Кристаллических полупроводников

В кристаллических полупроводниках при низких температурах (близких к абсолютному нулю) часть разрешенных зон (с меньшей энергией) полностью заполнена электронами, а в остальных электроны отсутствуют. В верхней заполненной зоне находятся электроны, расположенные на внешних оболочках атомов и участвующие в химических связях с соседними атомами, так называемые валентные электроны. Поэтому эту зону называют валентной. Нижнюю, не занятую электронами зону разрешенных уровней называют зоной проводимости.

кристаллических полупроводниках собственной (а), электронной (б),

ФАС твердых материалов продолжает привлекать внимание исследователей, обещая открыть новые возможности не только в определении спектров оптического поглощения, но и при изучении неизлучательных процессов в кристаллических полупроводниках, хотя сам эффект был открыт А.Г. Беллом почти столетие назад, в 1880 г. Розенцвайг и Гершо были первыми, кто представил количественный расчет ФАС твердых образцов через оптические, тепловые и геометрические параметры системы, на основании которых из измеренного ФАС-сигнала можно определить оптически КП 74].

Описанная выше теория ИНЕС была разработана и изучена на обычных кристаллических полупроводниках, в которых имеются ЛУНРЭ. В a-Si:H также имеются ЛУНРЭ в запрещенной зоне, а перенос носителей в нем происходит преимущественно за счет зонной проводимости вблизи комнатной температуры [101]. Действительно, диоды на р-п-переходах и барьерах Шоттки, изготовленные на a-Si:H, обладали характеристиками, подобными характеристикам диодов на кристаллических полупроводниках, о чем будет сказано ниже [102]. Исходя из этого, представляется, что концепция ИНЕС применима к явлениям переноса в a-Si:H. В настоящее время детальная природа р-г-«-перехода или барьера Шоттки, сформированных на a-Si:H, до конца не изучена и отсутствует строгая теория емкости обедненного слоя в аморфной системе. Поэтому для применения ИНЕС-метода к a-Si:H следует тщательно изучить диодные характеристики.

На 3.4.9 показана температурная зависимость ИНЕС-сигнала в диоде Шоттки, изготовленном на легированном фосфором (PH3/SiH4 = = Ю5) a-Si:H, при V = 1 В и VR = -1 В. Как видно из рисунка, по мере понижения температуры положение пика скачка сдвигается в сторону меньших постоянных времени. Эта тенденция аналогична поведению дискретных уровней в кристаллических полупроводниках [99]. Из соотношения между ИНЕС-сигналами и постоянной времени tp, соот-

При амбиполярной проводимости, когда nf> 8n ~8р^>р0, скорость рекомбинации главным образом контролируется составляющей неосновных носителей (дырок). Для /-слоя в a-Si, если выполняется условие 8/)/тл >5р/Гр, дырочная составляющая может определять скорость рекомбинации. Таким образом, дырки ведут себя как неосновные носители в процессе межзонной фотопроводимости, что подобно их поведению в кристаллических полупроводниках и-типа. Аналогичным образом электроны становятся неосновными носителями, когда выполняется условие бр/тр>б„/т„ [13]. Поэтому уравнение (5.1.1) можно аппроксимировать следующими выражениями:

ФАС твердых материалов продолжает привлекать внимание исследователей, обещая открыть новые возможности не только в определении спектров оптического поглощения, но и при изучении неизлучательных процессов в кристаллических полупроводниках, хотя сам эффект был открыт А.Г. Беллом почти столетие назад, в 1880 г. Розенцвайг и Гершо были первыми, кто представил количественный расчет ФАС твердых образцов через оптические, тепловые и геометрические параметры системы, на основании которых из измеренного ФАС-сигнала можно определить оптически КП 74].

Описанная выше теория ИНЕС была разработана и изучена на обычных кристаллических полупроводниках, в которых имеются ЛУНРЭ. В a-Si:H также имеются ЛУНРЭ в запрещенной зоне, а перенос носителей в нем происходит преимущественно за счет зонной проводимости вблизи комнатной температуры [101]. Действительно, диоды на р-п-переходах и барьерах Шоттки, изготовленные на a-Si:H, обладали характеристиками, подобными характеристикам диодов на кристаллических полупроводниках, о чем будет сказано ниже [102]. Исходя из этого, представляется, что концепция ИНЕС применима к явлениям переноса в a-Si:H. В настоящее время детальная природа р-г-я-перехода или барьера Шоттки, сформированных на a-Si:H, до конца не изучена и отсутствует строгая теория емкости обедненного слоя в аморфной системе. Поэтому для применения ИНЕС-метода к a-Si:H следует тщательно изучить диодные характеристики.

На 3.4.9 показана температурная зависимость ИНЕС-сигнала в диоде Шоттки, изготовленном на легированном фосфором (PH3/SiH4 = = Ю5) a-Si:H, при Vp = 1 В и VR = — 1 В. Как видно из рисунка, по мере понижения температуры положение пика скачка сдвигается в сторону меньших постоянных времени. Эта тенденция аналогична поведению дискретных уровней в кристаллических полупроводниках [99]. Из соотношения между ИНЕС-сигналами и постоянной времени tp, соот-

При амбиполярной проводимости, когда п$> 8„ ~8р^р0, скорость рекомбинации главным образом контролируется составляющей неосновных носителей (дырок). Для /-слоя в a-Si, если выполняется условие &п/тп ^ &р/Тр> дырочная составляющая может определять скорость рекомбинации. Таким образом, дырки ведут себя как неосновные носители в процессе межзонной фотопроводимости, что подобно их поведению в кристаллических полупроводниках n-типа. Аналогичным образом электроны становятся неосновными носителями, когда выполняется условие 6р/гр>6„/г„ [13]. Поэтому уравнение (5.1.1) можно аппроксимировать следующими выражениями:

В настоящее время большинство достижений полупроводниковой электроники, связано с применением кристаллических полупроводниковых материалов.

Дальний порядок упрощает анализ свойств кристаллов, так как информация о взаимном расположении всего лишь нескольких атомов, составляющих элементарную ячейку, позволяет последовательным переносом такой ячейки построить модель кристаллической решетки кристалла любых размеров. Дальний порядок в расположении атомов кристаллов является основой современной физики кристаллических полупроводников, на которой базируется полупроводниковая электроника.

3. Энергетические диаграммы кристаллических полупроводников собственной (а), электронной (б) и дырочной (в) электропроводности:

Легирование — контролируемое введение в материал примесей — позволяет в широких пределах управлять электрифизически-ми свойствами кристаллических полупроводников. При этом возможны два случая.

График распределения плотности состояний собственного кристаллического полупроводника показан на 4, а. В зоне проводимости и в валентной зоне такого полупроводника плотность состояний велика, а в запрещенной зоне — равна нулю. В запрещенной зоне электронного ( 4, б) и дырочного ( 4, в) кристаллических полупроводников появляется пик (заштрихован), соответствующий донорным или акцепторным уровням.

Рассмотрим особенности некристаллических полупроводниковых материалов. Наиболее существенным отличием этих полупроводников является отсутствие в них кристаллической решетки и, как следствие, дальнего порядка в расположении атомов, что усложняет их теоретический анализ (см. 1, б).

Легирование, применяемое для управления свойствами кристаллических полупроводников, в этом случае оказывается полностью-неэффективным. Действительно, плотность состояний донорных (или акцепторных) уровней, возникающих в запрещенной зоне полупроводника при его легировании примесью, остается много меньше плотности локализованных состояний, обусловленных дефектами. Поэтому донорные (акцепторные) уровни не оказывают серьезного влияния на свойства некристаллического материала.

Одна из особенностей кристаллических полупроводников заключается в том, что ничтожная добавка в них примесей других веществ резко повышает их электрическую проводимость. Например, 0,001% примесей в германии увеличивает число свободных электронов в нем в 104 раз, соответственно в 104 раз возрастает электрическая проводимость. Доля собственной электрической проводимости станет настолько ничтожной, что ею можно практически пренебречь и считать электрическую проводимость полупроводника чисто примесной.

Более перспективным оказалось применение полупроводников (купроксных и селеновых выпрямителей), начатое также еще в 30-е годы для выполнения реле, работающих на выпрямленных токах [Л. 31]. Дальнейшее развитие это направление получило в конце 40-х годов, когда стало возможным применение кристаллических полупроводников для выпрямителей, усилителей и т. д. (например, [Л. 10]). В последующие годы в Советском Союзе и за рубежом разрабатываются (например, [Л. 11]) и выполняются на полупроводниках как отдельные бесконтактные реле и устройства, так и защиты в целом Л. 12—15, 139]. Опыт выполнения и эксплуатации таких защит, несмотря на ряд возникающих трудностей, оказался безусловно положительным. Однако надежды, возлагавшиеся на полупроводниковые защиты (в частности, по потребляемым мощностям и связанным с ними чувствительностям), пока оправдались не полностью. В настоящее время в связи с дальнейшим развитием электроники и счетно-решающей техники и за рубежом и в Советском Союзе ведутся работы по дальнейшему улучшению параметров полупроводниковых защит (использование операционных усилителей, интегральных схем), применению дискретных счетно-решающих устройств и выявлению возможных перспектив использования для осуществления защиты управляющих цифровых машин.

Примером кислородсодержащих систем являются ванадийфосфат-ные стекла V2O5 — Р2Оа — №ехОу, где Me — металл (кадмий, цинк, сурьма, кобальт и др.). Температура размягчения этих стекол не превышает 450° С. Ванадийфосфатные стекла непрозрачны в видимой области спектра, но пропускают инфракрасное излучение (Я, = 2 -г- 5 мкм). Удельная проводимость может находиться в пределах 1012 -=-10~51/ом X Хсм. Стекло состава 80% VaO5, 20% Р2О5 имеет дырочную проводимость; при введении окиси сурьмы в количестве 20% преобладает п-про-водимость. Температурная зависимость проводимости не имеет излома, наблюдаемого у кристаллических полупроводников, и носит экспоненциальный характер.

Одна из особенностей кристаллических полупроводников заключается в том, что ничтожная добавка в них примесей других веществ резко повышает их электрическую проводимость. Например, 0,001 % примесей в германии увеличивает число свободных электронов в нем в 104раз, соответственно в 104 раз возрастает электрическая проводимость. Доля собственной электрической проводимости станет настолько ничтожной, что ею можно практически пренебречь и считать электрическую проводимость полупроводника примесной.