Cтраница 4
При легировании полупроводника примесью образуются как-твердые растворы замещения, так и твердые растворы внедрения: Электрическая активность примесей характеризуется в основном числом и распределением связей атома примеси с соседними атомами основного вещества. Известно, что в кристаллах со структурой типа алмаза ( германий, кремний, алмаз) акцепторами являются элементы третьей группы, атомы которых устанавливают связь только с тремя из четырех окружающих их атомов и генерируют, таким образом, дырку, а донорами - элементы пятой группы, у которых после установления связей со всеми четырьмя соседними атомами остается один свободный электрон, легко переводящийся в зону проводимости. [46]
Наиболее распространенными полупроводниками являются германий и кремний. Оба полупроводника в твердом, кристаллическом состоянии обладают структурой типа алмаза. В структуре ( решетке) алмаза каждый атом окружен четырьмя соседями - атомами, соединенными с ним ковалентными связями и находящимися от него на одинаковых расстояниях. Атомы германия и кремния, являясь элементами TV группы, также обладают четырьмя валентными электронами, образующими ковалентную связь с четырьмя соседними атомами. [47]
Наиболее распространенными полупроводниками являются германий и кремний. Оба полупроводника в твердом, кристаллическом состоянии обладают структурой типа алмаза. В структуре ( решетке) алмаза каждый атом окружен четырьмя соседями - атомами, соединенными с ним ковалентными связями и находящимися от него на одинаковых расстояниях. Атомы германия и кремния, являясь элементами IV группы, также обладают четырьмя валентными электронами, образующими ковалентную связь с четырьмя соседними атомами. [48]
В рамках обычной зонной теории кристаллов производится учет эффекта спин-орбитального взаимодействия. Особое внимание уделяется зонам в примесных полупроводниках со структурой типа алмаза. Вычисляются значения фактора спектроскопического расщепления g для типичных электронных состояний в различных возможных случаях. Значения g получаются разными в зависимости от того, где находится уровень Ферми - вблизи или вдали от точки вырождения зоны. Время спин-решеточной релаксации вычисляется с учетом влияния спин-орбитального взаимодействия на волновые функции п получается достаточно хорошее согласие с экспериментальными данными для кремния и щелочных металлов. [49]
Обычная jii - модификация ( белое олово), устойчивая выше 13 2 С - серебристо-белый металл, имеет тетрагональную структуру с октаэдрической координацией атомов. При охлаждении белое олово переходит в а-модификацию ( серое олово) со структурой типа алмаза ( плоти. Переход J3 - в а-модификацию сопровождается увеличением удельного объема ( на 25 6 %), и олово рассыпается в порошок. [50]
Такие тетраэдры могут образоваться не только из одинаковых атомов. Так, у нитрида бора BN одна из модификаций ( боразон) имеет структуру типа алмаза, но в узлах кристаллической решетки чередуются атомы бора и азота. Тетраэдрическое окружение атомов бора и азота подразумевает образование одной из четырех связей по донорно-акцепторному механизму: атом бора предоставляет свободную орбиталь, атом азота - неподеленную пару электронов. [51]
Ярким примером полиморфизма может служить олово, которое существует в двух модификациях, весьма различающихся по своим свойствам: 3-олово - обычное металлическое белое олово, устойчивое при температуре выше 13 С и а-олово - серое олово, устойчивое при температуре ниже 13 С. Белое олово ( объемноцентриро-ванная тетрагональная решетка) является типичным металлом. В сером же олове ( структура типа алмаза) - ковалентная связь; оно обладает полупроводниковыми свойствами. Переход из ( 3-фазы в а-фазу ( полиморфное превращение) сопровождается тепловым эффектом, увеличением удельного объема на 25 % и фактическим разрушением изделия, так как серое олово очень хрупкое и легко рассыпается в порошок. [52]
Растворимость углерода в кремнии не превышает 1 4 % ( ат. Модификация З - SiC имеет структуру типа алмаза. [53]
В компактном состоянии германий представляет собой хрупкое вещество серебристо-серого цвета с желтоватым отливом и металлическим блеском. При обычных условиях германий кристаллизуется в структуре типа алмаза и обладает ярко выраженными полупроводниковыми свойствами. Однако при высоких давлениях германий претерпевает полиморфные превращения, образуя сначала тетрагональную структуру i-олова, а затем и более плотно упакованную ОЦК-структуру. Это сопровождается увеличением координационного числа и появлением металлических свойств. [54]
В компактном состоянии германий представляет собой хрупкое вещество серебристо-серого цвета с металлическим блеском. При обычных условиях германий кристаллизуется в структуре типа алмаза и обладает ярко выраженными полупроводниковыми свойствами. Однако при высоких давлениях германий претерпевает полиморфные превращения, образуя сначала тетрагональную структуру Д - олова, а затем более плотноупакованную ОЦК-структуру. Это сопровождается повышением координационного числа и появлением металлических свойств. [55]
Физические и химические - свойств а. В компактном состоянии германий представляет собой хрупкое вещество серебристо-серого цвета с металлическим блеском. При обычных условиях германий кристаллизуется в структуре типа алмаза и обладает ярко выраженными полупроводниковыми свойствами. Однако при высоких давлениях германий претерпевает полиморфные превращения, образуя сначала тетрагональную структуру / Голова, а затем более плотноупакованную ОЦК-структуру. Это сопровождается повышением координационного числа и появлением металлических свойств. [56]
Поскольку изменения вибрационной энтропии при образовании как вакансий, так и межузельных атомов всегда значительно меньше соответствующих энтальпий образования, то концентрация того или иного вида дефектов определяется в первую очередь величиной энтальпии образования. Расчеты показывают, что для плотно упакованных металлов концентрация атомов в междоузлиях на много порядков меньше концентрации вакансий. В случае же элементарных полупроводников со структурой типа алмаза объем междоузлий и их окружение мало отличаются от нормальных узлов и, следовательно, переход атома из узла в междоузлие не сопровождается появлением столь большой энергии деформации, как в плотно упакованных металлах. Поэтому концентрация межузельных атомов в кристаллах со структурой типа алмаза может быть того же порядка, что и концентрация вакансий. Однако не существует каких-либо данных о влиянии межузельных атомов на свойства кремния или германия, и можно считать, что концентрация атомов в междоузлиях достаточно совершенных кристаллов в общем случае незначительна. Необходимо обратить внимание на то, что между равновесными концентрациями вакансий и межузельных атомов в чистых элементарных кристаллах отсутствует какая бы то ни было связь. Это объясняется тем, что поверхность кристалла ( внешняя или внутренняя) всегда играет роль либо источника, либо стока вакансий. Между кристаллами с точечными дефектами Шоттки и кристаллами с дефектами Френкеля имеется принципиальное различие. [57]
Например, для щелочных металлов радиус для координационного числа 12 получен путем умножения на 1 03 половины экспериментально найденного межатомного расстояния в объемно-центрированной кубической решетке с восьмерной координацией. Для некоторых элементов подгруппы 6, кристаллизующихся в структурах с очень низкой координацией ( например, германий и белое олово), этот вопрос является более сложным. Использование вышеприведенных соотношений трудно обосновать для таких больших изменений координационного числа, потому что связи в структурах типа алмаза, невидимому, значительно ближе к ковалентным, а не к чисто металлическим связям. Многие из этих элементов образуют сплавы с настоящими металлами, в которых оба элемента проявляют большие К01фдпнационные числа. [58]
Осложняющим обстоятельством при анализе некоторых кристаллов и гетерогенных объектов может быть появление дополнительных рефлексов ( экстра рефлексов) вследствие двойной дифракции. В случаях г.ц.к. и о.ц.к. структур металлических кристаллов двойная дифракция от монокристальной области не приводит к появлению лишних рефлексов; происходит лишь перераспределение интенсивности дифрагированных лучей, нивелировка яркости и других особенностей точечных рефлексов и связанных с ними эффектов диффузного рассеяния. В последних случаях в результате двойной дифракции появляются рефлексы с запрещенными индексами, например, ( 200) для структуры типа алмаза. [59]
Электронная конфигурация поверхности 111 может быть лучше представлена, если сделать разрез перпендикулярно направлению 111 между плоскостями АА и ВВ, рис. II.6, так, что разорвется только одна связь. Разрез между плоскостями АА и ВВ ( включающий разрез трех связей) требует большой затраты энергии. Важно знать, каким образом два электрона, принадлежащие каждой разорванной связи, будут распределяться между вновь создавшимися поверхностными атомами. В случае структуры типа алмаза на этот вопрос легко ответить: каждый атом должен нести один электрон на разорванную связь. [60]