СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №7/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 13 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2015 ли, циклотроны, изотопы и так далее, вплоть до термоядерного генерато- ра – Солнца). Уместно и такое суще- ственное замечание: в металлах под- вижность электронов, которая характе- ризует дрейфовую скорость переноса электромагнитной энергии (при нор- мальных условиях), имеет сверхмалые величины, например, Ag – 56 cм 2 /В × с, Cu – 35 cм 2 /В × с, Al – 10 cм 2 /В × с, при практической напряжённости поля, не превышающей 0,001 В/см, то есть скорость потока электронов не выше, чем полмиллиметра в секун- ду (0,5 × 10 –1 см/с), к примеру, в GaAs v = 2 × 10 7 см/с. Как же тогда понимать в отношении металлов выражение, что электрический ток – это направленное движение заряженных частиц? Направ- ленного движения электрически заря- женных частиц, тех же электронов, концентрация которых, допустим, в меди ≈ 8 × 10 22 см –3 , практически нет. Есть дрейфово-тепловой, слегка упоря- доченный хаос движения таких частиц. А вот такая характеристика проводи- мости, как скорость передачи/пере- носа электрической энергии, очень высока и достигает субзначений ско- рости света в вакууме С ≈ 3 × 10 10 см/с. В металлах проводимость (передача/ перенос) электромагнитной энергии обусловлена волновыми свойствами поляризованного взаимодействия ато- мов кристаллической решётки. В дан- ном случае мы имеем дело с фотонной проводимостью. Фотонная проводимость наиболее ярко проявляется в диэлектрической среде (вакуум, ионосфера, стратосфе- ра, тропосфера, диэлектрические мате- риалы с очень малыми значениями ε – диэлектрической проницаемости), менее удачно – в металлах, и совсем неплохо – в твёрдых телах, совмеща- ющих в себе свойства изолятора, полу- проводника, проводника, сверхпровод- ника (на примере того же алмаза или арсенида галлия). Классическая зонная теория прово- димости – это не что иное, как физи- ческое явление ионизации атома или группы атомов полупроводника, свя- занное с процессом либо присоеди- нения, либо отторжения заряженной частицы атома. Рассматривая электрон как продукт ионизации, необходимо констатиро- вать, что энергия ионизации атомов идеальной решётки известных полу- проводников (Si, Ge, GaAs и других) колеблется в пределах 6–8 эВ, а точ- нее, у кремния (Si) – 8,1517 эВ, у гер- мания (Ge) – 7,8995 эВ, мышьяка (As) – 9,789 эВ, галлия (Ga) – 5,999 эВ [6]. То есть энергия ионизации GaAs, вероят- но, находится в пределах от 6,0 эВ. Тем не менее, на практике мы опе- рируем оптической шириной запре- щённой зоны в кремнии – 1,12 эВ или в GaAs – 1,43 эВ. Фактическое преоб- разование энергии ионизации GaAs в оптическую ширину запрещённой зоны с потерей ≈ 5 эВ так просто объ- яснить невозможно. К примеру, темпе- ратурнымфактором (тепловыми кван- тами – kT) здесь никакая экспонента (1) не поможет. Как в собственном полу- проводнике кристалла GaAs «набрать» таким способом концентрацию свобод- ных носителей n i = n = p → < 10 6 cм –3 ? Очевидно, что снижению «термиче- ской» запрещённой зоны от 6–8 эВ до уровня «оптической» 1,12 эВ (Si) или 1,43 эВ (GaAs) способствуют струк- турные несовершенства кристалла и атмосфера (атомная среда), в кото- рой выращиваются полупроводнико- вые кристаллы. Для изменения энер- госостояния решётки кардинальным образом достаточно структурных несо- вершенств атомной решётки на уров- не 10 –9 –10 –10 % атомной плотности кри- сталла. Наряду со структурными методами влияния на энергию ионизации в кри- сталлической решётке полупроводни- ка, практическим способом создания количества ионизированных состоя- ний в решётке полупроводника явля- ется примесное легирование, которое, как известно, на практике использу- ется в пределах 10 13 –10 20 атомов/см 3 (в кремнии, германии, арсениде гал- лия) или 10 –4 –10 –11 % плотности атом- ной упаковки. Полупроводниковые кристаллы, как правило, ионизиро- ваны уже при комнатной температу- ре из-за наличия в узлах кристалличе- ской решётки донорной или акцеп- торной примесей. К примеру, энергия ионизации донорной примеси в Si, Ge, GaAs определяется по формуле: , (2) где E H – энергия ионизации атома водо- рода, равная 13,6 эВ, ε 0 – диэлектриче- ская проницаемость вакуума, m 0 иm eff – масса покоя электрона и эффективная масса электрона (в зоне проводимости). Энергия ионизации донорной при- меси [6] в GaAs составляет 5–6 мэВ, акцепторной – 26–35 мэВ. Формула (2) справедлива в общем случае, но есть полупроводниковые кристаллы A III B V , которые в случае леги- рования амфотерной примесью эле- ментами IV группы таблицы Менделе- ева, например, при LPE-выращивании, могут противоречить формуле (1), и энергия ионизации может отличать- ся более чем на полтора порядка. Вслед- ствие этого у LPE i-GaAs-кристалла, легированного кремнием в кварцевой среде («кварцевый» LPE i-GaAs), прояв- ляются новые уникальные свойства по электропрочности, подвижности носи- телей заряда и политипу проводимо- сти (от ρ > 10 9 Ом × см до идеальной, близкой к металлической, проводимо- сти с ρ << 10 –6 Ом × см). Данный материал открывает новую страницу в современной электрони- ке, на нём можно выполнить более широкий спектр приборов, чем на всех остальных полупроводниковых мате- риалах вместе взятых. Рассмотрим некоторые вопросы, свя- занные с электронной и релятивист- ской проводимостями в кристаллах LPE i-GaAs (Si/SiO 2 ), но вначале рассмотрим энергетику LPE i-GaAs-монокристалла. Э НЕРГЕТИКА G A A S МОНОКРИСТАЛЛА Процессы и методы ионизации кри- сталлической структуры монокристал- лов GaAs, то есть процессы, связанные с модуляцией проводимости GaAs, сле- дующие: 1) технологические (ростовые, эпи- таксиальные процессы, термооб- работка, легирование донорной или акцепторной примесью); 2) полевые, то есть электромагнитные методы; 3) релятивистские (фотонные, элек- тронные, протонные, нейтронные, гамма-лучевые и другие). Идеальный, беспримесный, безде- фектный GaAs монокристалл в равно- весном состоянии представляет собой чистый диэлектрик, в котором концен- трация собственных носителей заряда находится на ничтожном вероятност- ном уровне меньше, чем 10 –18 % от плот- ности атомной упаковки. Энергетика реального «кварцево- го» LPE i-GaAs-монокристалла, леги- рованного амфотерными атомами кремния, резко отличается от клас- сической интерпретации энергетики © СТА-ПРЕСС