Сильно легированные и некристаллические полупроводники

Сентябрь 15, 2022

Главная
Физика
Сильно легированные и некристаллические полупроводники

Содержание

2. Сильно легированные полупроводники Сильнолегированный полупроводник – кристаллический полупроводник, в котором примесные атомы (ионы) хаотически распределены в
3. Сильно легированные полупроводники При достаточно большой концентрации примесей примесная зона продолжает расширяться, и при некоторой критической
4. Зависимость плотности примесных состояний от их энергии
5. При сильном легировании электрон взаимодействует одновременно с несколькими примесными атомами, количество и координаты которых из-за хаотического
6. Энергия носителей заряда в поле примесей при сильном легировании полупроводника
7. «Хвосты» плотности состояний и их флуктуационный характер проявляются в электропроводности (прыжковая проводимость), в фотопроводимости (гигантское увеличение
8. Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие).
9. При N>Nкp нарушается ионизационно-примесное равновесие, т.е. возникает отклонение от равенства = N. Это обусловлено образованием примесных
10. Зависимость концентрации носителей п0 от концентрации примесей N
11. Отметим основные особенности сильно легированных полупроводников СЛП могут рассматриваться как плохо проводящие металлы, и в тех,
12. Основные особенности сильно легированных полупроводников в СЛП примесные уровни в запрещенной зоне сливаются друг с другом
13. Основные особенности сильно легированных полупроводников в СЛП р-типа уровень Ферми расположен вблизи валентной зоны, поэтому концентрация
14. Основные особенности сильно легированных полупроводников в СЛП п- или р-типа и – постоянные, не зависящие от
15. Основные особенности сильно легированных полупроводников Весьма важным свойством СЛП вообще и, в частности, германия является независимость
16. Основные особенности сильно легированных полупроводников Вследствие этого, а также из-за особенностей энергетических зон сильно легированного полупроводника
17. Квантово-механический туннельный эффект
18. Чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным, чтобы обеспечить такой наклон зон,
19. Напряжение туннельного пробоя сравнительно слабо зависит от температуры. Однако с ростом температуры ширина запрещенной зоны германия
20. Энергетические диаграммы сильно легированных полупроводников
22. Некристаллические полупроводники Проблема неупорядоченных полупроводников относится к одной из наиболее интересных и наименее изученных областей физики
23. Некристаллические полупроводники С другой стороны, очевидно, что монокристаллы встречаются несравненно реже, чем неупорядоченные системы – микро-
24. Некристаллические полупроводники Во многих случаях к перечисленным материалам оказываются неприменимы основные положения физики монокристаллов, поскольку последние
25. Некристаллические полупроводники Физика и технология приборов, основанных на некристаллических полупроводниках, в настоящее время активно развиваются. К
26. Аморфные и стеклообразные полупроводники аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников. Они характеризуются наличием ближнего и
27. Аморфные и стеклообразные полупроводники Потеря дальнего порядка приводит к исчезновению на дифракционных картинах резких рефлексов, свойственных
28. Некристаллические полупроводники
29. Некристаллические полупроводники При наличии дальнего порядка в расположении атомов потенциальная энергия носителей заряда, двигающихся в суммарном
30. Некристаллические полупроводники Исходя из этого, можно дать следующее определение: неупорядоченными называются материалы, в которых потенциальная энергия
31. Зависимость потенциальной энергии носителей заряда от координаты в случае кристалла (а) и неупорядоченного материала (б)
32. Некристаллические полупроводники В качестве критерия используется изменение средней энергии носителей заряда ΔЕ, связанное с нарушением дальнего
33. К неупорядоченным системам относятся: жидкие полупроводники; некристаллические полупроводники; сильно легированные кристаллические полупроводники; поверхность кристаллических полупроводников; неупорядоченные
34. Выделяют три механизма проводимости, которые преобладают в различных температурных интервалах: перенос носителей заряда, возбужденных за край
35. Некристаллические полупроводники Особенности аморфных и стеклообразных полупроводников связаны с особенностями энергетического спектра электронов. Наличие энергетических областей
36. Некристаллические полупроводники Однако разупорядоченность структуры приводит к появлению дополнительных разрешенных электронных состояний, плотность которых N(E) спадает
37. Зависимость плотность разрешенных электронных состояний от энергии
38. Некристаллические полупроводники По аналогии с кристаллическими полупроводниками, расстояние между краями подвижности называется запрещенной зоной (или щелью)
39. Структуры запрещенных зон некристаллических полупроводников
40. Некристаллические полупроводники Выделяют три механизма проводимости, которые преобладают в различных температурных интервалах: перенос носителей заряда, возбужденных
41. Некристаллические полупроводники прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованнын состояния вблизи краев подвижности
42. Некристаллические полупроводники прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям вблизи на расстоянии, увеличивающиеся при уменьшении Т:
43. Некристаллические полупроводники Подвижность носителей заряда мала (10-5-10-8 см2 В-1с-1) и зависит от напряженности электрического поля и
44. Некристаллические полупроводники Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на халькогенидные, оксидные, органические, тетраэдрические.
45. Некристаллические полупроводники ХСП получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. К ним относятся
46. Некристаллические полупроводники Для многих халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) характерен эффект переключения – быстрый (~10-10 с) обратимый
47. Некристаллические полупроводники прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованные состояния вблизи краев подвижности. В этом случае
48. ВАХ ХСП в условиях "эффекта переключения"
49. Некристаллические полупроводники Это объясняется как инжекцией электронов и дырок из контакта и делокализацией захваченных носителей заряда,
51. Скачать презентацию

Слайд 2

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.

Слайд 3

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.

Слайд 4

Зависимость плотности примесных состояний от их энергии

Слайд 5

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

Слайд 6

Энергия носителей заряда в поле примесей при сильном легировании полупроводника

Слайд 7

«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.

Слайд 8

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

Слайд 9

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

Слайд 10

Зависимость концентрации носителей п0 от концентрации примесей N

Слайд 11

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;

Слайд 12

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;

Слайд 13

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;

Слайд 14

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

Слайд 15

Основные особенности сильно легированных полупроводников
Весьма важным свойством СЛП вообще и, в

частности, германия является независимость постоянной Холла от температуры в широком температурном интервале

Слайд 16

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

Слайд 17

Квантово-механический туннельный эффект

Слайд 18

Чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным,

чтобы обеспечить такой наклон зон, при котором заполненные электронами уровни валентной зоны оказались напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны, а ширина потенциального барьера сравнима с длиной волны де-Бройля электрона.

Слайд 19

Напряжение туннельного пробоя сравнительно слабо зависит от температуры. Однако с ростом

температуры ширина запрещенной зоны германия и кремния уменьшается, вероятность туннелирования возрастает, и величина критической напряженности поля уменьшается. Поэтому напряжение туннельного пробоя уменьшается.
Поскольку напряжение, при котором возникает лавинный и туннельный пробой достаточно стабильно, этот эффект используется для создания приборов, падение напряжения на которых остается стабильным при изменении тока – стабилитронов.

Слайд 20

Энергетические диаграммы сильно легированных
полупроводников

Слайд 21

Слайд 22

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.

Слайд 23

Некристаллические полупроводники
С другой стороны, очевидно, что монокристаллы встречаются несравненно реже, чем

неупорядоченные системы – микро- и нанокристаллы, неупорядоченные сплавы, аморфные и стеклообразные материалы.

Слайд 24

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

Слайд 25

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:

Слайд 26

Аморфные и стеклообразные полупроводники
аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников.

Они характеризуются наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка

Слайд 27

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.

Слайд 28

Некристаллические полупроводники

Слайд 29

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

Слайд 30

Некристаллические полупроводники
Исходя из этого, можно дать следующее определение: неупорядоченными называются материалы,

в которых потенциальная энергия носителей заряда является непериодической функцией координат.

Слайд 31

Зависимость потенциальной энергии носителей заряда от координаты в случае кристалла (а)

и неупорядоченного материала (б)

Слайд 32

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<

Слайд 33

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

кристаллические полупроводниковые сплавы

Слайд 34

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

Слайд 35

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.

Слайд 36

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.

Слайд 37

Зависимость плотность разрешенных электронных состояний от энергии

Слайд 38

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"

Слайд 39

Структуры запрещенных зон некристаллических полупроводников

Слайд 40

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

Слайд 41

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

подвижности

Слайд 42

Некристаллические полупроводники
прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям вблизи на расстоянии, увеличивающиеся

при уменьшении Т:

Слайд 43

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

Слайд 44

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).

Слайд 45

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.

Слайд 46

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.

Слайд 47

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

подвижности. В этом случае

Слайд 48

ВАХ ХСП в условиях "эффекта переключения"

Слайд 49

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.

Сильно легированные и некристаллические полупроводники

Содержание

Сильно легированные полупроводники Сильнолегированный полупроводник – кристаллический полупроводник, в котором примесные

Сильно легированные полупроводникиПри достаточно большой концентрации примесей примесная зона продолжает расширяться,

Зависимость плотности примесных состояний от их энергии

При сильном легировании электрон взаимодействует одновременно с несколькими примесными атомами, количество

Энергия носителей заряда в поле примесей при сильном легировании полупроводника

«Хвосты» плотности состояний и их флуктуационный характер проявляются в электропроводности (прыжковая

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

Зависимость концентрации носителей п0 от концентрации примесей N

Отметим основные особенности сильно легированных полупроводников СЛП могут рассматриваться как плохо

Основные особенности сильно легированных полупроводниковв СЛП примесные уровни в запрещенной зоне

Основные особенности сильно легированных полупроводниковв СЛП р-типа уровень Ферми расположен вблизи

Основные особенности сильно легированных полупроводниковв СЛП п- или р-типа и –

Основные особенности сильно легированных полупроводниковВесьма важным свойством СЛП вообще и, в

Основные особенности сильно легированных полупроводниковВследствие этого, а также из-за особенностей энергетических

Квантово-механический туннельный эффект

Чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным,

Напряжение туннельного пробоя сравнительно слабо зависит от температуры. Однако с ростом

Энергетические диаграммы сильно легированных полупроводников

Некристаллические полупроводникиПроблема неупорядоченных полупроводников относится к одной из наиболее интересных и

Некристаллические полупроводникиС другой стороны, очевидно, что монокристаллы встречаются несравненно реже, чем

Некристаллические полупроводникиВо многих случаях к перечисленным материалам оказываются неприменимы основные положения

Некристаллические полупроводникиФизика и технология приборов, основанных на некристаллических полупроводниках, в настоящее

Аморфные и стеклообразные полупроводники аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников.

Аморфные и стеклообразные полупроводникиПотеря дальнего порядка приводит к исчезновению на дифракционных

Некристаллические полупроводники

Некристаллические полупроводникиПри наличии дальнего порядка в расположении атомов потенциальная энергия носителей

Некристаллические полупроводникиИсходя из этого, можно дать следующее определение: неупорядоченными называются материалы,