атомы (ионы) хаотически распределены в решетке, а их концентрация N превышает некоторую критическую концентрацию Nкр.

Сильно легированные полупроводники При достаточно большой концентрации примесей примесная зона продолжает расширяться, и при некоторой критической концентрации Nкp она сливается как с зоной проводимости, так и с валентной зоной. Плотность состояний оказывается отличной от 0 практически во всей запрещенной зоне полупроводника («хвосты» плотности состояний). При этом газ носителей заряда уже не подчиняется статистике Больцмана; он становится вырожденным и подчиняется статистике Ферми.

Зависимость плотности примесных состояний  от их энергии

При сильном легировании электрон взаимодействует одновременно с несколькими примесными атомами, количество и координаты которых из-за хаотического распределения различны в разных частях кристалла. В результате потенциальная энергия U примесных электронов приобретает случайный характер, приводящий к гофрировке зон При сильном легировании электрон взаимодействует одновременно с несколькими примесными атомами, количество и координаты которых из-за хаотического распределения различны в разных частях кристалла. В результате потенциальная энергия U примесных электронов приобретает случайный характер, приводящий к гофрировке зон

Энергия носителей заряда в поле примесей при сильном легировании полупроводника

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

Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие). Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие).

При N>Nкp нарушается ионизационно-примесное равновесие, т.е. возникает отклонение от равенства = N. Это обусловлено образованием примесных кластеров (комплексов). Комплексообразование может приводить к изменению концентрации носителей и положения примесных уровней примеси в запрещенной зоне При N>Nкp нарушается ионизационно-примесное равновесие, т.е. возникает отклонение от равенства = N. Это обусловлено образованием примесных кластеров (комплексов). Комплексообразование может приводить к изменению концентрации носителей и положения примесных уровней примеси в запрещенной зоне

Зависимость концентрации носителей п0 от концентрации примесей N

Отметим основные особенности сильно легированных полупроводников СЛП могут рассматриваться как плохо проводящие металлы, и в тех, и в других веществах уровень Ферми находится в зоне проводимости (напомню, что полупроводник, уровень Ферми в котором расположен в зоне проводимости, в валентной зоне или в запрещенной зоне в пределах энергии, равной kT, от ее границ, называют вырожденным); в СЛП, так же как и в металле, зона проводимости оказывается частично заполненной электронами даже при абсолютном нуле;

Основные особенности сильно легированных полупроводников в СЛП примесные уровни в запрещенной зоне сливаются друг с другом и образуют примесную зону, смыкающуюся с дном зоны проводимости в полупроводниках n-типа или с потолком валентной зоны в полупроводниках р-типа; в СЛП наиболее вероятными центрами рассеяния являются ионы примеси;

Основные особенности сильно легированных полупроводников в СЛП р-типа уровень Ферми расположен вблизи валентной зоны, поэтому концентрация дырок в валентной зоне велика и почти все ловушки пустые. В этом случае время жизни электронно-дырочной пары определяется захватом электронов (концентрация которых мала) на уровень ловушки: как только электрон будет захвачен ловушкой, она мгновенно заполнится одной из дырок, число которых велико; как и в материале n- типа, время жизни электронно-дырочных пар контролируется временем захвата неосновных носителей;

Основные особенности сильно легированных полупроводников в СЛП п- или р-типа и – постоянные, не зависящие от концентраций носителей тока; в СЛП, также как и в слаболегированных при низких температурах, преобладающим механизмом рассеяния является рассеяние на примесях и дефектах, однако в СЛП возникает дополнительное поглощение, обусловленное свободными носителями

Основные особенности сильно легированных полупроводников Весьма важным свойством СЛП вообще и, в частности, германия является независимость постоянной Холла от температуры в широком температурном интервале

Основные особенности сильно легированных полупроводников Вследствие этого, а также из-за особенностей энергетических зон сильно легированного полупроводника при обратных и небольших (около 100 мВ) прямых напряжениях появляется так называемый туннельный ток, объясняемый квантово-механическим туннельным эффектом. При этом эффекте частица (электрон) способна преодолеть потенциальный барьер, создаваемый встречным электрическим полем области пространственного заряда и превышающий ее кинетическую энергию. В обычных (слабо легированных) рп-переходах условия возникновения туннельного эффекта не выполняются, поэтому туннельный ток в них отсутствует

Квантово-механический туннельный эффект

Некристаллические полупроводники Проблема неупорядоченных полупроводников относится к одной из наиболее интересных и наименее изученных областей физики конденсированных сред. Наибольших успехов теория конденсированных сред добилась в приложении к крайне идеализированному объекту – монокристаллическому состоянию вещества.

Некристаллические полупроводники С другой стороны, очевидно, что монокристаллы встречаются несравненно реже, чем неупорядоченные системы – микро- и нанокристаллы, неупорядоченные сплавы, аморфные и стеклообразные материалы.

Некристаллические полупроводники Во многих случаях к перечисленным материалам оказываются неприменимы основные положения физики монокристаллов, поскольку последние основаны на существовании периодической кристаллической решетки или, иначе говоря, на существовании трансляционной симметрии

Некристаллические полупроводники Физика и технология приборов, основанных на некристаллических полупроводниках, в настоящее время активно развиваются. К таким приборам, прежде всего, относятся: фотоэлектрические преобразователи энергии (солнечные батареи) на основе гидрогенезированного аморфного и микрокристаллического кремния и его сплавов; матрицы тонкопленочных транзисторов для управления жидкокристаллическими дисплеями и телевизионными экранами; устройства для записи и обработки оптической и голографической информации:

Аморфные и стеклообразные полупроводники аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников. Они характеризуются наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка

Аморфные и стеклообразные полупроводники Потеря дальнего порядка приводит к исчезновению на дифракционных картинах резких рефлексов, свойственных кристаллам. Таким образом, имеется и экспериментальный метод разграничения кристаллических и некристаллических тел.

Некристаллические полупроводники

Некристаллические полупроводники При наличии дальнего порядка в расположении атомов потенциальная энергия носителей заряда, двигающихся в суммарном поле атомов, является периодической функцией координат. Нарушение дальнего порядка приводит к нарушению этой периодичности

Некристаллические полупроводники Исходя из этого, можно дать следующее определение: неупорядоченными называются материалы, в которых потенциальная энергия носителей заряда является непериодической функцией координат.

Зависимость потенциальной энергии носителей заряда от координаты в случае кристалла (а) и неупорядоченного материала (б)

Некристаллические полупроводники В качестве критерия используется изменение средней энергии носителей заряда ΔЕ, связанное с нарушением дальнего порядка. Поскольку в невырожденных полупроводниках средняя энергия электронов равняется kT (k – постоянная Больцмана), то в случае ΔЕ<<kT нарушения дальнего порядка мало влияют на энергетический спектр носителей заряда и материал является кристаллическим. Если же ΔЕ≥kT материал относится к неупорядоченным системам.

К неупорядоченным системам относятся: жидкие полупроводники; некристаллические полупроводники; сильно легированные кристаллические полупроводники; поверхность кристаллических полупроводников; неупорядоченные кристаллические полупроводниковые сплавы

Выделяют три механизма проводимости, которые преобладают в различных температурных интервалах: перенос носителей заряда, возбужденных за край подвижности, по делокализованным состояниям; прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованные состояния вблизи краев подвижности; прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям

Некристаллические полупроводники Особенности аморфных и стеклообразных полупроводников связаны с особенностями энергетического спектра электронов. Наличие энергетических областей с высокой и низкой плотностями электронных состояний – следствие ближнего порядка. Поэтому можно условно говорить о зонной структуре некристаллических веществ.

Некристаллические полупроводники Однако разупорядоченность структуры приводит к появлению дополнительных разрешенных электронных состояний, плотность которых N(E) спадает в глубь запрещенной зоны, образуя "хвосты" плотности состояний.

Зависимость плотность разрешенных электронных состояний от энергии

Некристаллические полупроводники По аналогии с кристаллическими полупроводниками, расстояние между краями подвижности называется запрещенной зоной (или щелью) по подвижности. Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие). Максимумы N(E), обусловленные дефектами структуры, могут возникать внутри щели и перекрываться друг с другом, как и сами "хвосты"

Структуры запрещенных зон некристаллических полупроводников

Некристаллические полупроводники Выделяют три механизма проводимости, которые преобладают в различных температурных интервалах: перенос носителей заряда, возбужденных за край подвижности, по делокализованным состояниям. При этом статическая проводимость  в широком температурном интервале определяется выражением

Некристаллические полупроводники прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованнын состояния вблизи краев подвижности

Некристаллические полупроводники прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям вблизи на расстоянии, увеличивающиеся при уменьшении Т:

Некристаллические полупроводники Подвижность носителей заряда мала (10-5-10-8 см2 В-1с-1) и зависит от напряженности электрического поля и толщины образца, что связывают либо с многократным захватом носителей на локализованные состояния, распределенные по определенному закону, либо с прыжковым переносом

Некристаллические полупроводники Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на халькогенидные, оксидные, органические, тетраэдрические. Наиболее подробно изучены халькогенидные стеклообразные (ХСП) и элементарные тетраэдрические (ЭТАП).

Некристаллические полупроводники ХСП получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. К ним относятся Se и Те, а также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы халькогенидов (сульфидов, селенидов в теллуридов) разл. металлов (напр., As-S - Se, As- -Ge-Se-Те, As-Sb-S-Se, Ge-S-Se, Ge-Pb-S). ЭТАП (аморфные Ge и Si) получают чаще всего ионным распылением в разл. водородсодержащих атмосферах или диссоциацией содержащих их газов (в частности, SiH4 или GeH4) в высокочастотном разряде.

Некристаллические полупроводники Для многих халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) характерен эффект переключения – быстрый (~10-10 с) обратимый переход из высокоомного состояния (1) в низкоомное (2) под действием сильного электрического поля 105 В см-1.

Некристаллические полупроводники прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованные состояния вблизи краев подвижности. В этом случае

ВАХ ХСП в условиях "эффекта переключения"

Некристаллические полупроводники Это объясняется как инжекцией электронов и дырок из контакта и делокализацией захваченных носителей заряда, так и ростом температуры в шнуре тока. В ряде ХСП низкоомное состояние образца сохраняется длительно, а для возврата в высокоомное состояние необходимо пропустить через образец кратковременный импульс тока. Этот эффект памяти обусловлен частичной кристаллизацией ХСП в области токового шнура.

Спасибо за внимание! Спасибо за внимание!