Ионизации примесных

Часть из образовавшихся в процессе ионизации электронов захватывается ловушками и не участвует в процессе электропроводности. Если температура диэлектрика в процессе облучения повышается, то происходит ионизация ловушек, захваченные электроны освобождаются, концентрация носителей заряда возрастает и радиационная проводимость увеличивается. Ее рост описывается формулой

Как известно из курса физики, энергетический спектр твердого тела имеет зонную структуру. Энергетические уровни атомов, объединенных в кристаллическую структуру, расщепляются, образуя зоны разрешенных энергетических состояний, отделенные друг от друга запрещенными зонами — энергетическими интервалами, состояния внутри которых не могут быть заняты частицами. Электрофизические свойства твердого тела определяются характером расположения двух верхних энергетических зон, образовавшихся в результате расщепления энергетических уровней валентных электронов (валентная зона) и уровней возбуждения и ионизации электронов атомов (зона проводимости). На энергетических диаграммах веществ, обладающих свойствами полу-

Как известно из курса физики, энергетический спектр твердого тела имеет зонную структуру. Энергетические уровни атомов, объединенных в кристаллическую структуру, расщепляются, образуя зоны разрешенных энергетических состояний, отделенные друг от друга запрещенными зонами — энергетическими интервалами, состояния внутри которых не могут быть заняты частицами. Электрофизические свойства твердого тела определяются характером расположения двух верхних энергетических зон, образовавшихся в результате расщепления энергетических уровней валентных электронов (валентная зона) и уровней возбуждения и ионизации электронов атомов (зона проводимости). На энергетических диаграммах веществ, обладающих свойствами полу-

мущественную роль в процессе ударной ионизации электронов.

ствием поля. Область быстрого роста тока (3) соответствует ударной ионизации электронов, туннелирую-щих через барьер. Высоковольтная омическая область определяется эффективным пробоем всех барьеров.

7.2. Зависимость коэффициентов ионизации электронов и дырок от напряженности поля в кремнии при комнатной температуре

где ап — скорость ионизации электронов (среднее число ионизирующих соударений электронов на единицу дли-132

Аналогичное выражение имеет коэффициент умножения и для инжектированного дырочного тока. Обратная связь между коэффициентом умножения и приложенным напряжением, обусловленная присутствием носителей двух типов, приводит к нелинейному возрастанию коэффициента умножения при увеличении напряжения. Для уменьшения обратной связи надо, чтобы; фототок состоял из носителей с большой скоростью ионизации. Следовательно, желательно иметь материал, для которого, отношение скоростей ионизации электронов и дырок велико во всем интервале ионизирующих полей. В таких материалах будет меньше и время нарастания лавины.

В настоящее время широкое применение в диапазоне длин волн 1,0... 1,6 мкм получили германиевые лавинные фотодиоды, которые имеют высокий квантовый выход, слабо зависящий от температуры. Их основным недостатком являются большие темновые токи, сильна возрастающие с ростом температуры. Это не позволяет реализовать в схемах коэффициенты усиления более-10. Кроме того, коэффициенты ионизации электронов и дырок близки между собой: р/а=2. Упомянутые причины приводят в реальных схемах к нестабильностям и большим дополнительным шумам.

Микроплазмы генерируют нерегулярные «броски» токов, приводящие к раннему пробою или к повышению уровня шума прибора. Для избежания шумов, связанных с флуктуацией плотности легирования р-области, необходима однородность легирования точнее 0,1%. Для снижения избыточного шума лавина должна быть вызвана чисто электронной инжекцией в относительно широкой области умножения. Это вытекает из высокого отношения коэффициентов ионизации электронов и ды-

коэффициентов ионизации электронов и дырок, изменяющаяся от 1/3 при их равенстве до 2 при коэффициенте умножения существенно меньшем для дырок, чем для электронов. Как правило, первое слагаемое (7.5) существенно меньше второго, т. е. инерционность ЛФД определяется не процессами умножения, а прохождением носителей через область относительно слабого поля к контакту.

Уменьшение сопротивления термисторов, выполненных на основе монокристаллических полупроводников, объясняется увеличением концентрации носителей зарядов за счет ионизации примесных и собственных атомов при увеличении температуры. Для поликристаллических окисных полупровбдни-ков характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. Электропроводность их в основном определяется подвижностью носителей зарядов.

Энергия ионизации примесных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника или ширины запрещенной зоны. Поэтому в примесных полупроводниках при низких температурах преобладают носители заряда, возникшие из-за ионизации примесей. Если электропроводность полупроводника обусловлена электронами, его называют полупроводником п-типа, если электропроводность обусловлена дырками — полупроводником р-типа.

Тепловая ионизация примесных атомов. В предыдущем параграфе было показано, что энергия ионизации примесных атомов составляет несколько сотых долей электронвольта и, следовательно, значительно меньше ширины запрещенной зоны (Д#д <" &Е3 и

Уровень Ферми в примесных полупроводниках. Выражения для уровня Ферми Ефп в и-полупроводнике или для уровня Ефр В jo-полупроводпике можно получить, решая совместно уравнения (9-62) и (9-50) или (9-63) и (9-52). При этом формулы получаются весьма громоздкими, по легко упрощаются для наиболее важных случаев. Так, для области низких температур, соответствующих частичной ионизации примесных атомов (?' <^ Tq), решения уравнений приводит к следующим соотношениям [22]:

Процесс генерации в переходе происходит в результате разрыва валентных связей, а также вследствие ионизации примесных центров с глубокими энергетическими уровнями, близкими к середине запрещенной зоны (§ 9-2).

Примесное поглощение. Этот вид поглощения света связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощение фотонов вызывает переходы электронов донорных атомов в зону проводимости или же переход валентных электронов полупроводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться также переходы электронов примесных центров на энергетические уровни возбуждения этих атомов. Энергия ионизации примесных атомов веществ, которыми обычно легируются полупроводники, в десятки и сотни раз меньше ширины запрещенной зоны и лежит обычно в пределах сотых долей электронвольта. Поэтому спектр примесного поглощения располагается обычно за длинноволновой границей собственного поглощения. Спектры примесного поглощения охватывают широкие полосы частот, так как электроны донорных атомов при поглощении света могут переходить на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, лежащие достаточно далеко от ее дна, а ионизация акцепторных атомов может происходить за счет перехода электронов с более глубоких энергетических уровней валентной зоны.

Практически p-n-переход можно создать в монокристалле, легированном какой-либо примесью, введением в ограниченную область другой примеси, дающей противоположный тип проводимости. Для того чтобы изменить тип проводимости, концентрация атомов вводимой примеси должна быть больше концентрации 'при-месей в исходном материале. При этом часть атомов вводимой примеси пойдет на компенсацию имевшейся примеси, а остальные создадут соответствующий тип проводимости. Так, если в электронный полупроводник с концентрацией доноров No ввести акцепторную примесь с концентрацией NA, то в области проводимости р-ти-па концентрация дырок (при полной ионизации примесных атомов)

Тепловая ионизация примесных атомов. В предыдущем параграфе было показано, что энергия ионизации примесных атомов составляет несколько сотых долей электронвольта и, следовательно, значительно меньше ширины запрещенной зоны (Д#д <" &Е3 и

Уровень Ферми в примесных полупроводниках. Выражения для уровня Ферми Ефп в и-полупроводнике или для уровня Ефр В jo-полупроводпике можно получить, решая совместно уравнения (9-62) и (9-50) или (9-63) и (9-52). При этом формулы получаются весьма громоздкими, по легко упрощаются для наиболее важных случаев. Так, для области низких температур, соответствующих частичной ионизации примесных атомов (?' <^ Tq), решения уравнений приводит к следующим соотношениям [22]:

Процесс генерации в переходе происходит в результате разрыва валентных связей, а также вследствие ионизации примесных центров с глубокими энергетическими уровнями, близкими к середине запрещенной зоны (§ 9-2).

Примесное поглощение. Этот вид поглощения света связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощение фотонов вызывает переходы электронов донорных атомов в зону проводимости или же переход валентных электронов полупроводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться также переходы электронов примесных центров на энергетические уровни возбуждения этих атомов. Энергия ионизации примесных атомов веществ, которыми обычно легируются полупроводники, в десятки и сотни раз меньше ширины запрещенной зоны и лежит обычно в пределах сотых долей электронвольта. Поэтому спектр примесного поглощения располагается обычно за длинноволновой границей собственного поглощения. Спектры примесного поглощения охватывают широкие полосы частот, так как электроны донорных атомов при поглощении света могут переходить на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, лежащие достаточно далеко от ее дна, а ионизация акцепторных атомов может происходить за счет перехода электронов с более глубоких энергетических уровней валентной зоны.