ПРИЛОЖЕНИЕ Н. Элементы физики полупроводников

Согласно законам квантовой механики, в твердом теле, как и в отдельном атоме, электроны не могут иметь любую энергию. В одиночном атоме разрешены лишь отдельные дискретные значения энергии. При сближении атомов между ними возникают взаимодействия, приводящие к расщеплению уровней. Вследствие этого расщепления в кристаллической решетке вместо отдельных уровней образуются сплошные интервалы, или зоны разрешенных и запрещенных значений энергии электронов. Электроны, находящиеся на близких к ядру оболочках, практически не взаимодействуют с соседними атомами из-за экранирования внешними электронами. Поэтому расщепление глубоких уровней мало, т.е. зоны узкие. Для внешних оболочек взаимодействие велико, и ширина зон может составлять несколько эВ. Электроны с энергией, соответствующей такой зоне, принадлежат уже всему кристаллу в целом, а не отдельному атому.

У полупроводников и диэлектриков наивысшая заполненная (валентная) зона отделена от следующей, более высокой по энергии зоны разрешенных значений (зоны проводимости) запрещенной зоной, в которой отсутствуют уровни идеального кристалла.[211] Отличие полупроводников от диэлектриков заключается в том, что ширина запрещенной зоны полупроводника Е_g – порядка 1 эВ;[212] для диэлектриков эта величина существенно больше. В результате при нормальной температуре некоторая[213] часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, а в валентной зоне образуются дырки – носители положительного заряда (рис. Н.1). Если к полупроводнику приложить внешнее электрическое поле, то носители заряда – электроны проводимости и дырки – будут перемещаться к соответствующим электродам. Такая проводимость полупроводникового кристалла, очень небольшая по величине, получила название собственной.

Более существенна для полупроводников несобственная, или примесная проводимость, обусловленная присутствием атомов других элементов. Различают донорные и акцепторные примеси. Донорными примесями для четырехвалентных полупроводников (кремний и германий) являются, например, пятивалентные атомы – мышьяк, сурьма и другие. При замещении ими в кристаллической решетке атомов германия или кремния четыре электрона из пяти образуют с электронами полупроводника четыре ковалентные связи, т.е. принадлежат валентной зоне. Пятый, оставшийся, электрон с большой вероятностью может оторваться от атома и, превратив его в положительный ион, перейти в зону проводимости. Вероятность такого перехода весьма велика, потому что донорные примесные уровни всегда лежат в запрещенной зоне вблизи границы зоны проводимости.[214] Энергия, необходимая для возбуждения донорной примеси, Е_d (см. рис. Н.1) во много раз меньше Е_g,[215] и в зону проводимости поступают, в основном, электроны донорных примесей даже при незначительной их концентрации.

К акцепторным примесям эти же рассуждения применимы «с точностью до наоборот». Акцепторными примесями для четырехвалентных полупроводников служат трехвалентные элементы – галлий, индий и т.д. Для образования ими четырех ковалентных связей с атомами полупроводника не хватает одного электрона. Этим электроном может стать один из электронов валентной зоны – в этом случае в ней образуется дырка. Акцепторные примесные уровни располагаются вблизи валентной зоны (рис. Н.1). Энергия Е_а мала по сравнению с Е_g, поэтому образование дырок в полупроводнике с акцепторными примесями идет, в основном, за счет заполнения примесных уровней. Таким образом, для полупроводников с акцепторными примесями характерна дырочная (полупроводники p-типа), а для кристаллов с донорными примесями – электронная проводимость (полупроводники n- типа).[216]

Высокая примесная проводимость полупроводников не позволяет использовать их напрямую в качестве детекторов даже при низких температурах, так как затрудняет регистрацию слабых импульсов от ионизации. Поэтому для создания среды с низкой проводимостью часто используют следующий эффект. В пластинке из монокристалла полупроводника, у которой одна половина содержит донорную, а другая – акцепторную примесь, на границе двух половин образуется так называемый запорный слой, или p-n-переход (рис. Н.2) толщиной в несколько сотен мкм. Его образование обусловлено диффузией электронов из n-области в p-область и дырок в противоположном направлении. Такая диффузия сопровождается переносом заряда, что приводит к возникновению электрического поля, препятствующего диффузионным токам. В некоторый момент времени достигается равновесная конфигурация p-n-перехода: действие поля на заряды в точности компенсирует эффекты, обусловленные диффузией. Если на переход подать электрическое напряжение, присоединив положительный электрод к n-области, а отрицательный – к p-области, то все электроны и дырки будут оттягиваться от области перехода. Последняя обедняется носителями заряда, и ее сопротивление возрастает еще больше. Изображенная на рис. Н.2 электрическая цепь получается при этом разомкнутой (тока нет).

При прохождении через запорный слой полупроводникового детектора (ППД) быстрой заряженной частицы в нем образуются дополнительные электроны и дырки. При этом в цепи возникает ток, который будет течь до тех пор, пока равновесная конфигурация вновь не будет достигнута.

В зависимости от технологии изготовления ППД с p-n-переходом делятся на поверхностно-барьерные и диффузионно-дрейфовые. Поверхностно-барьерные ППД изготовляют таким образом, чтобы вблизи поверхности кристалла кремния или германия сформировался p-n- или n-p-переход. Этого добиваются различными способами. Например, применяют поверхностную диффузию примеси (фосфора) внутрь кристалла. Часто используется ионная имплантация примеси путем воздействия тока ионов, ускоряемых внешним полем. Наконец, используют химические свойства поверхности: поверхностные слои германия и кремния легко окисляются и ведут себя как примесные полупроводники p-типа. Электрический контакт с поверхностным слоем осуществляют с помощью тонкого слоя металла (обычно золота), который наносят на поверхность кристалла испарением в вакууме. На границе металл-полупроводник возникает электростатический барьер, препятствующий проникновению носителей заряда из полупроводника в металл и обратно. При приложении обратного напряжения возникает обедненный носителями слой.

Для изготовления диффузионно-дрейфовых детекторов используется сначала диффузия ионов лития, а затем их дрейф под действием электрического поля вглубь кристалла с p-проводимостью при повышенной температуре. Ионы лития занимают междоузлия в кристаллической решетке германия и поэтому имеют очень высокую подвижность, проникая глубоко в полупроводник и компенсируя акцепторы. Образуется кристалл, имеющий внутри только собственную проводимость. Литиевые диффузионно-дрейфовые детекторы отличаются хорошей стабильностью в работе и имеют высокую чувствительность. Большой чувствительный объем таких детекторов (до 100 см³ – цилиндрические, или коаксиальные детекторы) позволяет применять их в спектрометрии γ-излучения.

Кроме поверхностно-барьерных и диффузионно-дрейфовых детекторов, получивших широкое распространение, существуют детекторы, изготовленные из особо чистого германия, а также радиационные германиевые детекторы, в которых чувствительная область создается в результате компенсации доноров в исходном германии акцепторными уровнями радиационных дефектов, возникающих в нем под действием γ-излучения.