Рассматриваются особенности физических свойств полупроводников, обусловленные статистическим взаимодействием электронов и дефектов. Учёт такого взаимодействия позволяет понять природу высокотемпературной электропроводности ряда полупроводников (собственнодефектная проводимость), природу равновесной и неравновесной самокомпенсации проводимости, определить зависимость концентрации собственных дефектов решётки от концентрации носителей тока и других факторов.

Книга рассчитана на научных работников, преподавателей вузов, инженеров, занимающихся физикой полупроводников, а также на студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

Основные физические свойства реального полупроводникового кристалла обусловлены набором локальных электронных центров и определяются в зависимости от условий распределением слабо связанных электронов между энергетическими уровнями этих дентров и зонами. Локальные центры представляют собой различного рода нарушения идеального периодического расположения атомов в решётке кристалла — дефекты решётки. Набор дефектов определяется технологией изготовления и условиями хранения образца. Для понимания происходящих в полупроводнике процессов необходимо знать типы и концентрации имеющихся в нём дефектов и концентрации электронов на энергетических уровнях.

Вычисление концентраций электронов и дефектов осуществляется методами статистической физики. Поэтому практически любой учебник по физике полупроводников включает по крайней мере раздел по статистике электронов. Однако в литературе отсутствует рассмотрение статистического взаимодействия электронов и дефектов в полупроводниках. Фактически предпологается, что в обычных условиях — при не слишком высоких температурах, в отсутствие высокоэнергетического ядерного излучения, пластической деформации и т. п. — концентрации дефектов в кристалле постоянны. При рассмотрении равновесного распределения электронов для фиксированного набора уровней весь интервал изменения температуры Т разбивают на небольшое число участков, полагая, что внутри каждого из них концентрация носителей тока определяется изменением концентрации электронов с температурой только на одном каком-либо локальном уровне.

Сделанные предположения оправдываются достаточно часто, но имеется немало случаев, когда они несправедливы. Так, при определённых соотношениях между параметрами локальных электронных уровней, концентрации которых постоянны, температурная зависимость равновесной концентрации носителей тока определяется множителем exp{-(ε₁+ε₂)/2κ_БT}, включающим энергии двух локальных уровней ε₁ и ε₂. Ещё более важным является то обстоятельство, что равновесная концентрация дефектов решётки которые играют основную роль при распределении электронов, во многих реальных полупроводниках не постоянна. В определённых случаях она зависит экспоненциальным образом от температуры. Концентрация дефектов может существенно зависеть от распределения электронов по уровням дефектов и т. д.

В подобных ситуациях существенную роль играет статистическое взаимодействие электронов и дефектов (см. § 5). Несмотря на то, что дефекты разного типа при реально существующих между ними расстояниях не взаимодействуют силовым образом, перераспределение электронов между ними в общем случае изменяет концентрации как носителей тока, так и самих дефектов. Когда это перераспределение незначительно влияет на концентрацию дефектов или электронов в состоянии, определяющем интересующее нас свойство полупроводников, статистическим взаимодействием можно пренебречь.

Предлагаемая книга содержит теоретическое и экспериментальное описание явлений либо целиком обусловленных статистическим взаимодействием электронов и дефектов, либо тех, количественное описание которых невозможно без учёта статистического взаимодействия. К ним относятся собственнодефектная проводимость полупроводников, самокомпенсация равновесной и неравновесной проводимости, «активация» примесных атомов, образование дефектов решётки при возбуждении электронной подсистемы в некоторых кристаллах и другие. Эти явления фактически определяют электрические свойства многих полупроводников, находящих широкое применение в науке и технике, главным образом бинарных полупроводников с заметной долей ионной связи. Однако некоторые вопросы, рассмотренные в книге, например об интерпретации температурных зависимостей равновесных концентраций носителей тока (гл. II), о переходах примесного атома между положениями в решётке с различной электрической активностью (гл. VI) и др., существенны и для других полупроводников.

Вывод о существовании в полупроводниках проводимости иного типа, чем общеизвестные примесная и собственная темновая проводимости, объяснение того факта, что многие неметаллические кристаллы (например, щелочно-галоидные) не удаётся сделать примесными полупроводниками либо полупроводниками n-типа (Cu₂O) или р-типа (CdS), представление о возможном эффективном образовании дефектов решётки с участием электронного возбуждения при относительно невысоких температурах и другие результаты, опирающиеся на последовательное рассмотрение с учётом статистического взаимодействия электронов и дефектов в полупроводниках, получены сравнительно недавно и не были до сих пор изложены единым образом.

Приведённые выше примеры далеко не исчерпывают всех явлений, в которых статистическое взаимодействие электронов и дефектов играет значительную роль. В книге опущены некоторые сравнительно простые вопросы, например вычисление равновесной концентрации электронов при наличии постоянной концентрации локальных центров, обладающих несколькими электронными уровнями; вычисление равновесных концентраций носителей тока в полупроводнике с заданной концентрацией примеси, атомы которой способны соединяться в квазимолекулы из двух или более атомов, находящихся в соседних узлах решётки. Не рассмотрен также ряд более специальных вопросов, например о диффузии в полупроводниках при равновесной самокомпенсации, о влиянии самокомпенсации на подвижность носителей тока, термо-э.д.с. и т. д. Однако основная идея — важная роль статистического взаимодействия — изложена и проиллюстрирована на актуальных примерах достаточно подробно.

Авторы старались сделать настоящую книгу доступной для широкого круга инженеров, преподавателей, студентов, занимающихся физикой полупроводников. С этой целью, в частности, написана гл. I, содержащая основные представления о дефектах решётки и необходимые сведения о методах равновесной статистики, статистическом взаимодействии и используемых для описания неравновесных состояний кинетических уравнениях.

В отличие от многих учебников методы равновесной статистики изложены здесь без выводов, однако с подробным объяснением способа их применения, проиллюстрированным простыми примерами.

При описании физических результатов авторы не стремились к изложению результатов всех работ в этой области, а делали упор на выяснение физической природы явлений и анализ условий, благоприятных для их реализации. С этой целью в основу рассмотрения положены простые модели. В отдельных случаях, когда можно использовать конкретные сведения об энергетической структуре полупроводника, рассматриваются более сложные системы. В большинстве реальных случаев такие сведения отсутствуют. Но при исследованиях, направленных на установление имеющихся в кристалле при заданных условиях типов и концентраций дефектов, необходимо учитывать явления, которые проанализированы здесь на сравнительно простых примерах. Для качественного понимания рассмотренных в книге особенностей полупроводниковых свойств часто достаточно и простых моделей.

В связи с изложенным авторы надеются, что эта книга будет способствовать более всестороннему и глубокому пониманию физики некоторых процессов, происходящих в полупроводниках, и ещё более широкому их применению в практике.

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники. — 2-е изд., доп., Мартинес-Дуарт Д. М., Мартин-Палма Р. Д., Агулло-Руеда Ф., 2009
2. Дефекты и колебательный спектр кристаллов: Теоретические и экспериментальные аспекты влияния точечных дефектов и неупорядоченностей на колебания кристаллов, Марадудин А., 1968
3. Оптические процессы в полупроводниках, Панков Ж., 1973
4. Самоорганизация в полупроводниках. Неравновесные фазовые переходы в полупроводниках, обусловленные генерационно-рекомбинационными процессами, Шёлль Э., 1991
5. Неравновесные приповерхностные процессы в полупроводниках и полупроводниковых приборах, Зуев В. А., Саченко А. В., Толпыго К. Б., 1977
6. Пространственная симметрия и оптические свойства твёрдых тел (комплект из 2 книг), Бирман Д., 1978
7. Электрические эффекты в радиоспектроскопии: Электронный парамагнитный, двойной электронно-ядерный и параэлектрический резонансы, Глинчук М. Д., Грачёв В. Г., Дейген М. Ф., Ройцин А. Б., Суслин Л. А., 1981
8. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников, Мазнин А. Н., Нетушил А. В., Парини Е. П., 1950
9. Модифицирование полупроводников пучками протонов, Козловский В. В., 2003
10. Калибровочная теория дислокаций и дисклинаций, Кадич А., Эделен Д., 1987
11. Континуальная теория дислокаций, Эшелби Д., 1963
12. Электронные процессы в некристаллических веществах, Мотт Н., Дэвис Э., 1974
13. Электронные явления в халькогенидных стеклообразных полупроводниках, Цэндин К. Д., ред., 1996
14. Арсенид галлия. Получение, свойства и применение, Кесаманлы Ф. П., Наследов Д. Н., ред., 1973
15. Теория и свойства неупорядоченных материалов, 1977
16. Электронная теория неупорядоченных полупроводников, Бонч-Бруевич В. Л., Звягин И. П., Кайпер Р., Миронов А. Г., Эндерлайн Р., Эссер Б., 1981
17. Флуктуационные явления в полупроводниках, Ван-дер-Зил А., 1961
18. Физико-химия поверхности полупроводников, Волькенштейн Ф. Ф., 1973
19. Математика диффузии в полупроводниках, Малкович Р. Ш., 1999
20. Диэлектрики и радиация: Кн. 7: Влияние трансмутантов на свойства керамических диэлектриков, Костюков Н. С., Астапова Е. С., Еремин И. Е., Демчук В. А., Щербакова Е. В., 2007
21. Статистическая механика, кинетическая теория и стохастические процессы, Хир К., 1976
22. Основы статистической физики материалов: Учебник, Дмитриев А. В., 2004