Кинетические эффекты в классических полупроводниках (германии и кремнии) при низких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

московский

ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕН И ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи УДК 621.315.592

РГ8 ОЛ

БАННАЯ ВЕРА ФЕДОРОВНА

1ШПЕП!ЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КЛАССИЧЕСКИХ ПОЛУПГОВОДШ1КЛХ (ГЕРМАНИИ И КРЕМНИЙ) ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

01.04.10 — фпзяха полупроводнаход и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссгртацни на соискание ученой степени доктора физико-математических паук -

Москва - 1994.

Диссертационная работа выполнена в Московском ной открытом педагогическом институте.

государствен-

Офщиалъные оппоненты:

доктор фияико-мптемптичоских наук

КАГАЧ U.C., доктор ..-.физико-математических наук,

профессор КОВАЛЕВ А.Н., доктор физико-математических наук

кшцяво* с.а.

ГГ>Р£'.!!7Г

Защити состоится

«30 " 1994 г. в часов на

заседании специализированного сопетя Д-053.С0.06 по присуждению ученых степеней при Московском институте стали и гпланов по адресу: II7936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4. .

С диссертацией могло ознакомиться р библиотеке института.

Автореферат-- рряоолм* 1994 г.

Справки по телефону: 23C-99-2G.

УченыП секротпрь с~ пета . кандидат физико-м/1';'ед:.-5гически)с наук,-

профессор • ГТГАС! !"' ÎÎ.B.

ОЕЦАЯ ХЛРМГЕРЙСТШт РАБОТЫ

Актуальность. Среди большого клесга полупроводниковых материа-Ю8 существует небольшое количество агентов, физические явления I которых несиотоя на более чем пздувккоедтэ историю исследования, шляются предметом постоянного ве-гст^р^^-го внимания. К ним отно-!ятся те полуярсво/здики, технологу «.«учения которнх позволяет ¡оздать совершенные по структуре монокристаллы с малым содержанием ¡статочных примесей, что делает воэмояни любое дозированное леги-и компенсации!, то-есть создание полупроводников с задании» ш параметрами. Последней обеспечивает, с о.шой стороны, широкое фактическое использование этих материалов, с другой позволяет юделировать целый ряд физических явлений. Яидируицее положение в »той группе полупроводников занимавт и ¿1 . Германий и креи-1ий являются "пионерами" по исследованию физических-свойств полу-¡роаодников. Многолетнее изучение их привело к достаточно полному гсниманкю строения зонной структуры, процессов переноса^ измерению ; высокой степенью точности таких параметров как виргаа запрещен-юй зоны, эффективные массы электронов и ддрок (в том числе легких шрок), энергия ионизации мелких водородоподобнь'я: примесей и т.д.

Вместе с.тем, именно потому, что изучение и интен-швко проводилось на ранних стадиях развития полупроводниковых технологий получения и очистки материалов, большинство работ по «следованию процессов переноса в я выполнено на сравните-1Ьчо "грязных" монокристаллах с содержанием остаточных приыесей МаЛМ') & см дальнейшего-легирования.от этого уровня). 1сно, что такое значение концентрации примесей существенно сказы-5ается на механизмах рассеяния энергии и импульса носителей заря-па, процессах рекомбинации и т.д.

В последующие годи были получены качественно новые монокристаллы Ое и ЭС , содержащие либо очень малую концентрацию остаточных примесей (10 + 10^ см"^), либо легированные разными ю химической природе примесями, с заданной степенью компенсации

ix.

Большой вклад в развитие технологий получения таких материа-юв, методов их высокой степени очистки и прецизионного легирова-1ия различными примесями, внесли исследоЕ -шя, проводимые в

-

ГИРЕД4ЕТе. Многолетняя совместная работа автора с группой сотру; ников (в составе коллектива Проблемной Радиофизической лаборато] МТТШ им.В.И.Ленина) с технологами Гиредмет оказалась исключител) продуктивной. С одной стороны, степень очистки за горн совмести! работы улучшилась почти на четыре порядка (c«v 10" до~ 10*® си"' с другой, - проводя гальваномагнитные измерения большого числа < разное, мы получили широкую возможность исследования уникальных материалов: либо столь чистых, что в кинетических эффектах не й зывалось рассеяние энергии и импульса носителей заряда на приме< либо легированных основными примесями на ничтожно малом фоне ко! пенснруидих и поэтому имеющих при низких температурах большое ч ло нейтральных центров, которые сказывались на процессах рассея й рекомбинации носителей заряда. Наконец, мы получили возможное проводить исследования на образцах, концентрация и степень комп сации примесей в которых, варьировались в очень широком диалазо!

Исследование кинетических процессов в таких монокристаллах n<»5¿ показало ряд особенностей в уже ранее изучавшихся явлениях наличие совершенно новых результатов.

Настоящая работа посвящена широкому экспериментальному исследованию качественно новых полупроводниковых материалов: моно кристаллического Ge и S>¿ , предельно очищенных и легированных разними по химической природе примесями.

Содержанием работы непосредственно является изучение в так материалах кинетических эффектов, связанных с разогревом носите -заряда при низких температурах возбуждающим излучением или злен рическим полем, включая электрический пробой примесей, а также влияние химической природы примесей на гальваномагнитные эффект Эти Вопросы представляют существенный как научный так и приклад ной интерес.

С точки ярения фундаментальных физических исследований, процессы разогрева ¡шеителей заряда связаны с изучением механиа hos релаксации энергии и импульса, формирующих функцию распреде ння электронов и дырок по энергии, и механизмами кх рекомбинапи Причем, эти явлении парисят от вида возбуждения носителей заря/ температуры решетки и концентрации примесей.

Разопрев носителей яаряда электрическим полем наиболее эффективен в<£е . Большая чувствительность к внешнему воздейстни позволяет в нем в сравнительно небольших электрических полях

-

Е 100 В/см) проследить все стадии разогрева. В этой за,ра-тесно связаны такие важнейшие проблемы как свойства мелких присей, горячих носителей заряда и процессы рекомбинации. Кроме того,

является наиболее "удачным" моделью« материалом для изучения ¡имееного пробоя, так как малая энергиД ионизации примесей поэволя-' получить пробой их в небольших глгктги'-'еских полях»

Фотопроводимость в условиях разотргоа носителей заряда ьозбуи-1кхдим излучением является более тонкин физическим эффектом, кото-. !й также связан с механизмами релгклацйк энергии и тмпульса и меха-13мами рексмбинапии носителей заряда. Степень разогрева в этом слу-у? ---»исит не только от возбуждающего излучения, но и от соотногае-1Я времени релаксации энергии и времени жизни носителей заряда присной температуре решетки, что в значительной мере определяется вк->!,г к концентрацией примесей. Таким образом, изучение процессов ра-)Гр?ва носителей заряда тесно связано с вопросами определения кон-гнтрапии примесей и изучения их свойств,

Исследование всех этих проблем имеет также большое прикладооз гачение. На основе протвесного пробоя работают, например, полевке эанзистори при низких температурах, лавино-пролетиые диоды, гене-1торы шума. Кроме того, имеется большой класс устройств, работайте на горячих носителях заряда. Для разработки таких приборов неводима информация о возможности управления пробоем, о влиянии на зго различных факторов.

Практический интерес к исследованию фоторазогрева связан, главам образом, с разработкой приемников излучения (в особенности низ-этемпературных). Их параметру (рабочая область частот, чувстви-зльность, инерционность), как известно, определяются процессами, гнерапии, рассеяния и рекомбинации носителей заряда.

К началу нашего исследования степень понимания физических провесов разогрева носителей заряда возбуждающим излучением и злектри-5ским полем (включая пробой примесей) была существенно неодинако-а. К этому времени имелось большое число оригинальных работ и монорафий, посвященных теоретическому и экспериментальному исследова-ию горячих электронов в полупроводниках, содеряацих значительный энцентрапизэ примесей ( /V 10^ см~^). Интерес к примэсно-

у пробоя в вызвал появление большого числа работ, посвящен-

ых этой проблеме /1-10?. Среда них важную роль играют исследова-ия Э.И.Заварипкой, выполненные в ФИАН СССР /5,6?. Полученные дан-ие позволили установить природу примесного пробоя, обнаружить влитие на него ЙбНпентрадии примесей, магнитного поля, температуры.

Получение предельно очищенных полупроводниковых материалов их практическое использование привело к постановке новой проблем не рассматривавшейся ранее: изучении примесного пробоя (и механизмов разогрева) в чистых и , Это позволяет существенно упростить задачу, рассматривая явления в условиях рассеяийя эне£ гии только на колебаниях решет::«, так как лримесь играет двояку« роль в пробое: являясь объектом ионизации, она в то же время влги ет на рассеяние энергии и импульса. Кроме того, в последнее врези появились новые теоретические работы по горячим носителям, механизму пробоя, теории рекомбинации: В.А.Чуенковыы создана теория разогрева, где учтено влияние зонной структуры полупроводника и магнитного поля /д,Ц7; появились теоретические работы В.Н.Абак> мова, И.Н.ЯссиеЕич, Л.НЛрещук /12-13/, вне слип уточнение в теорию рекомбинации Лэкса /Ь{/, В них также рассмотрено влияние на механизмы рекомбинации электрического и магнитного полей. Все эч Потребовало новой экспериментальной проверки полученных рэзулыгг тов.

..Фотопроводимость &€п $1 хотя и изучается очень давно, но воскожность "разогрева" фотоносителей светом до последнего рреые ни не принималась во внимание, ¿то не случайно, так как само во: шшюьение этого вопроса стало возмтккда лишь благодаря вксокомз уровню развития технологии полупроводников, техники эксперимент; и знаний о кинетических явлениях в полупроводниках, достигнутых последний годы.

Теория фоторазогрева развита в ряде раоот /15-187. Из нее следует, что, если время жиони фотовозбужденных носителей, определяемое числом центров рекомбинации, оказывается меньше или ср нимым со временем релаксации энергии, то они ко успевают за Ере! жизни придти в равновесие с решеткой и рекомбинируют горячими -возникает фоторазстрев. Экспериментально этот эффект исследован мало, что связано. '.:.?.< с достаточной новизной вопроса, так и со сложностью постановки эксперимента (гелиевые температуры, монохроматическое возбуждение носителей заряда, широкий спектр возбуждения и диапазон -изменения концентрации примесей).

• Работа по экспериментальному изучении этих проблем проводились практически параллельно в нескольких научных лабораториях. Среди них:основные: лаборатория Калашникова С.Г. Ш\) А: 1 СССР (р; боты Калоиникива С.Г., Ждановой Н.Г. и др. /1У-2(¡7, Годика Э.Э. Покровского Я.К., Синиса В.П. м др. /21-2%?; лаборатория при ка федре полупроводников М'У им.В.И.Ломоносова (работы Бесфамиль-

яой В.А., Остробородовой В.В, и др. /¡¡3-2$', проблемная радиофизическая лаборатория при МГ11И им.В.И.Ленина /25-297,' лаборатории ГИРВДМЕГ (работы, связанные о получение и исследованием новых

полупроводниковых материалов/30-33,

Таким образом, актуальность исгла^ддания кинетических явлений в SL при низких температуру связана, как с созданием/ качественно новик ионокристаллов sTPiполупроводников, в котирых эффекты разогрева носителей заряда (электрическим полем или возбуждающим излучением) обстоятельно и^ изучались, а также с необходимостью экспериментальной проверки новых теоретических результатов, учитывающих сложность зонной структуры полупроводников, влияние магнитного поля и температуры на механизмы разогрева и рекомбинации, и, наконец, практической потребностью определения параметров материалов при их использовании в тех или иных электронных устройствах,

Предает и цель исследования. Целью работы являлось изучение при низких температурах разогрева носителей заряда возбувдашда излучением и электрическим полем в германии и кремнии, особенностей этих механизмов в чистых и некомпенсированных материалах, исследование зависимости примесного электрического пробоя в чистых и Si ст степени компансаиии примесей (п широком диапазоне № ), а также:изучение слияния на механизмы разогрева и пробой м&гнитного поля, температуры, «окцептрации цэнтроБ рекомбинации и способа возбуждения носителей заряда.

При выполнении исследований большое.внимание уделялось вопросам точности определения параметров материала, соответствия их структуры рассматриваемым моделям и, в связи с этим, - границ применимости холловских методов определения раздельной концентрации примесей. . ,

Выбор германия и кремния в качестве объектов комплексного исследования электрических явлений при низких температурах, как уже отмечалось, определяется рядом факторов. Большой чувствительностью к внешнему воздействию, наличием материалов с широким диапазоном изменения параметров; "модельностью" этих материалов,их ои-рокий практическим использованием.

Научная новизна. В результате проведенных исследований полутон ряд новых результатов, главные из которых могу* быть сфорку-виройаны следующим образом.

I. Определены границы применимости к точности хохловского

м^-тода определения раздельной концентрации примесей в случае о, ной и двух основных легирующих примесей. Показано, что только : первом случае .этот метод обладает достаточной точностью и над© ностью, во втором - имеет существенные ограничения, связанные соотношением концентраций основных и компенсирующих примесей, энергии ионизации их.

2. Подробно изучены основные закономерности поведения в г мании примесей, обладающих высокой подвижностью (большим козфф циентом диффузии): лития и ртути, легирование которыми имеет п тическую значимость. Показано, что особенности галованомагнитн эффектов и разогрева носителей заряда электрическим полем в та материалах, могу? быть объяснены возникновением в матрице обра областей локальной перекомпенсации примесей. Изучены свойства этих областей в зависимости от уровня легирования.

3. Предложен способ "корректного" учета вклада различных ланизмов рассеяния юлпульса. носителей заряда в результирующую подвижность. Уточнен способ определения концентрации коипенси^ щей примеси по величине подвижности носителей заряда при фикс» рованной температуре.

4. По результатам исследования разогрева носителей зарядг электрическим полем в п - и р - бе в условиях собственного фоз возбуждения в широком диапазоне полей и генераций, показана сг ведливость модели рекомбинации фотоносителей через глубокие п| иесные центры. Предложен метод определения концентрации глубог примесей в случае, когда их содержание много меньше концентра! мелких примесей»

5. Впервые подробно изучена зависимость поля низкотемпер) ного примесного электрического пробоя мелких примесей ( В) степеии их компенсации в предельно очищенном П. - и р - й» с с; марной концентрацией примесей см"^ на больше] числе образцов в широком диапазоне значений М ; обнаружено уы чение Егр с ростам К .

Предложена модель расчета кинетических коэффициентов хор описывающая экспериментальные результаты.

Объяснены механизмы охлаждения носителей заряда в сильно пенсированных образцах, приводящие к существенному увеличению ля пробоя (междолинные переходы в п - (Ре, рассеяние энергии оптических фононах -ар- ) •

Изучено влияние магнитного поля, температуры и интенсивн фотогенерации на величину Еар.

По аналогии с германием, выполнен расчет г висиыости Епр(к) чистом S¿, проведено сравнение теоретической кривой с очень многочисленными экспериментальными данными.

6. Исследовалось явление фоторазсгр-зва носителей заряда 'Эбуядащим излучением в легированных и .

Подробно изучена зависимость рраиеии жизни фотовозбужденных 1рок концентрации центров рекам&шации А/д в £1 : В и

« : &а. обнаружено ослабление ^"ТТ" при А/д

Г . Полученная экспериментальная зависимость хорошо описывает! теорией фоторазогрева /1?/.

Объяснено влияние нейтральных примесей на процессы рекомби-1ции фотоносителей в легированном и практически некомленсирован->ы £<£ и 21 . прМЕ одяцс-з к резкому уменьшению и сильной темпе равной зависимости среднего времени жизни фотоноситэдей.

7. Экспериментально исследованы осцилляции фотопроводимости >ФП) в $1 : & и в условиях "иромекугочного4 фоггоразогрз-I носителей заряда.

Изучено влияние магнитного поля на глубину (Ж1: обнаружено 1еньшенио глубины осцилляций с ростом напряженности поля (И ).

На основании теоретической оценки 0®, предсказано суцествс-нше остаточных осцилляции з сильных И и природа'насыщения глуши осцилляций с ростом А/ . Лолучено хорошее соответствие тесрз-¡ческпх и экспериментальных результатов.

8. Впервые экспериментально обнаружено существенное зозряс-шие среднего времени жизни горячих носителей заряда в квантовых ^нитных полях. Исследована зависимость эффекта от величины гектрического псля, магнитного поля и вида генерации. Полученные гзультаты качественного согласуются с теорией рекомбинации носи-;лей завядп в греющих электрических и квантовых магнитных, полях

137.

9. Уточнены, в ряде случаев зяерэый определены нэксгеркз ки-Ш'ческио характеристики:

пцотности состояний я соответствующих гонах "я фгас'гор вырождения орцовного состояния К I

соотношение мезду концентрациями легких и маседык дырок в &&> энергетическая зависимость сечения ударной ионизации п ; получены значения коэффициентов захвата дырок на отрицательно заряженный 3 в ¿V н £п в ¡5с

определены температурные варискчосм кс $фициенгов захвата ды-

рок в £е и .

Эти положения выносятся на защиту.

Практическая ценность работы состоит в следующем*

1. Впервые разработана и создана гелиевая установка для холловских измерений высокоомных образцов ( 10*® Ом) в диапазоне температуры 2 ^ Т^200К% на которой в течение почти 25 лв! проводились серийные измерения параметров , и других полупроводниковых материалов, полученных в.ГМРВДкЕТ и на отечественных заводах.

Созданные позднее более совершенные установки использовали ряд элементов конструкции описанного холловского стенда и криогенного макета.

2. Исходя из анализа физических процессов в исследуемых материалах, разработаны, предложены и аппробированы на большом числе образцов экспресс-методики определения раздельной концентра' ции примзсеП, которые могут быть использованы для контроля качества полупроводниковых материалов в условиях заводских лабораторий :

- определение степени компенсации примесей в материалах с известной легирующей примесью из измерений постоянной Холла ( ) при фиксированном значении Т в низкотемпературной области;

- определение разностной концентрации примесей в материале р -типа проводимости по температуре инверсии знака постоянной Холла;

- определение концен*рации компенсирующей примеси в легированном <£д из значений /Р#лри 7"*' ??Л%'

- определение степени компенсации примесей по величине поля прн-месного пробоя в чистом

- определение концентрации глубоких примесей по точке инверсии знака постоянной Холла в зависимости от интенсивности межзонного подсвета;

- оценка концентрации компенсирующей примеси по величине подвижности носителей заряда при фиксированной температуре.

3. Разработаны и созданы криогенные макеты и измерительные установки, позволившие провести исследование электрического и фоторазогрева носителей заряда, электрического пробоя в и Яс и исследование этих эффектов в широком диапазоне конценграций примесей, электрических и магнитных полей , температур и интенсив-ностей подсвета.

4. Проведенные исследования фоторазогрева носителей заряда возбуждающим излучением способствовали выбору оптимальной к'. н-

иентрации примесей в используемых полупроводник;-; и рабочих условий устройств криогенной микроэлектроники (например, приемников излучения в ИК-диалаэонё длин волн).

5. Детальное изучение областей лоКа/Ш/ай перекоаденсации ¿Ь в (5йи особенностей Енедрения лития позволяет обменить уменьшение разрешающей способности германиЙ-ЛИТИевых детекторов ионизирующего излучения, при создании которых используется бе.с малой концентрацией свободных носителей заРАд^ /юлуч&Дмый (наряду с очисткой материала) компенсацией основные акцепторов литием.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, семи глав, Заключения, Приложения Г и Приложения П. Объем работы

страницы машинописного текста, включая страниц рисунков и таблиц. Список литературы содержит наименования.

Апробация работы. Основные результаты диссертации догладывались на Всесоюзном совещании по исследованию полупроводников (Ленинград, 1971 г.); на П и Ш Всесоюзных симпозиумах по физика плазмы (Вильнюс, 1974 г., 1977 г.); на Ш Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупроводниках" (Новосибирск, 1978 г.); на Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Киев, 1979 г.); на 1У Всесоюзной конференции по физико-химическим основам легирования полупроводников (коеква, 1979 г.); на Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках {Ташкент, i960 г.); на Всесоюзной конференции по изучению структурных неоднородностей в полупроводниках (¿»¿1СИС, 1'982 г.); на П и Ш Международной Дальневосточной школе-семинаре-. "Физика и химия, твердого тела" (Новосибирск, 1989 г., 1991 г.); на семинарах в ФИлН СССР, ИРЭ Ali СССР, ГИРВДЕТ, МШ, ПК?Л ШШ им.В.И.Ленина и опубликованы в печатных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, состояние изучаемых проблем на начало исследований, сформулированы цели и задачи работы, показана новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В главе I проведен анализ работ по разогреву носителей заряда в Qt и SL электрическим полем и возбуждающим излучением, а Также - примесному пробой, выполненных до начала настоящего исследованиями обоснование необходимости комплексного исследования кинетических эффектов в этих материалах в неравновесных условиях. Отмечено, что Qt и , как классические полупроводники, изучаются теоретически и экспериментально уже более полувека. Результат исследований по неравновесным процессам в этих материалах хорошо известны и рассеяны в большом числе оригинальных работ, обзоров и монографий. Создание качественно новых материалов (предельно очищенных или практически не компенсированных) привело к особенностям в протекемип известных процессов и возникновению новых эффектов. Появилась необходимость рассмотрения неравновесных процессов с единой точки зрения: анализа функции распределения носителей заряда при разных механизмах возбуждения их в зависимости от степени неравновесности, а также изучение энергетических зависимостей сечений различных процессов генерации и рекомбинации носителей заряда.

С этой точки зрения проанализированы имеющиеся работы, отмечено существенное расхождение теоретических и опытных данных, и необходимость экспериментальной проверки данных теории. .

Так, показано, что в чистом зависимость электрического пробоя ог степени коулексации примеси неоднозначно описывается тлеющимися теорегичесчими кривыми /3,6,7,9/. Это явление практически не изучено г сильно компенсированных материалах и нет систематического исследования влияния на поле пробоя магнитного поля, вида возбуздения носителей заряда, особенностей зонной структуры, хотя теоретически работы по атим вопросам уже имелись (/íi ,12,25/).

Фоторазогрев носителей заряда в бе и S¿ был менее изучен, чем разогрев электрическим полем. Хотя в имеющихся теоретических работах были сформулированы основные про' лемы /l3,Ib-Iq7, но ^у-ло необходимо проведение комплексного исследования завиеимиетк

времени жизни фотовозбуадекных носителей о? частоты возбулдаще-го излучения (п условиях монохроматического подсвета), числа центров рекомбинации, температурь^ электрич^-ого и магнитного полей, Отдельные экспериментальные данные по з~у,м вопросам в литературе ямелись /19-24/4 но не был проведен с единой точки зрения анализ зависимости кинетических коэффициентав от условий эксперимента.

В I главе рассмотрены такие взярссы, связанные с опроделе--шем параметров исследуемых полуп г ъдии¡'¿и.

Содержание II и Ш глав посвящьно изучению особенностей поведения некоторых примесей ( ¿й , Ид) в &е., границам приые-юмости холловского метода определения параметров полупроводников 1 отклонениям реальных материалов от моделей используемых при ' расчетах параметров.

Во П глава обсуждаются возможности: точность и гряклцы при-юнимости холловского метода определения вида и. концентрации при-•есей в полупроводниках.

Рассмотрение этих вопросов тем более актуально, что в победнее время в связи с широким использованием ЭВМ для обработки 1кспериыентальных результатов сложилось мнение, что если исполняемая математическая модель соответствует условиям экеперимен-•а, то математическая обработка результатов должна обеспечить юзможноеть определения параметров модели с точностью порядка, •очности эксперимента. Однако, это не всегда так, если полупро-однше содержит хотя бы два вида основной примеси. В работе про-налиьирован вид функции среднеквадратичного отклонения для этого лучая в пространстве параметров'. 2> ( /// , Мг)» где Ых - '.кон-, ентрация более мелкой основной примеси, //к - компенсирующей. При этом считается, что концентрация и вид второй,более глубо-ой основной принеси,известны). Показано, что э^а функция описы-ает некоторую поверхность, координаты минимума которой дают на-ор параметров, оптимальным образом описывающих результаты экспе-имента, при этом точность определяется видом этой поверхности, роанализированы возможные рельефы стой поверхности и соответет-ущие ш возможности модели.

Показано, что, вели $ в окрестностях минимума меняется. ыстро, причем приблизительно одинаково по всем направлениям "Котловинный" рельеф), точность определения параметров будет асокой. Возможны, однако, случаи, когда поверхностьв окрэст-"сгях минимума вытянута вдоль какого-нибудь одного направления

("овражный" тип рельефа).

В предельном случае истинного оврага минимум достигается не в единственной точке, а на множестве точек. Решением задачи в этом случае пришлось бк признать множество значений параметров , описывающее линию дна оврага. — Л . Скорость изменения^) в окрестностях минимума значительно изменяется я зависимости от величины при и от А^-лб. В первом случае минимум выражен достаточно хорошо (высокая точность) при малых ( Ыч / 0,1) и больших ( Ык / Ъ- 0,0) значениях этого отношения; во втором случае - толыс лишь при близких значениях и Л/* , (Л//<//*Л

Во всех случ ях проанализировано влияние точности проведения . эксперимента на точность определения параметров материала.

В качестве примера рассмотрено применение двухуровневой модели примесей в полупроводнике для расчета пар)шетрсв в реальных материалах: кремнии, легированном ба и содержащем оститсчлый ак-. цептор - В и в К[х.1.;.я'.1, легированном лиоо , либо В и содержащем так наэкпаемии Х-цонтри, связанные с этими примесями»Первый . случай ( £1 : &а ■ 3 ) -атр^:«". реализуется -на пра/.тике, причем, на едком и Том же- монокристаллс получить образцы с разным' соотношением концентраций 'Сюра я примеси (при

этом содержание В везде остается мл.ьчю ¿/то дает возмож-

ность проверить результаты расчетов для ризник .чгноясниП

Обнаруженные сравнительно недавни в легированным элементами Ш группы /ЪЛ-ЗЬ/, совместим о легирующей примесью Х-цент-г ры?также позволяют рассматривать 'полупроводник с точки .зрения •• двухуровневой модели -в определенных интервал ох • р.

Изучение Х-лкцептс-оов г представляет сямостоятелъний ^ научный интерес. Поэтику в глнве-продстпплищ.-результаты определения некоторых параметров. Х-центров: концентрации, энергии исни-.эации, савтнбвйния их Концентрации с концентрацией акцептор >р при фиксирование« текцературе..

Здесь же предетавлвн ®8звр, иммицихея теоретических и-экспериментальных даннпх по вопросу.

Аначиз поведения М8»с#моетей р. (Т ) в этих -модельных материалах хорошо ЪОРЛЬсаесс$ о результатами р»сиотп рязщольн;;Р

концентрации примеС^ ПО модули. .

Ь гл«1'е русскотр • .!• также в онр. сц 1-гр .чичд х» лл.-гс: .то -.методе'определения раздельной , к щщентра! V '• •'•• • примесой ь ¡.-ч^нь. час» .тьас 'материалах- из-за- ттшге-концентрацией'.•• г^ {и У а н.

легированных - всвязи с возникновением проводимости по примесям. Исходя из обобщения большого числа эксперименте; >ных данных, на координатной плоскости двух безразмерных параметров: компенсации Ц~ ось ординат и- ось абсцисс (а,- боровский радиус примеси, //- ее концентрация), выделена, спасть применимости хол-ловского метода для определения разданк^й концентрации примесей в полупроводниках.

В М "главе описаны особенности поведения в германии легирующих примесей лития, ртути и магния. Пбрзмг. две, обладая большой подвижностью атомов, способны весьма неравномерно р; определяться з матрице образца, приводя к возникновению иеоднироднос-гей, вплоть до локальных областей перекомпенсации (ДОЮ, имещих дру-

(по сравнению с матрицей) тип проводимости. Это приводит к таким особенностям гальваномагнитных эффектов: немонотонности зависимостей piT.) и Т ), инверсному характеру кривых Йц ( В ,Т ), сильной токовой зависимости удельной электропроводности образцов даже в слабых электрических полях^ р - удельное сопротивление образца). Кроме того Ge: Ái и Ge : /^находят широкое практическое . применение в создании полупро-

водниковых приборов (например, германий - литиевых детекторов к фотоприемников ИК-диалазона волн /57,39/). Магний - представитель щелочно-земельных элементов - не является электрически активной примесью. Но при больших концентрациях оказывает влияние на поведение мелких водородоподобных примесей в .

Как уже отмечалось, легирование германия литием связано с созданием сильно компенсированных материалов, ¿¿ - компенсирующая примесь. Неравномерное его распределение при очень высокой подвижности в условиях сильной компенсации может приводить к образованию Л(Ж уменьшающих разрешающую способность детекторов.

В Ш главе представлены результаты комплексного исследования ¿xi гальваномагнитнкми и СВЧ методами. Измерения.-на большом числе образцов, вырезанных ж вдоль одного слитка, так к из монокристаллов с разнил уровнем легирования, позволили проследить трансформация свойств материала в широком диапазоне изменения концентрации основной примеси от л-10^ см при

высокой степени компенсации. . .

Измерения удельного сопротивления (jp ) и постоянной Холла С ) в зависимости от тешературы и электрического 'поля позволяли определить один или два типа носителей заряда-участвует г с!роло,п1%остч: п > точ"ё ииверсич энела R9< Т ) или ( £ ) оце-

нить значения энергии ионизации электронов и дырок и в приближении модели /37,3^7 сферических ЛОХ одинакового размера, грубо оценить размеры этих областей.

Исследования линий циклотронного резонанса позволяли не только обнаружить области разного типа приводимости, но и получить более точчуг (независим/»), чем в гвльваномагных измерениях, информацию о размерах, концентрации этих областей и величине их потенциального барьера.

Аналогичные области р-типе проводимости возникают в матрице у& - ВС , облученного бкитркми нейтронами с последующей термообработкой. Реэ^ .ьтаты гальваюмагиитного исследования этого материала также представлены в этой главе.

Размер и число ЛОК," как показали исследования, растут с увеличением концентрации ¿,1 в <£е и дозы облучения в . Таким .образом, полупроводник с ЛОЛ представляет собой двухфазную систему, в которой втсрая фаза - совокупность мелких включений, со свойствами отличными.от свойств окружающей среды. При низ -их тем- • перотуррх ив слабых эле^тричес:их полях эти включения можно считать иепроницвемьс/ш для элеггронов '(дыро:0, потенциальная энергия да- » ЬрТ В этом случае .(адееь. и ».дальнейшем )'У-дет обсуждаться только : ¿»ь ) электроны почти полностью локализованы в областях и 0. С увеличением возрастает число электронов, способных преодолеть энергетический карьер и выйти в матрицу, что.приводит к смене, знака (1-я инверсия). Вторая инверсия с на "+" связана с переходом к преобладающему р -типу проводимости, в связи с ударной ионизацией центральных акцепторов. Поэтому точка первой инверсии существенно зависит >тТ и содержания ¿»I , второй - практически.не зависит."

С ростом *окце1{трации ¿¿-(а'.'след-'в»тельно'И.■ области ■ конверсии начинают перекрываться, что приводит к уменьшению потенциального барьера и приближению его к энергии, ио'пизиции мелких доноров. Этим объясняется .обратная температурная и полевия зависимость точки инверсии ■ по сравнению с образцами с йеньдим содержанием лития.

Наконец, при пиянлг перекрытий сбластей конверсии материал имеет п--тип .проводим л'тн и в гальвянсмагнитных измерениях не проявляет никаких г, ли й.

СЬЧ и гальваномпгниткые измерения ■■ сходятся ,в хер.-тем'сиот-., ветствии, подтверждая и пополняя друг 'драга...

Обобщение всех .результатов, позволило постр ить.флгорке.ди- .

аграмкы, каэздая нэ которых характеризуется соотношением между концентрациями свободных электронов и дь.^ж .при заданных значениях Г и Е ,

Гальряномагмктные измерения &е, * .легированного ртутью, показали наличия на холловских кривых аменадий схожих в низкотемпературной области с зависимостями \Т ) ъ 3&.' ^ • Ртуть в бк имеет существенно бодыцу» энергию КгнкЗлции (8,7x10"^ эВ), чем мелкие примеси,. Поотоад провести лодро&ъ* не только температурные, но и полевые исследования это«»с- щ,?е риала не представляется возможным. Однако, намерение ¿Гольавго алела образцов (более 30) ■'- ' широкой диапазоне изменения ее концентраций ( Ю^ + * ;>.Ю сы дозволило, с одной стороны уточнить предел растворимости рту»и в ( 2x1<аГ^), с другой, провода аналогии с зависимостями Цн ( 7* ) в : ¿¡I, предположить, что уменьшение, наблюдаемой из наклонов кривых (Т ), энергии ионизации может быть связано, либо с наличием ярьзсковоЯ проводимости в кймиклгиирсвбикьас образцах^ шоО с Всънакно&ёииея ЛОК

В работе отмечается, что ео всех случаях "нестандартных" материалов холловский иетод не может быть использован для определения раздельной концентрации примесей, однако, измерение постоянной Холла при разных значениях Тк£ остается одним из эффективных "инструментов" исследования физических свойств полупроводников.

Глава 1У посвящена изучению механизмов рассеяния и рекомбинации носителей заряда в слабых и грущих электрических полях.

В первом случае (в слабых Е -полях) исследовалась температурная зависимость Хилловской подвижности (^ ) в образцах в широком диапазоне изменения основной примеси -г- 10^

см-3). Это позполило проследить преобладало того или иного механизма рассеяния импульса свободных носителей заряда: от практически «исто акустического рассеяние (во всем диапазоне температур) в чистых образцах до существенного вклада (особенно при низких Т ) рассеяния на нейтральных центрах в легированных и практически некомпенсированных образцах. В таких материалах

10м * Ю1' см"^, Л&^Ю" си"3) наблюдается ряд особенностей в зависимостях^( Т 5: в области низких температур концентрация ионизованных центров заметно растет с ростом Т. ( р ^Аф ), что приводит к немонотонному характеру зависимости (- подвижность, обуслоатеш'ея рассеянием на ионизованчк* центрах,; кроме того,' в таких образцах в ад рассеяния на нейт-

ральных и ионизованных центрах сказывается вплоть до 300 К .

В работе рассмотрен корректный учет различных механизмов ' рассеяния импульса носителей заряда» основанный на усреднении выражения " ■■ 1 , * ,

44 Ш

где ( £ ) и ( е? ) - времена релаксации импульса при рассеянии на ионизованных примесях и акустических колебаниях решетки соответственно. Представляя ксждое из этих времен.'е виде:

£ где ^ Г) - коэффициент, за-

висящий от Ти механизма рассея (ия, £ - зависит только от механизма рассеяния, можно в результате усреднения Ш получись весовой множитель -> . . л _ „ _ £ "

где (X ье&с у Фв2 ■ и рассчитать зависимость 2* (¿4.) ®

широком диял;золе'.значения Д., которая не зависит о* конкретного ' полупрсссдника и может быть испсльгсвэнп для аналогичных расчетов ' в . других материалах.

Выполненный тачиы -образом расччт^ I. 7* ■), учитывающий возможные механизмы рассеяния, дал хорошее совпадение-теоретических и акслеримелуальпых результатов во всем дкалаэупе Ти позволил Предложить метод ицея.:и л.шцеиграции .омпенсирувдей примеси пс .величине подвижности при фиксированной температуре.

Илияние греющего .'электрического т.-ля »а 'процессы рекомбинации носителей заряда в ¿ге и достаточно х ;рили изучены, если эти процессы'осуществляются ни мелких ионизован .ых или нейтральных центрах. Такая..ситуация' реалиоуется при термичао. сы возбуждении носителей - заряда - или 'Одполойяр>1им фитовоэбуа&е»ми. :

Однако, в сяуЧже кекзлшого подсвета наиболее, эффективным .оказывается -процесс .'рскс-моииации'•'фот.'мосителей- 'через глубокий уровень /37 путем Ъахвата злоттрона нейтральным глуби/им центром и перехода дыр; и нэ сорм'$вавшиПся' заряженный центр.- Илкльзуя эту модель ыежзоняо¡Г р$к.<йм&инации, удалось о., .ленить сложные зависимости удельней■зг.пектропрс^одп'-сти и инверсный хара.гер по-/ стояшюй Холла от-элекуричес^го поля и .интенсивности генерации в чистом бс.72 и •/>•• гТип<'¿'.'.ррор!>д им./оти• г.ри'.Т.;у■■ А* . ¿тк исследования позволили разряб'отать . обладающий 'бильд.-3 ч^тегритель-.: нпсть» метод ,<.пределе;.!ия - -?,'!тептрг:ции глуб<>.их'. прик&сой • ( ^ * Ое. при /У << 'д^'-, А/п- единс-тре*«« .ёлдобг' по-

звояявщий гальваноыагнитными измерениями определить концентрйцг® глубоких примесей« что подтверждено авторским свидетельство« на его изобретение.

Содержание У главы связано с обстоятельным изучением при-«есного пробоя в чистых п. и р - (те..

Подтверждено, что в материалах с N¡¡4 5x10*® аГ® рассеяние энергии и импульса носителей заряда происходит в пробое на акустических колебаниях реиетхи и поле пробоя Впр определяется только степенью компенсации примесей. Впервые получены экспериментальные зависимости £пр ( К ) при Т - 4,2 на большом числе образцов (^100 шт.) в иироком диапазоне ^<3 * S3?). Исходя из зксперккента, показано, что существует минимальное нпо-рогсвсз" поло пробоя для малых значений. К ( ££ I0i), которое а р - меньше, чем в л - fe ; при ££ 80% зависимость £у> ( К ) з р - && слабее, чем в п - Ge. * для & > ЩЦ характерно усиление зависимости £пр ( Д^ ), причем ъ р - Ge. оно больше, чем в п -&е .

Для расчета зависимости ) использовался критерий

электрического пробоя

Л1 (En^V * '

Т ) и Br ( Erf* Т ) кинетические коэффициенты, характеризующие скорости ударной ионизация и тепловой рекоибкка-цни носителей заряда,

Любой из кинетических коэффициентов зависит от функции распределения носителей заряда а/ ( £ , Т* В ) и сечения соответствующего процесса. Наличие большого числа экспериментальных результатов позволило при выполнении расчета £пр ( X ) скорректировать выбор деталей этого расчета и получить хорошее согласие с экспериментом в широком диапазоне значений

При этом использовалось в Г} - Gt : при расчете

Jji Е)

функция распределения Стрэттона, связанная со спонтанной эмиссией акустических фоконов; иетод расчета , 7") по Д2-137, вносящий поправку виеханкгы каскадного захвата Лэкса.

Предложена модель пробоя в р- Ge.» учитывающая роль легких дырок, связанную с юс переходом в зону тяжелых дырок и увелхче-нкем количества ВД с бсяьиой энергией.

Обнаружено "затягивание" поля пробоя в сяяьнокомпенсировакг них образцах.обусловленное "охлаждением" носителейзаряда дополнительными механизмами рассеяния энергии: в П- бе- «еждолкнным

рассеянием на акустических фононах; в взаимодействием

с олткческкки фононами.

Проведено подробное исследование зависимости поля пробоя от магнитного поля Н и температуры в образцах п и р ~ <£е с разными ^ , получено линейное возрастание Епр с ростом И и уменыа« нке его с ростом Т в диаяазоне 1,8 4- 1 К , построена теория, описывающая зависимость Sip (//).* расчет Дг ( 7" . £ ) выпсдне» по /"I2-I37 и не совпадает с теоретической кривой, если Вг^ы рассчитано по Лэксу flAf > Показано, что Егу> может не только падать, ко и расти с. Г в зависимости от ыеханиама релаксации импульса.

По аналогии с Qe. выполнен расчет try, '' Л' ) для и р ~ Si обоснована правомочность этого расчета и проведено сопостаздсш с очень немногочисленными экспериментальными результатам:;. Пр$?з дены теоретические зависимости Jjj ' £ ) я ¿Зг ( ¿Г ) с учетом npi вязки к эксперименту, что предстааляег самостоятельный научный и практический ингерёс.

Показана возможность использования зависимости Епр ( £ ) для определения параметров материала.

Б У1 главе рассмотрены вопросы, связанные с фогоразогревс носителей заряда в&а й при гелиевых температурах. Поскольку количественное обсуждение результатоа исследования частотной сг висимости фотопроводимости м зав глшости времени жизни от концентрации центров рекомбинации возможно лиль в том случае, a cat известен вид функции распределения фотоносителей но энергии, в работе подробно анализируется вид этой функции в случае сильно! и слабого фоторазогрева и предлагается построение ее в случае промежуточного фоторазогрева, который в большинстве случаев реализуется б эксперименте. Использование монохроматического (лазерного) подсвете» позволяет провести количественное сопоставлс ние результатов эксперимента с теорией Вл]-

Проведены экспериментальные исследования осцидляций фото-арободшости (ООП) в S& : 1> и <Se; ¿5? в условиях промежуточного фотаразогрева, выполненные оценки глубины осцияляций хорошо со-ответствуит эюспериментальнш данным.

Изучены в р - Si и р - Gc зависимости среднего времени жи: ни фотоносителей и их подвижности^!» от концентрации цен1 ров рекомбинации и температуры Ык » Т ) и JU? ( Лк ) при

5x10 агЗ$.л& Ю16 см"3 и 1,8 4 Т4 16 К . Ослабление этих зависимостей в образцах при I0*4 саГло сравнению о <к

lee чистыми образцами объясняется наличием фоторазогрева. {'зннпв результаты удовлетворяют теоретическим 'рассчетам /!'<'_/.

Глава УП вхлхзчаот в себя результаты исследования эффектов разогрева электрическим полем, фоторазогрева (осцилляции фото-зроводимости) и электрического пробоя в магнитном поле (вплоть до квантового поля) и является дополнением теоретических анализов неравновесных кинетических эффектов, описанных в главах У и У1,

Впервые подробно исследоЕано теоретически и экспериментально в Qc - " и р -типов проводимости с концентрацией примесей /|/й ti5x10^ см"3 влияние магнитного поля на примесный пробой. Показана линейная зависимость g^pi И ) в диапазоне 3 * + 40 кЭ, крутизна этих прямых определяется только степенью компенсации образцов, при этом магнитное поле усиливает зависимость Brtp ( £ ).

В p--Gc. магнитное поле, охлаждая в первую очередь легкие дырки (ЛД), уменьшает влияние зоны ЯД на пробой, поэтому расчет проведен только с учетом зоны тяжелых дырок.

Изучено влияние магнитного поля на спектры фотопроводимости, показано, что с. ростом //глубина осцилляция в й н <5сукеньаают-ся, в сильных И наблюдаются остаточные осцилляции. Проведенные теоретические оценки глубины 0¿u для случаев промежуточного к слабого фоторазогрева, хорошо согласуются с экспериментом. Объяснена природа остаточных осцилляцнй и их насыщение с магнитным полем.

Впервые экспериментально рассмотрены особенности разогрева носителей заряда в чистом Qe. электрическим полем в. квантуыцкх магнитных полях в условиях как фотогенерации так и терыэвоэбуз-дении.

В заключении сфорцулированы основные результаты диссертационной работы.

В диссертации обсуждены результаты экспериментального изучения кинетических явлений в &с я Si при низких температурах в неравновесных условиях. Основным методом исследований являлись газьваномагнитные измерения образцов в широком диапазоне значений концентраций основной и компенсирующей примесей, изменения напряженности элентричесхого и магнитного полей, интенсивности и спектрального состава возбуждающего излучения. Это позволило выявить ряд новых закономерностей в релаксационных процессах возбужденных носителей заряда, внести коррективы в некоторые из ранее изучавшихся явлений, обобщить эффекты, присущие не только (гв.

и $«.*• но и другим полупроводниковый материалам.

Выполненные нами физические исследования в и оказались возможными благодаря следующим двум факторам:

- Разработке экспериментального оборудования и оригинальных методик низкотемпературных измерений, которые позволили впервые выполнить комплексные исследования электрофизических явлений в &с и & в широком диапазоне изменения параметров материала и зкстрэ-мальных по Г, £ и И - условиях.

-Нахождению и совершенствованию методов определения 'концам радии и степени компенсация примесей в материале, измерение большого числа образцов очищеннкк и легированных и (несколько сотен), изучению поведения в этих материалах различных по химической природе примесей.

Бее это дало возможность надежно связать физические процессы, протекающие в полупроводниках при заданных условиях эксперимента ( Т , £ , И , 3 ) с параметрами материала.

Сформулируем основные результаты диссертационной работы.

I. В результате анализа математических моделей, используемы: для обработки холловских измерений, были оценены границы применимости этого метода определения раздельной концентрации примесей и энергий их ионизации.

. - Показано, что наибольшей надежностью холдсаский метод обладает в случае одноуровневой моделк: точность метода в этой случае определяется погрешностями измерений, если легирующая примас! известна, и зависит от погрешностей в определении энергии иониэа-■■ции, если основная примесь неизвестна,

Однако, в этом случае использование стандартной холловской методики при низких температурах (Л- Мс, Л&.) ограничено в чистых материалах магнитоконцентрационщйй эффектом, в сильно легированных образцах - проводимостью, по примесям.

- В случав двухуровневой модели исследована функция среднеквадратичного отклонения 3> в пространстве параштров у> ( »

Ыг, /V* ),. где , //е , концентрации более мелкой, более глубокой и компенсирующей прщ®сей, соо!®егстезнно. Показано, чт точность определение ^ и в эргоя ^тае >(рри известных значениях ТУг и £¿1 - энергия ионизации эгой пр®«есй$ зависит от соотно шения этих величин.(вед шхеезанооза'ф ( при

- она максимальна (сшрэурДвзве» воррзшадсвйв зкелерйиенто) при малых (/Ук /№л 4 « бомшх <//« /Л/значениях ком-ленеещзм, ар. «овержас*!»' ( и) , /»4 ) ямэеу в зтих случе

пс ярко выраженный минимум; при //, > Ык в области средних компенсаций и при //,< Ж (креме /// ~ /У/г ) поверхность 2? ( #4. , У/Г ) в окрестностях минимума имеет "овражный" рельеф и разброс искомых величии превышает порядок; задача определения раздельной (онцентрации примесей может оказаться вовсе неразрезимой, если 1в известна энергия ионизации и концентрация одной из них.

- На конкретных модельных материалах ¿1 : : В и сс-1ержацем электрически активные Х-ценгры,показано применение двухуровневой модели для расчета раздельной концентрации примесей.

изучено поведение примессй, для которых невозможно 1рименение холловского метода определения концентрации иркМегей.

- Показано, что легирование : ¿>1 приводит к возникновению

i матрице образца локальных неоднсроднсстей -областей п^рехемпен-зации (ЛОК), обладающих другим тиг.см проводимости.

■т На основании теоретических расчетов /36-2§7 выполнены оценен размеров ЛСК, их энергетического барьера, концентрации ЛОК и эаздельной концентрации примесей в матриц.3 образца двумя епссооа-«и: гальваномагнитным и с помощью циклотренного резонанса, полу-юно хороаее соответствие результатов.

- Наблодаемые низкотемпературные аномалии холдовсках кривых г образцах : /^связываются либо с влиянием компенсации на 1рыжковую проводимость по приме-ям, либо с в^эникснезением .¡Ш.

- На примере германия, легированного показано, чтз в веяние некоторых электрически неактивных примесей, например, це- . гочноэемельных элементов, искажает.энергетический спектр водор»— юп^доСных акцепторов Ш группы.

3, Предложен метод корректного учета нескольких знергетичес-си зависимых механизмов рассеяния импульса при вычислении резуль-?ируицейподвижности носителей заряда в полупроводниках, ¡¡а при-<ере кремния, легированного В и практически некомпенсированного, 1сследованы особенности температурной зависимости подвижности^(т) ¡ри разлитых механизмах рассеяния, выполненный расчетуу( Т ) хо-к.ао описывает экспериментальные результаты в широком диапазоне •емператур и изменения концентрации примесей.

Способ расчета^ ( Т ) может Сыть использован для определе-1ия концентрации ионизованных примесей в и по величине подвижности носителей заряда при фиксированной тешерату^

4. Исследован механизм рекомбинации электронов и дырок в

I гревших электрических полях при гелиевых температурах, в уело-' );1ях собственнсгс фстовозбуждения, в широком диапазоне электричес-

кнх полей и генераций ( Е , I ). Показано, что зависимость электропроводности (¿> ) от условий эксперимента и инверсный характер постоянной Холла ( Кц)г £ ( £ ) И /?/(( £ »Л ), можно объяснить на основе модели рекомбинации фотоносителей через глубокий уровень для области генераций, в которой концентрация носителей варяда, создаваемая подсветом, больше тешовой.

Предложен способ определения концентрации глубоких центров по значение & в точке инверсии зависимости (X ).

Гккаэано, что фоновый подсвет в чистых образцах не пеняет характер разогрева носителей заряда электрическим полем.

5. Ьпервые получены экспериментальные зависимости поля блок?' рического пр.)бия от степени компенсации примесей Епр( К ) при Т « 4,2 £ для чистого бе - Л и р -типов проводимости на большой числе образцов (<^100 шт.) в широком диапазоне К .

...- Показано, что существует минимальное "пороговое" поле пробоя для слабокомпенсированных образцов (К ^ 10$), которое в р-бгь меньше, чем в п.-типе; в сильнокомпенсированных образцах (обоих типов проводимости) наблюдалось сильное "затягивание" Епр,

- Проведен расчет Епр( К ) для П - , получено хороаее согласие с экспериментальными данными, При этом использовалось: для ведения ( £ ) еоогветствупцая энергетическая зависимость сечения атома водорода, полученная экспериментально; при расчете

£ ) - функция распределения Стрэттона} метод расчета ВгСГ» £ ) по /12-1317, вносящий поправку в механизм захвата Лэкса /IV», •

- Предложена модель пробоя в/> - бс.% учитывающая роль легких дырок, связанную с юс переходом в аону тяжелых дырок (ТД) и увеличением количества ВДс большой энергией. Расчет, проведенный на основе этой модели, хорошо описывает поведение Епр(/Г*) в широком диапазоне К •

- Показано, что "еатягивание" поля пробоя в сильнокомпенсированных об{»ацах, связано с "охлаждением1' носителей заряда дополнительными механизмами рассеяния энергии: е П - &0. - междолинным рассеянием на акустических фононах, ъ р - - взаимодействием носителей с оптическимифононами.

- Исследование температурной зависимости поля пробоя Т) в интервале 7^,8 4- 7 К убедительно показало справедливость ке-ханиаыа рекомбинации носителей заряда предложенного в работе Абакумовым, Перелеы, Яссиевич. Теоретическая кривая £пг. ( 7"), рассчитанная по /12/жхорошо удовлетворяет экспериментальные данным.

- Выполнен расчет ¿т*о( £ ) для /? и р- $1 \ проведено сравнение полученных кривых с очень немногочисленными экспериментальными результатами. Приведены значения подгоно'сшх параметров, связанных с привязкой расчетной кривой к данным эксперимента.

Показана возможность использования зависимости £па ( л") для определения параметров чистого 0&.

6. Экспериментально изучены осцилляции фотопроводимости в

: & я бс: . Проведены теоретические оценки глубины оецил-дяций ( £ ) для случаев промежуточного и слабого фоторазогрева и сопоставление их с экспериментальными значениями £ » получено удовлетворительнее соответствие.

7. Экспериментально исследованы зависимости времени жизни ■ подвижности фотовозбужденных носителей заряда в р и р- бе. от концентрации центров рекомбинации и температуры <?£>( Л^ , 7* )

иА( Ы*) в широком диапазоне изменения Ыц (5x10** см"^ Мя ^ ^ Ю16 са"3) и .1,8 4 7*^ 16 К . Анализ результатов однозначно доказывает, что при ^ Ю*4 аГ^ наблюдается фотораэогрев дырок, приводящий к ослаблению зависимостей Т ) и ( Ык ), ( М? ) по сравнению с равновесными. Получено хорошее качественное (для фонового подсвета) и количественное (для лазерного возбуждения носителей заряда) совпадение подученных результатов с теорией ¡Ъ]\ определен показатель энергетической завнсююстя вр»~ мш жизни: . „

8. Подучены значения коэффициентов захвата дырок на отрицательно заряженный бор а 5¿ и галлий в ¡5« при 7" » 4,2 /С'в отсутствие фоторазогрева:

В1 : В> (1,5 + 2)хЮ"^ сы^/с

бе': бе. ^¿-¿г (1,3 ♦ 2)зс10^-о^/с . _

Определена температурная рависцмость — «

9. Показано "охлаяденме" неравновесных носителей заряда магнитным полем, приводящее к следувяпи эффектам:

- увеличению поля прикасного пробоя с ростом к и линейности зависимости Влр^Н ) для/7-м р- беъ диапазоне 3 * 40 кЭ;

- усиление гагисимости (К причем, крутизна Д наклона прямых (М) есть функция только компенсации образца;

- перераспределению вклада в про ой эоны легких в тяжелых дырок} уменьшен**?влияние зоны ДД,

Получено хоровее соответствие экспериментальных результатов

е теоретическими зависимостями: £^ { И), Впр{ X У при Н Ф О для п и р- && .

- О 'нарушено уменьшение глубины осцилляций фотопроводимости с ростом магнитного пзля в 5£ , показано наличие остаточных осциллядай в сильных Н . Проведены теоретические оценки глубины осцклляиий при Н £ 0 для случаев промежуточного и слаббго фоторазогрева, ка основании которых объяснена природа насыщения

10. Впервые проведены подробные экспериментальные исследования в.гля:;ия гвантового магнитного поля НсЬ на захват неравновесных носителей заряда в п. и р -

при Т = 4,2 К . Показано, что при лиооы возбуждении (терыо- или фото-), наблюдаемые зависи мости среднего времени жизни от электрического и магнитного поле при Ц Л/*г$мсжно алроксимировать степенными зависимостями с раэнкыи значениями показателей степени: для фстовозбуждения - ^

И и <Тс>„~Е 2, для термовозбуждения -и (ЯсУн ""

Полученные результаты качественно согласуются с теорией захвата носителей заряда в скрещенных электрическом и квантующем магнитном полях, развитой в работах В.Н.Абакумова, Л.Н.Крещук и И.Н.Йссиевич /13/.

11. Предложены э:сспресс-методики контроля качества материала на основе ряда эффектов, обусловленных влиянием компенсирующих примесей:

- Исходя из стандартной ходловской методики, рассчитаны номограммы, показывающие, что при известном значении энергии ионизации концентрация свободных носителей заряда в полупроводниках определяется только степенью компенсации. Предложен метод определения }( из измерений при одном значении Т в ниэкотемперату! ной области.

- Исходя из ¡значений^ в точках инверсии знака^Св зависимости от температуры или интенсивности межзонного подсвета) пре, логены способы определения разносгной концентрации примесей в чистом р - или концентрации глубоких примесей в п- и р типов.

- Предложен метод определения компенсации ( К ) примесей п величине поля пробоя в образцах чистого р и р- &€.. Показано, что при малых значениях Я точность метода можно повысить, прово дя измерения Епръ магнитном поле.

- Показано, что оценку концентрации коьленсируюцкх примесей кояно выполнять, исходя из измерений подвижности носителей заряда при фиксированной температуре.

В приложении I даны описания криогенных мачетов, измерительных схем и экспериментальных установок, позволяющих проводить гальваномагнитныэ измерения высо;:оошых полупроводников в пироком диапазоне изменения концентрации примесей, температуры, зле.;три-чесдих и магнитных полей, частоты к интенсивности возбуждающего излучения; сформулированы требования к условиям эксперимента в<£е Я » рассмотрены методики измерений н определения параметров исследуемых образцов.

В приложении П рассмотрены экспресс-методики сцен .и концентрации примесей э&& и основанные на физических процессах, описанных в главах диссертации. ¿¡етоды апробированы на большом числе образцов к частично использовались в заводских лабораториях ЗШ, ОХЬЗ, и в ГЛРЕдаЕТ.

Основные материалы диссертации опубликованы в следуюодх работах:

1. Банная В.Ф», ГершензоИ Е.М., Литвак-Горскал Л.Б. К эффекту Холла в чистой р МП, 1967, т.1, с.603-^?.

2. Банная В.Ф., Аверьянова В.П., Гершензон Е.Ы., Литвак-ГорсхаяЛ.В, Об измерении концентрации примесей в чистом - р типа. ЗЛ,

1967, т.8, с.830-*33.

3. Банная В.ф,, Гершензон Е.М.» Литвак-Горская Л.Б. К вопросу определения суммарной концентрации примесей в высокой степени чистоты. Вопросы радиофизики и спектроскопии. 1568, т.2» с.214-2/?.

4. Банная В.Вопросы определения концентрации примесей в предельно очищенных полупроводниках.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата фкз.ыат.каук.

1968, Ы., НГПИ им.В.И.Ленина, (говс)

5. Банная В.Ф., Гершензон, ГурвичВ.А,, Литвак-Горская Л.Б. Новый магннтоконцентрацконный эффект в ЙЭТ®, 1969, т.66, * 5,

5. Банная В.9., Аверьянова В.П., Гершензон Е.М., Гинзбург М.И., Горская Л.Б. Измерение сушарной концентрации примесей в чистом р- бе. Научные труды Гиредмата, 1969, Т.Ш, 0.169-/^^. 7. Банная В.Ф., Гершензон Е.М., Веселова Л.И. Разогрев носителей тока в <9с ■ сильном Е - и квантующем // - полях. Труды совещания по исследованию полупроводняков. 1971, Ленинград, с.

б. Ванная В.Ф., Гершензон Е.Ы., Взселова Л.И., Гринберг В.Р. Электрический пробой в чистокGe. при гелиевых температурах. МП, 1971, т.55, » I, с. 155-J&9

9. Банная В.Ф., Гершензон E.H., Ладыаинский Ю.П., фукс Т.Г. Осцилляции примесной фотопроводимости в р - &&, р - , ФТП, 1973, т.7, » 6, с. 1092 -И00.

10.Банная В.Ф., Гершензон Е.М., Гурвич D.A., Ладыжинский В.П., Фукс Т.Г. Бремя жизни фотоносителей, разогретых светом, в

p-$L . т, 1973, т.7, № а, с.150?-^<2.

11.Банная В.Ф., Ладаишский Ю.П., Фукс Т.Г. Разогрев носителей светом в р - ФТП, 1973, т.7, с.1978-Ш«2.

12»Банная Б.Ф., Беселова Л.И., Гершензон E.H., Чуенков В.А.

Влияние компенсации примесей на электрический пробой в /г- - Ga ФТП, 1973, т.7, tf 10, с.1972-1978.

13.Банная В.Ф., Беселова Л.И,, Герцензон Е.М. Зависимость электри-, ческого пробоя от компенсации примесей в чистое п. - и р-&sS

Тезисы докладов П Всесоюзного симпозиума по физике плазму. 1974 г. Вильнюс, с.

14.Банная В.Ф., Беселова Л.И,, гершензон Е.Ы., Гурвич D.A. Влияние компенсации примесей на электрический пробой в Ge.

.«ЯП, 1976, тЛО, № 3, с.452 -Ui'S.

15.Банная В7Ф.. Веселова Л.И,, Гертензон E.H., Чуенков В.А, Влия-• ние магнитного поля на примесный пробой в чистом германии.

ФТП, 1976, т.10, С.ЗЗЗ 16tБанная В.й., Гершензон Е.М.. Фукс Т.Г. Исследование разогрева фотоносителей в Si' • Тезисы докладов Ш Всесоюзного симпозиума по фиаике плазмы. 1977 г, Вильнюс, с,

17.Банная В.iL, Воронкова Г,И., Петрова Е.А., Кдыш М.Л. Олектрз-фкзичйские свойства пршесэй Мр в (9е . Тезисы докладов

Ш Всесоюзного совещания "Дефекты струк5!уры в полупроводниках1®, 1978,. Новосибирск, с.

18.Еанн&й В.Ф., Воронкова Г.К,, Пэррова Б.Л. Особенности рекомбинации й намерения эффекта Холла в чистом . Тезисы докладов конференции "Фотоэлектрический явления в полупроводника*:", 1979, Киев, с. ,

19.Банная Б.<1>., Воронкова Г.К., Головина В.Н. Влияние дефех-гов структуры на энергетический спектр »5V . Тезисы докладов р Всесоюзной конференции по физипоскии осцо^щ ^щ^^-а ния полупроводникоа. 1979.1!осква, с, ''' ;'<- '

20.Еанная В.Ф., Гершонзон Б.Ы., Веседова Л.И. Затягивание привесного пробоя в сшхьнокомпенсированном G& , ФТП, 1979, т.13, »I, С.46-.52, .

2i .Банная В.Ф., Гинзбург H.H., Веселова Л.И. Об оценке чистоты монокристаллов Цвет.мет. IS79, № С,

22.Ванная В.Ф., Веселова Л.И., Воронцова Г.И. Поведение примеси магния в £й. МП, 1979, т.13, » 7, с.1284-/¿05.

23.Банная В.Ф., Гераензон Е.М., Фукс Т.Г. Особенности рассеяния и рекомбинации горячих носителей в р~ . ФТП, 1979, т.13, » 2, с.264-29^.

24.Банная В.Ф., Веселова Л.И., Гераензон Е.Ц. Гальваноыагниткые

яв явления в чистом Qe с глубокими примесями при межзоннсм подсвете. Тезисы докладов Всесоюзного совещания по глубоким уровням в полупроводниках. IS80. Ташкент, с.

25.Банная В.Ф., Веселова Л.И., Гериекзон E.U. Способ определения концентрации глубоких примесей, в полупроводниках. Авторское

свидетельство на изобретение $ 367239.

26.Банная В.й., Гершензон Е.И., Гончаров Л.А., Орлов Л.А.» Орлова С.Л. Об исследовании конверсированных областей в Gtг: . ОТ,1981, f.155, № 7, с. 1264-/¿М-

27. Ванная В.Ф., Ворэнкова Г.И., Веселова Л.И. Влияние дефектов структуры на степень компенсации Si . Тезисы доклада Всесоюзной конференции по изучении структурных неоднородностей полупроводников. I9ü2, Москва, LiX»'C, с.

28.Банная В.Ф., Гершензон Е.1»., Ыельни.сов А.П., Рабинович Р.И. Н подобные центры и делокализация электронов в полупроводниках. ЖЭТФ, 1983в т.85, » 2, с.746--У^.

29.Банная В.Ф., Ееселова Л.И., Гераензон E.U. Экспресс-методики определения раздельной концентрации и степени компенсации примесей з ßSn SL. Заводская лаборатория, 1933, -ß 7, с.2

30.Банная В.Ф., Веседова Л.И., Гершензон Е.Ы. Об одном способе определения концентрации глубоких примесей в германии. ФТП, 1983, т. 10, c.im-/9(X>.

31.Банная В.Ф. Статистическая модель и явления переноса в невырожденных полупроводниках с тремя типами примесей. Сборник научных трудов "Методы и алгоритмы параметрического анализа линейных и нелинейных моделей переноса*. 1986, Москва, ЛГЗПИ,с.бЗ-ТЗ.

32.Банная В.Ф. Особенности температурной зависимости концентрации свободных носителей заряда э полупроводниках с тремя типами •

примесных центров. Сборник научных трудов "^¡етоды и алгоритмы параметрического анализа линейных и нелинейных миделей переноса". 1967, Москва, ШЛИ, с.45-55.

33.5ан;:ая Б.5. Влияние структурных дефектов и примесных комплексов на электрические свойства предельно* очицонных пощ'проводников. Сборник научных трудов "Методы и алгоритмы параметрического анализа линейных и нелинейных,моделей переноса", 1967, Москва, ЬГЗПК, с.7-21.

34.Банная В.Ф. Влияние структурных комплексов на температурную зависимость постоянной Холла в легированном . Тезисы докладов П 1.1-ждународной Дальневосточной школы-семинара "Физика и химия твердого тела", 1938, т.1, с.62-65,

35.Банная Б.£., Беселова Л.И., Гершензон Е,М. Особенности температурной зависимости холловской подвижности в легированных и некомпенсированных полупроводниках. ФТП, 19(39, т.23, # 2,

с.333-345.

36.Банная В.Ф,, Веселова Л.И., Гершензон Е.М,Гусинский З.Н., Литвак-Горская Л.Б. Оценка точности метода определения раздельной концентрации примесей из измерений постоянной Холла. «П, 1990, т,24, » 12, с.2145-2150.

37.Баиная В.Ф., Луговая Г.Я. Особенности холловской проводимости германия, легированного ртутью. У¿зисы докладов Ш Ыеадународ-ной Дальневосточной школы-семинара "физика и химия твердого тела", 1991, т.2, с.

38.Банная В.Ф. Влияние Х-цетров на температурную зависимость концентрации свободных носителей в легированном , Сборник научных трудов "Методы и алгоритмы параметрического анализа линейных и нелинейных моделей переноса". 1992, Москва, МГЗШ, с.127-139.

39.Банная В.Ф., Литвак-Горская Л.Б., Дуговая Г.Я. Особенности гальваномагнитных эффектов в германии, легированном ртутью. Ш, 1593; *.27, 110, с.

ЛИТЕРАТУРА

1. Cpmhi P. Полупроводники, Ji.» Мир, 1932.

2. Келдыш Л.В. КЭТЗ, 1959, Т.37, а 3.» с.713-727

3. ÖUtSt&Cfz 6., g. P/ryJ. СА&Г77. SPCZC/Л .

1957,У£, p.I; PhuS. , 1955, Т.98, p.I757.

^•i/h>CL%e.CC-if &*&иГп S. Phyi. Rtf. I960, ТЛ20, p.I6I5.

5. Абауякиа-З&зарицкая Э.И.ЛШЗ, 1959, Т.Зб, ь.5, c.1342.

6. Заварицкая -Э,Й« Труды Ф'ЛАНСССР. Т.37, 19€б.

7. JUcn-Uj frtaufn. , Sh-clUn^^- -¿У.

Phzp. fax 1962, ТЛ28, рЛббЗ.

8. Чуенков В.A. STT, I960, Т.2, с.799

«TT, 1968, Т.2, с. 3. '

9. Zythz^S^te^n. at., P/iyS. ß&iK Х962, T.I27, р.744. Ю.Качоиавили, STiI,I963, Т.2, с.4.

II.Чуенков S.A. Труды ФИАН СССР, 1975,- 7.S0, с.174. МП, 1977, T.II, с.1055.

12.Абакумов В.Н., Перед»В.И., Яссиевич И,Н. ЯЭТЗ,1977,Т.,'72,2,674.

2ЭТй,1978,ТЛ2,с. 3.

13.Абакумов В.В,, Нрещук И.Н., Ясеиевкч 55.iL

Ют, 1978, Т.74» о.1020, с.1342. Ш, 1978, T.I2, 0.264.

14. ¿,оис Н, Me-tr I960,тг 119, р. 1502.

15.Попов D.M. SIT, 1963, Т.5, с.1170 Хб.Елесик В.». «ИП, 1967, T.I, с.473.

17.Ладыюшский З.П. SIT, 1969, T.II, с.2282.

18. Наеаиг Gg. РхосееЫ. PA^s. ^¿Щ/ 1966,к Ш, р.407.

19.Алексеева В.Г., Ддансва Н.Г., Каган К.С,, Калашников С.Г. «1П, 1972, Т.6, с.316.

йО.Вданова И.Г., Калашников С.Г., Морозов A.M. §ТП, 1959,-ТЛ, с.535.

21.Годик Э.З., Курицын D.A., Синие В.П.

2>ТП, 19 Я, Т.6, с.1662. Письма а ЯЗТ5, 197Г, T.I4, с.380.

22.Годик Э.Э., Покровский Я.Е. ЗТГ, 1964, Г.6, с.2358.

ФТП, 1967, T.I, с.405.

23.Бесфамильная В,А., Курова И.А., Ораэнт Н.Н.,Ос»робородова В.В. ЗЭК, 1965, Т.48, с. 1588.

24.Бесфамильная Б.А., Осгробородова В.В. ФТП, 1969, Т.З, с.21.

25.Банная В.Ф., Васелоеа Л.И., Гершенвон К.Ы., Чуеиков Б.А.

ФТП, 1973, Т.7, с.1972. ФТП, 1976, T.I0, с.333,

26.Банная В.Ф., Веселова Л.И., Гервензон £,Ы.s Гурвлч В. А.

«И, 1976, T.I0, с.452.

27.Гурвич D.A., ФТП, 1967,-T.I, с.1195,

28.Гераенаон Е.Ы., Гсдырсан Г.Н., Мельников A.A. Пивьыя в ХЭТФ, 1971, T.I4. 6.231.

29.Банная В.Ф., Гершенаон Е.Ы., Л/здакинскиЙ О,П., фукс Т.Г.

СТП, 1973, Т.7, с.1092« с.1976,

30.Веденеев A.C., Боронкоса Г.И., Едан А.Г., Коган Ш.Н, Дн^юД'.Ы. Рыльков В.В.Ш, 1938, Т.22, с.536.

31.Гинзбург Ы.И., Гришин В.П., Банная B.Ô., Миленин Э.С. Цьег.шз кеталиш, 1979, Т.6, с.52.

32.Гончаров Л.А., Досгходдаев Г.Н., Енцов В.В,, Ыазовец Т.В., Рыбкин d.U. Ш, 1977, T.II, с.945.

33.Воронков В.В., Воронкова Г.И., Зубов Б.В.

ФТП, 1977, Т.б, с.1784.

34. Ь<хгоп. н.у У си riß И. H., /Jue-iarno/ X , А/лёс/г. &.I

Лбр1. PhuS. ¿*àù. Ï977,"V7 30, р.594

35. Seixrte. S. Wwe^Ä //етеъдеь

Ç>oUd. &t.Cc>m™z*/>. ' 44, p.I597,

36.Крегер 4. Химия несовершенных кристаллов, М., Пир, 1969.

37.Новиков O.P., Новогрудский Б.В., Цустовойт АД.

ФТП, 1970, Î.4, с.1039. ЗЗ.Конопдева P.S., Литвинов В.Е., Ухин H.A. Особенности радиоци-онного повреждения полупроводников частицами высоких энергий. Атомиздат, 1971« 39.Иилнс А. Примеси с ггубокюи уровням? в полупроводниках, М., Кир, 1977.

Размдоязно lia ротедрште в Типографии иР0ТЭ}^Д00 эка? аах. 509,