Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Несовершенства в кристаллических структурах.Представление о кристалле как об идеально периодической структуре оказалось исключительно плодотворным в теории твердого тела. Оно позволило объяснить зонную структуру их энергетического спектра, дифракцию рентгеновских лучей и электронов, теплоемкость, многие электрические и оптические свойства. Однако в реальных кристаллах всегда имеются отступления от идеальной периодичности или дефекты. Некоторые дефекты ухудшают свойства кристаллов, и их число необходимо сводить к минимуму, другие, как например легирующие примеси, наоборот, придают полупроводникам такие свойства, благодаря которым и стало возможно их широкое применение в науке и технике. Искажения кристаллической решетки особенно сильно изменяют механические, электрические, тепловые и оптические свойства полупроводников. Часто они определяют пластичность, вязкость, теплопроводность и электропроводность материала. В развитии физики реальных кристаллов основополагающими явились работы А. Ф. Иоффе [1], Я. И. Френкеля [20], В. Шоттки [21] и Ф. Зейтца [22, 23]. По геометрическим признакам все дефекты могут быть разделены на четыре класса: точечные, линейные, двумерные и объемные [24]. Точечные дефекты локализованы в объемах, меньших, чем размер одной ячейки кристаллической решетки. К ним относятся междуузельные атомы основного вещества кристалла, незанятые узлы кристаллической решетки (вакансии), примесные атомы, центры окраски, двойные и тройные вакансии, комплексы примесь Отсутствие атома в узле решетки называется дефектом Шоттки, совокупность пустого узла и близко расположенного междуузельного атома — дефектом по Френкелю. Дефекты по Френкелю образуются в результате смещения атома. Если смещенный атом уходит на большое расстояние, то этот дефект превращается в дефект Шоттки (рис. 5). В. Шоттки считал, что вакансии в решетке образуются в результате сублимации атомов с поверхности кристалла. Затем путем последовательного перезамещения узлов решетки атомами вакансии диффундируют в глубь кристалла. Дефекты образуются в результате тепловых колебаний решетки неизбежно и закономерно. Из термодинамики следует, что концентрация дефектов в расчете на 1 моль равна Опыты показывают, что механическая прочность кристаллов часто на три-четыре порядка меньше, чем следует из теоретических представлений. Причина этого заключается в наличии в кристалле дислокаций. Дислокации могут быть краевые и винтовые, а также смешанного типа. Краевая дислокация — это линейный дефект, вызванный появлением в кристалле лишней атомной полуплоскости. Ее можно представить также как результат смещения части кристалла перпендикулярно к дополнительной плоскости (рис. 6). Линия, ограничивающая полуплоскость, служит осью дислокации. Область, примыкающая к оси, где искажения структуры особенно велики, называется ядром дислокации, а более удаленные участки — упругой областью. За пределами ядра отклонения от идеальной структуры достаточно малы и хорошо описываются теорией упругих деформаций. Винтовая, или спиральная, дислокация возникает в результате смещения одной части кристалла относительно другой на постоянную решетки, причем сдвиг параллелен оси дислокации (рис. 6). Несмотря на микроскопические размеры дислокаций, они могут перемещаться по кристаллу, а при пластических деформациях происходит их размножение [28].
Рис. 5. Образование дефектов решетки: а — идеальная решетка; б — дефект по Шоттки; в — дефект по Френкелю
Рис. 6. Дислокации: а — краевая ось перпендикулярна плоскости чертежа; б - винтовая ось обозначена стрелкой Упомянутые выше дефекты будут возникать даже в химически идеально чистых кристаллах. Однако избавиться от чужеродных атомов практически невозможно. Даже если вещество очищено до такой степени, что количество примесей составляет только 10-7%, то это все же означает наличие 1014 примесных атомов в В зависимости от положения в кристаллической решетке могут быть примесп замещения и примеси внедрения. В первом случае чужеродный атом занимает в решетке место основного атома, во втором — некоторое промежуточное положение. Если на внешней, валентной оболочке примесного атома больше электронов, чем на валентной оболочке замещаемого атома, то избыточные электроны оказываются как бы лишними с точки зрения химических связей. Они весьма слабо связаны с атомом и могут легко его покинуть и перемещаться в междуузлиях решетки. Такая примесь отдает свои электроны всему кристаллу и называется донорной, или донором. Если же у примесного атома меньше валентных электронов, чем у атомов основного вещества, которые он замещает, то химические связи называются необеспеченными. Для того чтобы их обеспечить, примесный атом должен захватить дополнительные электроны от соседних атомов. В этом случае необеспеченная электроном химическая связь ведет себя как вакансия для электрона и называется дыркой, а примесь, создающая дырки, — акцепторной или просто акцептором. Для соединений типа Для кристаллов германия и кремния атомы индия и галлия — акцепторы, атомы мышьяка, фосфора и сурьмы — доноры. Атомы кремния в арсениде галлия могут быть и донорными и акцепторными примесями. Электрон и дырка в кристалле могут вступить во взаимодействие и образовать связанный комплекс, называемый экситоном. Экситон не имеет заряда и не реагирует на электрическое поле, в то же время он может переносить энергию и во многом напоминает атом водорода. Различают экситоны малого радиуса (Френкеля) и экситоны большого радиуса (Ванье — Мотта). Последние можно представить как электрон и дырку, вращающиеся вокруг центра масс и перемещающиеся в целом по решетке. Существование экситонов подтверждается наличием в спектрах поглощения изоляторов и полупроводников резких линий, которые не связаны с широкими энергетическими зонами кристалла (§ 5). Идеально периодическая решетка должна быть абсолютно жесткой. Движение ее узлов допустимо только при перемещении всей структуры как единого целого. В реальных же кристаллах атомы колеблются около точек равновесия и в любой момент времени имеются отступления от идеальной периодичности. Эти отступления увеличиваются с повышением температуры (§ 4). В 50-х годах, особенно с началом космических исследований, широко развернулись работы по радиационным дефектам в полупроводниках. Эти дефекты возникают при прохождении через кристалл ядерных частиц высоких энергий: нейтронов, дейтронов,
|
1 |
Оглавление
|