Мелкие и глубокие примеси

Примеси в полупроводниках представляют собой атомы, отличающиеся по химическому составу от атомов основной решётки кристалла. Они встраиваются в узлы решётки или в межузельные положения и создают локализованные энергетические уровни внутри запрещённой зоны. Эти уровни могут располагаться близко к краям зон (мелкие примеси) или значительно глубже внутри запрещённой зоны (глубокие примеси).

Энергетическое положение примесного уровня по отношению к краям зон определяет его электрические свойства, характер ионизации и влияние на проводимость материала.

Мелкие примеси

Определение и характеристики: Мелкими называются такие примеси, энергетические уровни которых находятся очень близко к краям зон проводимости или валентной зоны — обычно на расстоянии порядка нескольких милли- или десятков миллиэлектронвольт.

  • Донорные мелкие примеси создают уровни чуть ниже зоны проводимости, легко ионизируются при низких температурах, освобождая электроны.
  • Акцепторные мелкие примеси создают уровни чуть выше валентной зоны, легко захватывают электроны, формируя дырки.

Физическая природа мелких примесей: Мелкая примесь в полупроводнике подобна водородоподобной системе: примесный электрон (или дырка) удерживается кулоновским притяжением и имеет пространственный радиус, существенно превышающий постоянную решётки. В таких условиях электрон взаимодействует не только с ионным ядром примеси, но и с диэлектрической средой кристалла.

Энергия ионизации мелкой примеси описывается приближённо выражением:

$$ E_i \approx \frac{m^* e^4}{2 (4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r)^2 \hbar^2} $$

где:

  • m* — эффективная масса носителя,
  • εr — относительная диэлектрическая проницаемость кристалла.

Особенности мелких примесей:

  • Лёгкая термическая ионизация при низких температурах (десятки К).
  • Носители заряда, возникающие за счёт мелких примесей, сохраняют высокую подвижность, так как их радиус захвата велик и локализация слабая.
  • Поведение подчиняется статистике Ферми–Дирака, однако в пределах малых энергий может описываться и классическим приближением.

Глубокие примеси

Определение и характеристики: Глубокими называются примеси, уровни которых находятся значительно дальше от краёв зон — обычно на сотни миллиэлектронвольт. Такие уровни сильно локализуют носителей и требуют значительной энергии для ионизации.

Природа глубоких уровней: В отличие от мелких, глубокие примеси не могут быть описаны простой водородоподобной моделью. Их волновые функции сильно локализованы вблизи центра примеси, а энергетическое положение определяется сложным взаимодействием примесного атома с электронной зонной структурой полупроводника.

Причины образования глубоких уровней:

  • Сильное нарушение локального потенциала вблизи дефекта.
  • Замещение атома в решётке элементом с существенно отличающейся электроотрицательностью или размером.
  • Внедрение сложных дефектов: вакансий, межузельных атомов, комплексов дефектов.

Электронные свойства глубоких примесей:

  • Высокая энергия активации, что делает их малоэффективными в качестве источников свободных носителей при комнатной температуре.
  • Сильная рекомбинационная активность: глубокие уровни часто выступают центрами Шокли–Рида–Холла, ускоряющими рекомбинацию электронов и дырок.
  • Возможность захвата как электронов, так и дырок, что приводит к генерации или тушению фотопроводимости.

Сравнительная таблица свойств мелких и глубоких примесей

Свойство Мелкие примеси Глубокие примеси
Энергетическое положение Несколько меВ от края зоны Сотни меВ от края зоны
Радиус локализации Десятки нанометров Сравним с размером решётки
Энергия ионизации Малая Большая
Температура ионизации Низкая (10–100 К) Высокая (>300 К)
Роль в проводимости Основной источник носителей Чаще — рекомбинационные центры
Модель описания Водородоподобная Локализованная, квантово-химическая

Влияние концентрации и распределения примесей

Эффект от примесей зависит не только от их типа, но и от концентрации:

  • Низкая концентрация мелких примесей приводит к дискретному увеличению проводимости.
  • Высокая концентрация может вызвать перекрытие волновых функций примесных центров, образование примесной зоны и переход к металлическому поведению (металло–диэлектрический переход по Мотту).
  • Для глубоких примесей рост концентрации усиливает рекомбинационные процессы, что может ухудшать характеристики приборов.

Роль мелких и глубоких примесей в приборах

  • Мелкие примеси — основа легирования полупроводников, применяются для создания n- и p-типов проводимости, формирования p–n переходов, тонкой настройки электронных свойств материала.

  • Глубокие примеси часто рассматриваются как нежелательные дефекты, но в некоторых случаях используются целенаправленно, например:

    • В фотодетекторах для расширения спектральной чувствительности.
    • В запоминающих устройствах для создания уровней хранения заряда.
Оглавление