Структурные дефекты и примеси в полупроводниках, страница 2

После этого рассматриваются несовершенства (дефекты) в кристаллах, связанные с облучением, наличием примесей, центров окрашивания и дислокаций. Особое внимание уделяется описанию примесей в полупроводниковых кристаллах. Далее дается краткое описание квантово механической модели примесного полупроводника и процесса компенсирования разнородных примесей в полупроводниковых кристаллах. В последнем параграфе рассматриваются вопросы, касающиеся химической связи в полупроводниках.

§ 2. Реальные кристаллы

Реальные кристаллы отличаются от идеализированной модели прежде всего наличием многочисленных нарушений регулярного расположения атомов в кристаллической решетке вещества. Эти нарушения (дефекты) могут быть обусловлены различными причинами: присутствием примесей, искажениями роста (образование блоков, дислокаций, микротрещин), избытком одной из компонент в химических соединениях и т. п. Наличие этих дефектов и их концентрация определяются условиями синтеза вещества и выращивания монокристаллов. Однако в реальных кристаллах имеются еще и другие дефекты, дефекты особого рода, которые присущи самой природе кристаллического состояния и поэтому всегда и неизбежно сопутствуют любому кристаллу.

Рассмотрению природы этих дефектов и их влияния на физические свойства кристаллов посвящена кинетическая теория реальных кристаллов Я. И. Френкеля.

Каковы же эти дефекты и как они возникают в кристаллах?

В физике хорошо известно явление сублимации — испарения твердых тел. Над твердым телом, точно так же как и над жидкостью, всегда существует <пар>, состоящий из атомов данного вещества. Если поместить твердое тело в замкнутый объем, то нетрудно убедиться, что упругость пара будет увеличиваться с ростом температуры. Для того чтобы объяснить это явление, нужно допустить, что отдельные атомы, образующие поверхностный слой твердого тела (кристалла), могут приобретать кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от поверхности кристалла и свободно перемещаться в пространстве. В этом и заключается явление сублимации. Однако такой отрыв (диссоциация) может иметь место не только для поверхностных атомов, но и для атомов внутри кристалла. Действительно, согласно основным принципам статистической физики, в частности согласно максвелловскому закону распределения скоростей, даже в том случае, когда средняя кинетическая энергии атомов очень мала, в кристалле всегда найдется некоторое число таких атомов, кинетическая энергии которых может быть сколь угодно велика, причем в соответствии с вероятностным характером этого явления, каждый из атомов кристалла может рано или поздно приобрести энергию, которая в любое число раз больше средней кинетической энергии остальных атомов кристалла. Такой атом может сорваться со своего равновесного положения в кристалле и, преодолев потенциальный барьер, созданный окружающими его атомами, перейти в некоторое новое положение равновесия. В процессе дальнейшего движения по кристаллу этот атом теряет избыточную энергию, отдавая ее  обратно решетке. Куда же может попасть такой <испарившийся> внутри кристалла атом? Если все ближайшие узлы решетки заняты, то он может разместиться только в междоузлии. Я. И. Френкель назвал такой атом «дислоцированным»[3]. «Испарение» атомов внутри кристалла приводит одновременно и к образованию вакантных узлов —  «дырок»Дефекты в кристаллах в виде совокупности дислоцированных атомов и вакантных узлов ( в настоящее время принято называть «дефектами по Френкелю» (рис. 2, а).