Точечные дефекты и планарные дефекты сильно влияют на электронные свойства полупроводников; ниже — сжатое объяснение механизмов и как лёгирование управляет проводимостью и применениями в микроэлектронике.
1) Точечные дефекты (вакансии, межузельные атомы, заместительные примеси, примесные комплексы)
- Вводят локальные уровни в запрещённой зоне. Если уровень близок к зонному краю — «мелкий» (shallow) примесный донор/акцептор, он даёт свободные носители; если глубокий — действует как ловушка или рекомбинационный центр.
- Рекомбинация SRH: дефекты с концентрацией $N_t$ и сечением захвата $\sigma$ задают время жизни носителей приблизительно $\tau \approx 1/(v_{th}\sigma N_t)$, где $v_{th}$ — тепловая скорость.
- Влияние на проводимость: добавление доноров/акцепторов меняет концентрацию носителей $n,p$; проводимость $\sigma =q(n{\mu }_n+p{\mu }_p)$.
- Точечные дефекты дают рассеяние носителей, уменьшая подвижности $\mu$ (особенно при высокой концентрации примесей) и увеличивая дрейфовый шум и утечки.
2) Планарные дефекты (дислокации, границы зерен, стэкинг-фолты, межфейсовые несоответствия)
- Дислокации и границы зерен создают линии/плоскости состояний в запрещённой зоне; это сильные рекомбинационные центры и каналы для утечек (включая ловушечно-ассистированный туннеллинг).
- В поликристаллах границы зерен существенно снижают подвижность и длину диффузии носителей; параметризация: более высокая плотность дислокаций ${\rho }_d$ ↦ меньшая средняя длина жизни/диффузии.
- На интерфейсах (напр., Si/SiO2) неподвижные заряды и трапы влияют на пороговое напряжение MOSFET и на фликкер/закон утечек.
- Плохо контролируемые планарные дефекты ухудшают эффективность солнечных элементов, светоизлучающих приборов (нерадиативная рекомбинация) и надёжность СВЧ/высоковольтных приборов.
3) Лёгирование (управление проводимостью)
- Типы: n‑легирование (доноры, e.g. P, As в Si) даёт электроны; p‑легирование (акцепторы, e.g. B в Si) — отверстия.
- Нетто‑концентрация носителей: для некомпенсированного полупроводника при полной ионизации $n\approx N_D$ (n‑тип) или $p\approx N_A$ (p‑тип). При компенсации: $n_{net}=N_D-N_A$ (для $N_D>N_A$).
- Связь с уровнем Ферми (невырожденный случай): $n=N_C\exp (-(E_C-E_F)/kT)$, где $N_C$ — эффективная плотность состояний дна зоны, $E_C$ — энергия дна зоны.
- Режимы по концентрации:
- задержанный (интринзический) при $N_D\ll n_i$,
- экструдированный/обычный при $n_i\ll N_D\ll N_C$ (полная ионизация),
- вырожденный при очень высокой концентрации, когда меняется распределение Ферми.
- Подвижность зависит от рассеяния на примесях; по правилу Маттиесена: $\frac{1}{\mu }=\frac{1}{{\mu }_{lattice}}+\frac{1}{{\mu }_{imp}}$. Приближённо ${\mu }_{imp}\propto N^{-1}$.
4) Технологические методы контроля и практические применения
- Методы введения примесей: диффузия, ионная имплантация; после имплантации требуется активация и восстановление кристаллической решётки термообработкой.
- Управление дефектами: высокочистое выращивание (float‑zone), термообработка для репарации и активирования, gettering (перемещение вредных металлов в «ловушки»), пассивация (например, водородная пассивация трапов на интерфейсах).
- Прикладные последствия:
- PN‑переходы, диоды, фотодиоды: требуется контролируемая профилизация допинга и минимизация рекомбинационных центров в области поглощения.
- MOSFET: порог $V_T$ регулируют дозой и видом допанта; дефекты на интерфейсе Si/SiO2 меняют $V_T$ и подвижность канала.
- СВЧ и силовая электроника: дислокации и глубокие уровни ухудшают пробивное напряжение и увеличивают утечки.
- Солнечные элементы, LEDs, лазеры: минимизация глубоких ловушек критична для высокой квантовой эффективности.
Кратко: точечные дефекты задают локальные уровни, влияющие на концентрацию носителей, рекомбинацию и подвижность; планарные дефекты создают сильные рекомбинационные/утечные пути и снижают транспорт. Лёгирование даёт управляемую плотность и тип носителей (n/p), сдвигает уровень Ферми и обеспечивает работу устройств; технологические приёмы (температурные обработки, пассивация, эпитаксия) позволяют одновременно активировать нужные примеси и минимизировать вредное влияние дефектов.