Реферат на тему "Кристалохімія атомних дефектів у напівпровідниках структури сфалер"




Реферат на тему

текст обсуждение файлы править категориядобавить материалпродать работу




Диплом на тему Кристалохімія атомних дефектів у напівпровідниках структури сфалер

скачать

Найти другие подобные рефераты.

Диплом *
Размер: 146.92 кб.
Язык: украинский
Разместил (а): money
Предыдущая страница 1 2

добавить материал

Оточення – метал
Сполука
а, Ǻ
с, Ǻ
yt, Ǻ
rtк, Ǻ
rtі, Ǻ
yo, Ǻ
rок, Ǻ
rоі, Ǻ
СФАЛЕРИТ
ZnS
5,4093
2,3422
1,062
1,512
2,7046
1,425
1,875
ZnSe
5,668
2,4545
1,174
1,624
2,8343
1,554
2,004
ZnTe
6,1037
2,6429
1,363
1,813
3,0518
1,772
2,222
CdS
5,820
2,5200
1,04
1,53
2,91
1,43
1,92
CdSe
6,05
2,6196
1,139
1,629
3,025
1,545
2,035
CdTe
6,481
2,8063
1,326
1,816
3,2405
1,761
2,251
В’ЮРЦИТ
ZnS
3,820
6,280
2,693
1,413
1,863
3,323
2,043
2,493
ZnSe
4,003
6,540
2,18
0,9
1,35
3.468
2,188
2,638
ZnTe
4,31
7,09
2,363
1,083
1,533
3,751
2,471
2,921
CdS
4,1362
6,714
2,238
0,758
1,248
3,568
2,088
2,578
CdSe
4,300
7,007
2,336
0,856
1,346
3,719
2,239
2,729
CdTe
4,57
7,48
2,493
1,013
1,503
3,96
2,48
2,97
4. Кристалічна структура і антиструктура в телуриді кадмію
Телурид кадмію кристалізується в структурах сфалериту (S – кубічна структура В3), і в’юрциту (W – гексагональна структура В4) із однаковим числом атомів як в першій, так і в другій координаційних сферах [2, 9]. При кімнатній температурі і тиску 3,3-3,6 ГПа в телуриді кадмію проходить фазовий перехід із структури типу сфалерит в’юрцит у структуру типу NaCl, що супроводжується різким зменшенням електропровідності [20-22].

Із кристалічної будови цих структур відомо, що вони характеризуються тетраедричним оточенням атомів двох видів, і тетраедричними (ТП) та октаедричними (ОП) порожнинами яким належить ¼ всього простору упаковки атомів [3]. На рис. 2 (а,б) і 3 (а,б) представлено розміщення ТП і ОП в елементарній комірці структур сфалериту і в’юрциту. На одну комірку сфалериту припадає 4 ОП, 8 ТП; в’юрциту – 6 ОП, 12 ТП. Із рис. 2, 3 видно, що ТП в обох структурах заповнені наполовину, а ОП повністю не заповнені.

На основі геометричних уявлень, враховуючи тип зв’язку в CdTe (21% іонності) [5], тобто ковалентні (rк) та іонні (ri) радіуси оточуючих атомів [10] розрахували радіуси ТП (rт) і ОП (ro) порожнин для оточення телуру і кадмію, які приведені в таблиці 7.

Таблиця 7
Радіуси тетраедричних (ТП) і октаедричних (ОП) порожнин для структур сфалериту та в’юрциту в підрешітці телуру (1), кадмію (2)
Сполука
Структура
a, Å
c,
rк, Å
ri, Å
rкт, Å
riт, Å
rко, Å
riо, Å
1.      СdTe
CdTe
S
W
6,48
4,57
7,48
1,36
1,36
2,11
2,11
1,446
1,473
0,696
0,673
1,881
2,60
1,131
1,85
2.      CdTe
CdTe
S
W
6,48
4,57
7,48
1,48
1,48
0,99
0,99
1,326
1,013
1,816
1,503
1,761
2,48
2,251
2,97
Кристалоквазіхімічні підходи до запису хімічних формул і рівнянь грунтуються на правильному виборі антиструктури для даного класу сполук [18]. Для халькогенідів кадмію антиструктурою може бути природня “цинкова обманка” сульфід цинку, який кристалізуватися як в структурі сфалериту, так і в’юрциту.
Новизна кристалоквазіхімічного методу полягає в тому, що антиструктуру  – сфалерит) накладають (суперпозиція, резонанс) на кристалохімічну формулу сполуки . Де  – двократно іонізовані негативні і позитивні тетраедричні вакансії металу (М) і аніону (А). Заряди дефектів в кристалоквазіхімії позначаються як: х – нейтральні,  ×– позитивні, ¢ – негативні кількість цих знаків відповідає кратності іонізації, e' – концентрація електронів, h· – концентрація дірок.
Така суперпозиція дає можливість ефективно аналізувати як самі процеси нестехіометрії, так і легування, утворення твердих розчинів, тощо. Розглянемо їх детальніше.
4.1. Кристалоквазіхімічний аналіз:
Нестехіометрія. При надлишку кадмію антиструктура стехіометричного сфалериту  утворює кластер з катіонними вакансіями
                              (4.1)
Тоді при суперпозиції отриманого кластеру із квазіхімічною формулою стехіометричного складу отримаємо:

                          (4.2)
Тут a - мольні долі. Стає очевидним, що надлишок кадмію приводить до утворення донорних рівнів і обумовлює електронну провідність матеріалу.
При надлишку халькогену відповідно:

                                                                      (4.3.)
                                              (4.4)
Таким чином, надлишок телуру обумовлює утворення акцепторних рівнів і додаткових дірок, тобто, матеріалу р-типу.
Одержані результати визначення типу провідності для процесів нестехіометрії узгоджується із експериментальними приведеними в роботі [16].
4.2.         Процеси легування
4.3.          
а) легування киснем. При суперпозиції антиструктури з киснем отримаємо такий кристалоквазіхімічний кластер:
                (4.5)
Суперпозиція матриці з даним кристалоквазіхімічним кластером приведе до наступного:

                                      (4.6)
Отже, легування (адсорбція) телуриду кадмію киснем приводить до заміщення вакансії халькогена киснем з утворенням акцепторних центрів , що і обумовлює діркову провідність.
б) легування хлором. При суперпозиції антиструктури з хлором отримаємо такий кристалоквазіхімічний кластер за механізмом заміщення:
               (4.7)

Суперпозиція матриці з даним кристалоквазіхімічним кластером приведе до наступного:
                                              (4.8)
У випадку вкорінення хлору одержимо такий кластер:
                              (4.9)
Так як , тоді при суперпозиції основної матриці з кластером (4.9) отримаємо:

                                   (4.10)
Отже, легування телуриду кадмію хлором приводить до заміщення вакансій телуру хлором і часткового проникнення хлору в ОП підгратки аніону з утворенням акцепторних центрів і діркової провідності. Одержані кристалоквазіхімічні результати не підтверджують донорну дію хлору в CdTe наведену в роботі [23]. Це пояснюється можливим утворенням акцепторних комплексів  і нейтральних , тоді як ізольованих  залишається дуже мало, що і обумовлює донорну дію хлору.
в) легування індієм. З врахуванням донорної дії In в CdTe [23], кристалоквазіхімічний аналіз досліджували за механізмом заміщення атомів індію вакансій кадмію в основній матриці (механізм заміщення) та вкорінення індію у міжвузля, тобто в ТП або ОП порожнини (механізм вкорінення).
Механізм заміщення. Суперпозиція індію із антиструктурою основної матриці утворює кластер:
                                           (4.11)
Враховуючи електронну конфігурацію 4d105s25p1(In) і його зарядовий стан (In+1, In+3, 2In+2«In+3 + In+1) отримаємо:
                                                (4.12)
                           (4.12')
При суперпозиції основної матриці з кластером (4.11) одержимо наступні вирази. Кластер (4.12') для спрощення запису опускаємо:

                                                           (4.13)
Таким чином, утворений матеріал (5.13) характеризується електронною провідністю, яка обумовлена вакансіями в аніонній підгратці.
За механізмом вкорінення легуючий кластер має вигляд:
                                    (4.14)
При суперпозиції одержимо:

                                  (4.15)
Механізм вкорінення індію (4.15) як і заміщення (4.13) підтверджує його донорну дію. При цьому припускається, що вкорінений індій може знаходитися в зарядовому стані (In+3), займаючи ТП чи ОП основної матриці.
5.           Утворення твердих розчинів
Розглянемо криствлоквазіхімічний механізм утворення твердого розчину CdTe-ZnTe з ізовалентним заміщенням. Легуючий кластер має вигляд:
                                                                  (5.1)
При накладані матеріалу р-типу на кластер (5.1) одержимо:

                                         (5.2)
З виразу (5.2) видно, що цинк буде займати тетраедричні вакансії металу внаслідок чого зменшиться кількість вакансій металу і концентрація основних носіїв.
У випадку утворення твердого розчину CdTe-K2Te з гетеровалентним заміщенням одержимо кластер:
                                                     (5.3)
Накладання основної матриці на кластер (5.3) приведе до наступного:

                                                          (5.4)
Отже, утворений твердий розчин характеризується вакансіями в аніонній підгратці і n-типом провідності матеріалу.
6.       Обговорення результатів
Згідно одержаних кристалоквазіхімічних рівнянь, що описують процеси нестехіометрії (4.2), (4.4) встановлено, що при відхилені від стехіометрії на боці кадмію одержуємо матеріал n-типу, а на боці телуру – p-типу.
Кисень згідно одержаного виразу (4.6) проявляє в телуриді кадмію акцепторні властивості з утворенням матеріалу p-типу.
Легування кристалів телуриду кадмію хлором дає можливість одержати матеріал p-типу із заміщенням тетраедричних вакансій телуру і вкоріненням хлору в ОП підгратки аніону або ТП підгратки металу. Механізм вкорінення хлору підтверджується співставленням іоного радіусу хлору (табл.8) з радіусом ОП підгратки аніону для в’юрциту (riо= 1,85 Å).
Таблиця8
Електронна конфігурація та радіуси кадмію, індію, хлору, телуру [10]
Елементи
Електронна
конфігурація
Радіуси, Å
атомні
ковалентні
іонні
rT
rO
Cd
4d103s2
1,71
1,48
0,99(2+)
1,48
1,38
Іn
4d105s25p1
1,55
1,58
0,94(3+)
-
1,65(I), 1,27(III)
Cl2
3s23p5
1,00
0,99
1,67(-)
1,06
-
Те
4d105s25p4
1,42
1,36
2,11(2-)
1,34
1,64
Імовірним є те, що хлор буде вкорінюватися і в ТП підгратки металу двох структур (riт=1,8163 Å, riт=1,503 Å) де він може проявляти донорну дію. Радіуси ОП і ТП наведені в табл. 7.
При легуванні телуриду кадмію індієм одержують матеріал n-типу як за механізмом заміщення так і вкорінення. Вкорінюється In3+ (rIn3+=0,94 Å) при порівняні з радіусами ОП і ТП аналогічно хлору.
Розглянуті механізми утворення твердих розчинів з ізовалентним заміщенням (5.2) і гетеровалентним заміщенням (5.4) вказують на можливість заміщення вакансій металу досліджуваної матриці елементами Zn і К з утворенням матеріалів p- і n-типів.

Висновки
Згідно одержаних кристалоквазіхімічних механізмів процесів не стехіометрії, легування, утворення твердих розчинів в телуриді кадмію встановлено:
1.            При процесах нестехіометрії на боці кадмію одержуємо матеріал n-типу провідності, на боці телуру – р-типу.
2.            Адсорбція кисню на поверхні CdTe приводить до заміщення вакансій телуру киснем з утворенням матеріалу р-типу.
3.            Легування CdTe хлором і індієм проходить за двома механізмами заміщення і вкорінення, що дає можливість одержати матеріал р-типу при легуванні хлором та n-типу при легуванні індієм, як за механізмом заміщення так і вкорінення.
4.            При утворені твердих розчинів CdTe-ZnTe, CdTe-K2Te одержують матеріал р-типу з ізовалентним заміщенням і n-типу з гетеровалентним заміщенням.

Література
1.     А. Верма, П. Кришка. Полиморфизм и политипизм в кристаллах. «Мир». М., 1969.
2.     Физика и химия соединений АIIBVI. «Мир». М., 1970.
3.     Г.М. Попов., И.И. Шафрановский. Кристаллография. М., «Высшая школа», 1972.
4.     М.Дж. Бюргер. Фазовые переходы // Кристаллография.Том 16, в.6, 1971, с.1084.
5.     К.В. Шалимова, В.А. Дмитриев. Изменение типа стабильной структуры в ряду соединений АIIBVI // Кристаллография, Том 17, в.3, 1972, с.541.
6.     Л. Паулинг. Природа химической связи. М. – Л., 1947.
7.     J.S. Park, F.I. Chan, J.Appl. Phys, 36, 800,1965.
8.     G.F. Neumark. Phus. Rev., 125.838,1962.
9.     O. Brafman, G. Schachar, I.T. Steinberger. J.Appl. Phys. 36.668,1965.
10.             C.А. Семилетова. Тетраедрические и октаедрические ковалентные радиусы // Кристаллография. Том 21, в.4, 1976, с.752-754.
11.             Д.М. Фреїк, В.В. Прокопів, У.М. Писклинець, І.М. Ліщинський. Вплив технологічних факторів і легуючої домішки індію на дефектну систему і тип провідності у телуриді кадмію // Фізика і хімія твердого тіла Т.3. №1 (2002) с. 526-530.
12.             В.Й. Фистуль. Примеси переходных металлов в полупроводниках – М.: Металлургия, 1983, с.192.
13.             F.V. Wald. Application of CdTe. A Review // Rev Phys. Appl. 12 (12). P.277-290 (1977).
14.             G.C. Morris, S.K. Das, P.G. Tanner. Some Factors Aftecting Efficiencies of n-CdS/p-CdTe Thin Film Solar Cells // j. Cryst. Growth. 117. P.929-934 (1992).
15.             S. Seto, A. Tanaka, Y. Mosa, M. Kawashima. Clorine – Related Photoluminescence Lines in High-Resistivitg Cl-Doped CdTe // j. Cryst. Growth. 117. P.271-275 (1992).
16.             С.А. Медведев, С.Н. Максимовский, К.В. Киселева, Ю.В. Клевков, Н.Н. Сентгорина. О природе точечных дефектов в нелегированом СdTe // Изв. АН СССР. Неорганические материалы, IX (3), сс. 356-360 (1973).
17.             О.Э. Панчук, П.И. Фейчук, Л.П. Щербак, П.М. Фочук, Р.Ф. Бойчук. Распределение Ga в CdTe // Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 21 (7), сс.1118-1120 (1985).
18.             С.С. Лисняк. Кристаллоквазихимическая модель исследований в химии твердого тела // Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 29 (9), сс.1913-1917 (1992).
19.             В.Г. Яковлева. Структура и свойства соединений АIIВVI. -  В сб.: Современное состояние аналитической химии полупроводниковых соединений типа АIIВVI (Тр. Моск. ин-та стали и сплавов). М.: Изд. МИСиС, с. 151 (1983).
20.             Н.Х. Абрикосов, В.Ф. Банкина, Л.В Порецкая, Е. В. Скуднова, С.Н. Чижевская. Полупроводниковые халькогениды и сплавы на их основе. М., Наука, с.220 (1975).
21.             В.В. Матлак, М.И. Илащук, О.А. Парфенюк, П.А. Павлин, А.В. Савицкий. Електропроводность полуизолирующего СdTe // Физика и техника полупроводников, 16 (10), сс.89-92 (1982).
22.             К. Руманс. Структурные исследования некоторых окислов и других халькогенидов при нормальных и высоких давлениях. М.: Мир, (1969).
23.             Д.В. Корбутяк, С.В. Мельничук, П.М. Ткачук. Домішково-дефектна структура CdTe:Cl – матеріалу для детекторів іонізуючого випромінювання // Укр. Фіз. Журн., 44 (6), сс.730-737 (1999).
Предыдущая страница 1 2


Кристалохімія атомних дефектів у напівпровідниках структури сфалер

Скачать дипломную работу бесплатно


Постоянный url этой страницы:
http://referatnatemu.com/?id=15424&часть=2



вверх страницы

Рейтинг@Mail.ru
Copyright © 2010-2015 referatnatemu.com