Структурные дефекты и примеси в полупроводниках

СТРУКТУРНЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПРИМЕСИ

В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

§ 1. Введение

В развитии современной физики твердого тела, составной частью которой является и физика полупроводников, сыграли большую роль модельные представления о кристаллическом строении твердых тел. Эти представления возникли еще в прошлом веке. Однако законченную форму, а также экспериментальное подтверждение они получили лишь с появлением рентгеноструктурного анализа в 1912 г.

Согласно этим представлениям, кристаллы в отличие от аморфных тел характеризуются регулярным пространственным расположением атомов (ионов) с периодической повторяемостью в трех измерениях. Такое пространственное расположение образует кристаллическую решетку вещества. Находящиеся в узлах этой решетки атомы (или ионы) связаны квазиупругими силами и совершают непрерывные колебания возле своих положений равновесия.

Для описания кристаллической решетки достаточно знать расположение атомов (ионов) в элементарной ячейке — наименьшем многограннике, сохраняющем все особенности симметрии кристалла (рис. 1).

        В соответствии с симметрией кристалла элементарная ячейка может иметь форму куба, прямоугольного или косоугольного параллелепипеда, квадратной или шестиугольной призмы.

Такие идеализированные представления оказались чрезвычайно удобными для описания ряда особенностей твердых тел: теплоемкости, дифракции рентгеновых лучей, распространения звука и др. Эти представления были также плодотворно использованы в квантовой механике для описания механизма движения электронов в кристаллах. Однако некоторые физические явления оставались необъяснимыми в рамках идеального кристалла. К ним, прежде всего, относятся диффузия и ионная проводимость. Эти процессы связаны с переносом вещества, и для их объяснения необходимо было допустить наличие в кристаллах поступательного перемещения частиц, что в рамках идеализированной модели исключалось. Возникшие здесь трудности впервые нашли свое разрешение в исследованиях А. Ф. Иоффе [1] и Я. И. Френкеля [2]. В 30-х годах Я. И. Френкелем [3] была развита кинетическая теория реальных кристаллов, которая явилась крупным шагом в развитии физики твердого тела и дала возможность теоретически объяснить те явления в кристаллах, которые до того времени оставались необъяснимыми. Поэтому изложение этой главы мы начинаем с описания реального кристалла по Френкелю.