Состояние примесных атомов с глубокими уровнями в полупроводниках в условиях сильной компенсации | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №12 (35) декабрь 2011 г.

Статья просмотрена: 237 раз

Библиографическое описание:

Садуллаев А. Б. Состояние примесных атомов с глубокими уровнями в полупроводниках в условиях сильной компенсации // Молодой ученый. — 2011. — №12. Т.1. — С. 48-50. — URL https://moluch.ru/archive/35/3956/ (дата обращения: 12.12.2018).

В условиях сильной компенсации, в полупроводниках, концентрация равновесных носителей тока становится в сотни тысячи или миллионы раз меньше, чем концентрация ионизованных примесных атомов в решетке, что имеет место при Т=300 К, а с понижением температуры эта разница еще более увеличивается. В этом случае не только нарушаются локальные электронейтральности в решетке и потенциал окружающего примесного атома, но и существенно меняется дефектная структура самой кристаллической решетки. С другой стороны в условиях сильной компенсации система находится в крайне неравновесном состоянии. Воздействие малейших внешних факторов (температуры, давления, освещенности, электрического и магнитного поля) меняет не только электронную структуру дефектов кристаллический решетки, но и существенно изменяет условия взаимодействия дефектов и носителей тока. Поэтому примесные атомы с глубокими уровнями в этих условиях не имеют фиксированных состояний в решетке, как это обычно имеет место в некомпенсированном полупроводнике, а вынуждены постоянно перестраиваться с изменением внешних воздействий. Это означает, что каждому квазиравновесному состоянию решетки соответствуют только определенные состояния примесных атомов (положение их в решетке, энергетические уровни). Поэтому в зависимости от степени компенсации материала и условий эксперимента, примесные атомы с глубокими энергетическими уровнями в кремнии могут внести в запрещенную зону материала различные энергетические уровни с соответствующим состоянием в кристаллической решетке.

Анализ опубликованных экспериментальных данных авторов [1÷6] по исследованиям примесных атомов, создающих глубокие энергетические уровни позволяет выяснит некоторые интересные факты в пользу выше изложенного предположения. Практически для всех элементов таблицы Менделеева, создающих глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне кремния был обнаружен целый ряд энергетических уровней неизвестной природой с различной энергией ионизации (таблица-1).

Таблица 1

Элементы

ЕV i

EC - Et

Литература

Sc

0.35; 0.45

0.35; 0.45

0.25

0.27; 0.35; 0.5; 0.55.

1

Mn


0.53;

0.21; 0.24; 0.3; 0.39; 0.53

2

3

Ni

0.23; 0.2

0.18; 0.22;0.4.

0.35

0.41

3


Pd

0.34

0.18; 0.22; 0.32; 0.69

5

Pt

0.34; 0.41; 0.29; 0.62; 0.3; 0.34; 0.25; 0.37.

0.31; 0.36;

0.3; 0.2; 0.25; 0.28

5



Существование этих уровней нельзя объяснить электронной структурой примесных атомов в кристаллической решетке. Большинство авторов утверждают, что примесные атомы образуют не фиксированные энергетические уровни в запрещенной зоне, а создают энергетические полосы с определенной шириной (таблица-2).

Таблица 2

Элементы

ЕV i

EC - Et

Литература

Ni

0.2÷ 0.5


3

Mn


0.4÷0.53;

0.24÷0.3.

4

Zn

0.4÷0.55

6

Pd


0.2÷0.7

5

Ir


0.17÷0.5

5

Er


0.6÷0.48

5


Данные о концентрации электроактивной части примесных атомов с глубокими уровнями полученные различными авторами, существенно отличаются друг от друга и очень противоречивы.

Нами получены некоторые новые экспериментальные результаты, связанные с поведением примесных атомов марганца в кремнии в условиях сильной компенсации. Для исследования в качестве исходного материала был использован монокристаллический кремний р-типа с удельным сопротивлением &#;=1; 4,5; 10; 100; 220 Ом·cм и n-типа с удельным сопротивлением &#;= 2;10; 25; 70; 200 Ом·cм. Концентрация кислорода в данном материале практически была одинакова и составила No2=(5÷7)·1017см-3. Из каждого исходного материала было изготовлено по 10 образцов с одинаковыми геометрическими размерами. Диффузия марганца проводилась из газовой фазы, при этом в каждую ампулу было помешено по два образца каждого исходного материала, для обеспечения одинаковых условий легирования и скорости охлаждения. Эксперимент повторялся 5 раз. При этом каждый раз при тех же условиях проводили отжиг исходных образцов без марганца, чтобы оценить влияние термоотжига на свойства материала.

Измерение электрофизических параметров образцов после диффузии марганца показало, что независимо от одинаковых условий (температура, время диффузии, давления паров диффузантов, скорости охлаждения) легирования, концентрация электроактивных атомов марганца существенно зависит от концентрации исходного бора в кремнии. Полная концентрация электроактивных атомов марганца определялась решением уравнения электронейтральности на основе экспериментальных результатов с учетом степени заполнения обоих энергетических уровней марганца (Е1с-0.24 эВ, Е2с-0.5 эВ) в запрещенной зоне кремния [8].

На рис.1 представлены зависимости концентрации электроактивных атомов марганца от концентрации исходного бора (кривая-2) и значения растворимости марганца при данной температуре диффузии (кривая-1). Как видно из рисунка, концентрация электроактивных атомов марганца в образцах р-типа с удельным сопротивлением &#;=1 Ом·cм почти на 2 порядка больше, чем в образцах р-типа с удельным сопротивлением &#;=220 Ом·cм, несмотря на легирование этих образцов в одной ампуле при абсолютно одинаковых условиях. Если концентрация электроактивных атомов марганца в образцах с &#; =1 Ом·cм достигает NMn=1.2·1016 см-3 и очень близко к значению растворимости марганца при данной температуре (NMn=2·1016-3) [9], а в образцах р-типа с &#;=220 Ом·cм она не превышает (3÷3.5)·1014 см-3.

Установлено, что концентрация электроактивных атомов марганца возрастает с увеличением концентрации бора, а при концентрации бора NВ &#; 2·1016 см-3, практически все растворимые атомы становятся электроактивными. Показано, что концентрация электроактивных атомов марганца в n-кремнии не зависит от концентрации фосфора и при исследуемых температурах диффузии составляет NMn=(2÷2.5)·1014 см-3, а это почти на 2 порядка меньше чем в р-кремнии (рис.1, кривая-3). Таким образом, концентрация электроактивных атомов марганца (и элементов группы железа) в кремнии зависит от типа и концентрации исходных примесей. Поэтому существующие литературные данные об электроактивности элементов переходных групп в кремнии является лишь частичным решением этого вопроса. Температурный ход концентрации электроактивных атомов не соответствует температурному ходу растворимости данного элемента в кремнии. Исследователи, не обращая внимания на степень компенсации исследуемого материала, условия эксперимента и параметры исходного материала, получили разные значения энергетических уровней, концентрации центров и каждый раз утверждали, что они обнаружили и новые энергетические уровни разные значения концентрации электроактивных атомов. В условиях сильной компенсации (вообще в компенсированном материале) состояние примесных атомов и соответствующие им энергетические уровни не являются фиксированными и могут иметь различные значения. В связи, с чем можно обсуждать возможность создания теории глубоких уровней в полупроводниках, которая до сих пор не существует в нормальном виде. Для этого необходимы более тщательные экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия примесных атомов с дефектами кристаллической решетки полупроводника в условиях сильной компенсации и явлениями переноса в этих материалах и вообще физики сильно компенсированных полупроводников.

Рис.1. Зависимость концентрации электроактивных атомов марганца от концентрации исходного бора и фосфора.


Литература:
  1. Азимов Г.К. Диффузия, растворимость и состояние примесей скандия и ванадия в кристаллической решетке кремния. Автореф. дисс. к.ф.-м.н. Ташкент 1992 г.
  2. Омельяновский Э.М., Фистуль В.И. Примеси переходных металлов в полупроводниках. Металлургия. М 1983 г., с.130.
  3. Далиев Х.С., Лебедев А.А., Султанов Н.А. Параметры глубоких уровней в Si<V>. ФТП, 1985, в.2, с.338-339.
  4. Юнусов М.С. Физические явления в кремнии, легированном элементами платиновой группы. ФАН, 1983.
  5. Hall R.N., Rasette J.H.. Appl phys. 1984, v.45,p.379-396.

Врезка1

Основные термины (генерируются автоматически): атом марганца, сильная компенсация, исходный материал, удельное сопротивление, атом, концентрация, уровень, исходный бор, образец р-типа, кристаллическая решетка.


Похожие статьи

Аномальное поведение примесей марганца в кремнии в условиях...

удельное сопротивление, интегральный свет, температура, компенсация материала, кристаллическая решетка, сильная компенсация, освещение образцов, магнитное поле, исходный материал, газовая фаза.

Особенности комплексообразования между примесными атомами...

Удельное сопротивление контрольных образцов подвергнутых более высокой температуре отжига, монотонно уменьшается и остается n-тип.

Кроме того, трудно представить такое резкое изменение поведения атомов марганца в кристаллической решетке кремния, с...

Разработка высокочувствительного сенсора температуры на...

Эксперименты проводились с образцами Si(111) ртипа с удельным сопротивлением r=3000 и 6000 Ом×см, с толщиной от 0,1 до 1мм.

Оценка концентрации электрически активных атомов, проведенная с помощью метода электронной оже-спектроскопии показывает, что NP...

Особенности химического осаждения металлов группы железа...

В качестве исходных образцов для исследования были взяты пластины монокристаллического кремния марки КЭФ с удельным

Это может обусловлено как геометрическим фактором – размерами коллоидных частиц и размерами атомов металлов, так и особенностями...

Получение и исследование тонких проводящих оксидов для...

Атом примеси должен иметь валентность выше, чем у атома металла, который образует

В этом случае материал будет обладать проводимостью n-типа [3]. Помимо высокой

Процесс рекомбинации происходит с участием колебаний кристаллической решетки (фононов).

Особенности дефектообразования на поверхности монокристалла...

Висмут – полуметалл, уникальные свойства которого (концентрация носителей ~ на атом, малая эффективная масса ~ , большая диамагнитная

Показатель чистоты исходного висмута и степени совершенства монокристалла (отношение удельного сопротивления кристалла...

Экспериментальные и теоретические исследования влияния...

где n0Si = Na/d3 — концентрация атомов Si в исходном монокристалле, nSi — концентрация атомов Si в имплантированном слое, p imp

Видно, что для всех типов ионов с увеличением дозы облучения величина сдвига возрастает, достигая насыщения при D=(26) 1016 cм-2.

Закономерности и описание сверхстехиометрической сорбции...

Все неорганические материалы в виде чрезвычайно мелких частиц обладают способностью к обмену катионов.

По этой причине нами экспериментально обнаружено сильное подкисление растворов в

Выделенные атомы, способные к дальнейшему образованию водородных связей.

Высокочувствительные многофункциональные датчики...

Установлено, что автоколебания тока типа ТЭН в сильно компенсированных образцах p-Si наблюдается в интервале концентрации электрически активных атомов марганца NMn=2∙1014 см-3 ÷ 2∙1016 см-3.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Аномальное поведение примесей марганца в кремнии в условиях...

удельное сопротивление, интегральный свет, температура, компенсация материала, кристаллическая решетка, сильная компенсация, освещение образцов, магнитное поле, исходный материал, газовая фаза.

Особенности комплексообразования между примесными атомами...

Удельное сопротивление контрольных образцов подвергнутых более высокой температуре отжига, монотонно уменьшается и остается n-тип.

Кроме того, трудно представить такое резкое изменение поведения атомов марганца в кристаллической решетке кремния, с...

Разработка высокочувствительного сенсора температуры на...

Эксперименты проводились с образцами Si(111) ртипа с удельным сопротивлением r=3000 и 6000 Ом×см, с толщиной от 0,1 до 1мм.

Оценка концентрации электрически активных атомов, проведенная с помощью метода электронной оже-спектроскопии показывает, что NP...

Особенности химического осаждения металлов группы железа...

В качестве исходных образцов для исследования были взяты пластины монокристаллического кремния марки КЭФ с удельным

Это может обусловлено как геометрическим фактором – размерами коллоидных частиц и размерами атомов металлов, так и особенностями...

Получение и исследование тонких проводящих оксидов для...

Атом примеси должен иметь валентность выше, чем у атома металла, который образует

В этом случае материал будет обладать проводимостью n-типа [3]. Помимо высокой

Процесс рекомбинации происходит с участием колебаний кристаллической решетки (фононов).

Особенности дефектообразования на поверхности монокристалла...

Висмут – полуметалл, уникальные свойства которого (концентрация носителей ~ на атом, малая эффективная масса ~ , большая диамагнитная

Показатель чистоты исходного висмута и степени совершенства монокристалла (отношение удельного сопротивления кристалла...

Экспериментальные и теоретические исследования влияния...

где n0Si = Na/d3 — концентрация атомов Si в исходном монокристалле, nSi — концентрация атомов Si в имплантированном слое, p imp

Видно, что для всех типов ионов с увеличением дозы облучения величина сдвига возрастает, достигая насыщения при D=(26) 1016 cм-2.

Закономерности и описание сверхстехиометрической сорбции...

Все неорганические материалы в виде чрезвычайно мелких частиц обладают способностью к обмену катионов.

По этой причине нами экспериментально обнаружено сильное подкисление растворов в

Выделенные атомы, способные к дальнейшему образованию водородных связей.

Высокочувствительные многофункциональные датчики...

Установлено, что автоколебания тока типа ТЭН в сильно компенсированных образцах p-Si наблюдается в интервале концентрации электрически активных атомов марганца NMn=2∙1014 см-3 ÷ 2∙1016 см-3.

Задать вопрос