Встановлення взаємозвязку між ступенем ионности напівпровідникових сполук λ і подвижностями носіїв заряду μ в них скрутно, насамперед, через сильну чутливості μ до дефектів кристалів У той час як вимірювання Eg в зразках з широким діапазоном значень концентрації домішок і дефектів дають одне і те ж значення, для виміру «решеточной» рухливості μ(Див нижче) необхідно мати чисті і досить досконалі кристали Тому далеко не у всіх напівпровідниках по виміряної при деякій температурі рухливості можна говорити про надійне визначенні µL З іншого боку, сама теорія хімічних звязків не дає можливості розраховувати чисельні величини рухливості носіїв заряду із значень кристаллохимических параметрів, що характеризують тип хімічної звязку, можна говорити лише про тенденції, знання яких корисне для прогнозування властивостей одержуваних напівпровідникових матеріалів

Перш ніж розглядати вплив іонної складової звязку на рухливість носіїв заряду μ, обговоримо деякі питання, повязані з самим поняттям μ Рухливість носіїв заряду визначається їх розсіюванням в кристалі В ідеальній кристалічній решітці розсіювання відсутня У реальних же кристалах розсіювання носіїв відбувається на порушеннях періодичності кристалічної структури, тобто будь-яких відхиленнях силового поля решітки від ідеально періодичного Ці порушення можуть бути викликані різними причинами:

1) тепловими коливаннями атомів або іонів, що складають кристалічну решітку 2) домішками, які можуть перебувати в кристалі або в ионизованном, або в нейтральному стані 3) всілякими дефектами решітки (вакансіями, дислокаціями, межами кристалічних зерен, тріщинами і т д див гл 3) Крім того, носії можуть розсіюватися один на одному

Обмежимося розглядом розсіювання носіїв заряду на теплових коливаннях гратки, тобто розглядом «решеточной» рухливості (при цьому необхідно користуватися даними для чистих і структурно досконалих кристалів) При досить високих температурах атоми решітки здійснюють малі теплові коливання біля своїх рівноважних положень Серед можливих типів коливань виділяють акустичні колебанія14 і оптичні колебанія15 Акустичні коливання відповідають зсувам елементарної комірки як цілого, а оптичні – внутрішнім деформацій в ній при майже нерухомому центрі ваги осередки Ці малі коливання поширюються по всьому кристалу у вигляді хвиль Ввівши спеціальні, так звані нормальні, координати, повну енергію коливного кристала можна представити як суму енергій невзаємодіючих квазічастинок з енергією kω (q) І квазіімпульсом kq, Де ω (q) – Частота коливань атомів кристала, а q – Хвильовий вектор хвилі Ці квазічастинки носять назву фононів Згідно з існуючими уявленнями, розсіювання носіїв заряду на теплових коливаннях решітки можна розглядати як їх взаємодія з фононами або, що теж саме, з коливається гратами Ця взаємодія зводиться до поглинання або випускання фонона, при цьому збільшується або зменшується, відповідно, енергія електрона

Розрізняють неполярного і полярне розсіювання Неполярного розсіювання на акустичних фононах виникає внаслідок того, що при поширенні хвиль у кристалі на періодичний потенціал ідеальної кристалічної решітки накладається додатковий періодичний потенціал, викликаний зсувом атомів з положень рівноваги (деформацією решітки) Це призводить до зміни потенційної енергії носія заряду, вираз для якої виявляється того ж типу, що й аналогічний вираз при однорідної статичної деформації, що виникає при стисненні або розтягуванні кристала Тому метод опису розсіяння (зміни енергії) носіїв заряду на акустичних фононах назвали методом потенціалу деформації [6] Аналогічні міркування можуть бути проведені і для неполярного розсіяння на оптичних фононах Однак конкретне вираження для потенціалу деформації при розсіянні на акустичних і оптичних фононах виходить різна [6]

14Прі довгохвильових акустичних коливаннях всі атоми елементарного осередку зміщуються практично синфазно

15Прі оптичних коливаннях атоми рухаються в протифазі, а центр ваги елементарної комірки залишається на місці

Практично неполярного розсіювання найбільш яскраво проявляється в гомеополярной (атомних) напівпровідниках з переважно ковалентними звязками (Si, Ge та ін)

Механізм полярного розсіювання повязаний з існуванням ефективних зарядів у атомів решітки Оптичні коливання грати викликають зміну дипольного моменту елементарної комірки, тобто коливання вектора поляризації среди16 Це призводить до зміни енергії електрона, не повязаній з потенціалом деформації Слід зауважити, що в іонних кристалах одночасно і незалежно з полярним розсіюванням може відбуватися і неполярних розсіювання, однак воно менш ефективно Це повязано з тим, що сили, що відповідають за виникнення полярного розсіювання, – дальнодействующіх, в результаті чого на електрон одночасно впливають зміни дипольного моменту в багатьох елементарних осередках Тому зазвичай полярне розсіювання виявляється переважним в іонних напівпровідниках з ковалентно-іонними звязками і не надто малими ефективними зарядами (InAs, GaAs та ін) Як правило, рухливість носіїв при досить високих температурах (коли переважає розсіювання на коливаннях решітки) 17 в кристалах з великою часткою іонної складової звязку значно нижче, ніж в кристалах з меншою часткою

У кристалах, що не мають центру інверсії і складаються з різнойменно заряджених іонів, механічна деформація супроводжується їх електричної поляризацією і виникненням електричного поля Цей пєзоелектричний ефект обумовлений тим, що при механічній деформації такого кристала окремі подрешетки, кожна з яких складається з іонів одного й того ж знака, можуть зміщуватися щодо один одного і при цьому виникає електричний момент При коливаннях решітки в таких кристалах на носії заряду діють сили з боку електричного поля, що призводить до додаткового механізму розсіювання Це так зване єзоелектричні розсіювання на акустичних фононах Воно спостерігається в кристалах сполук AIIIBV (GaAs, InSb), AIIBVI (CdS, CdSe) та інших

Експериментально встановлено, що в чистих елементарних напівпровідниках (з переважною часткою ковалентного звязку) при кімнатній температурі основну роль грає неполярного розсіювання носіїв заря

16 З цієї причини коливання розглянутого типу іноді називають поляризаційними

17 При низьких температурах, коли коливання грати не інтенсивні, тобто число фононів мало, переважає розсіювання носіїв на нейтральних атомах, точкових дефектах або іонах домішки

да на акустичних фононах До нього додається неполярного розсіювання на оптичних фононах При переході до зєднань (чисті зразки), що має іонну складову звязку, починає переважати розсіювання носіїв заряду на поляризаційних фононах Тому можна очікувати зменшення μпри переході від елементарних напівпровідників до зєднань ізоелектронних ряду Однак у найбільш обширних ізоелектронних рядах α-Sn і Ge рухливість електронів μспочатку зростає, а лише потім починає різко падати (табл 26) Для того щоб пояснити цей факт, необхідно мати на увазі, і це дуже істотно, що при порівнянні подвижностей носіїв у різних кристалах слід враховувати, що на їх величину, крім ступеня ионности зєднання, також впливає і маса носіїв заряду, і сама зонна структура кристала [6] Який з факторів виявиться переважаючим, часто важко передбачити

У зєднаннях AIIIBV максимум рухливості μ ± 78000 см2 / В · с спостерігається у InSb, в AIIBVI максимум μ ± 2300 см2 / В · с спостерігається у HgTe, в AIBVII максимум μ ± 50 см2 / В · с спостерігається у AgI Під

всіх цих трьох зєднаннях q* Виявляється мінімальним або близьким до мінімального значення ефективних зарядів, характерних для відповідної групи сполук, тому полярне розсіяння в них мінімально Таким чином, в кожній з груп сполук ANB8-N максимум рухливості спостерігається поблизу мінімального значення q*, А при переході від AIIIBV до AIIBVI і далі до AIBVII величина максимальної

рухливості падає із збільшенням рівноважної ионности зєднання, так що і відносна полярність звязку ~ q*, І рівноважна ионности

визначають величини рухливості електронів у напівпровідникових зєднаннях з ковалентно-іонної межатомной звязком

Рухливості дірок у всіх зєднаннях ANB8-N, як правило, не перевищують їх величин в напівпровідниках IVA підгрупи У ізоелектронних рядах, наведених у табл 26, рухливість дірок різко зменшується при переході від елементарних напівпровідників до зєднань і далі продовжує зменшуватися з ростом ступеня ионности зєднання

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002