Открытия сотрудников ЛЯП ОИЯИ. Свойство одноэлектронных атомов в кристаллических полупроводниках быть глубокими донорами
Сущность открытия заключается в том, что в примесных центрах, создаваемых одноэлектронными атомами в кристаллических полупроводниках, энергия связи электрона оказалась значительно больше, чем считалось ранее.
Как известно, свойства полупроводниковых кристаллов в значительной степени зависят от содержания в них различных примесей, которые образуют так называемые примесные центры. По принятой классификации различают мелкие и глубокие примесные центры. В основе этой классификации лежит величина энергии связи электрона с примесным центром, которому он принадлежит: при большой энергии связи примесный центр принято называть глубоким, а при малой — мелким.
Мелкие примесные центры называют также водородоподобными, так как их физические параметры достаточно хорошо описываются с помощью представлений, разработанных в отношении атома водорода. Для мелких примесных центров характерны большие размеры области пребывания принадлежащего им электрона, чем для глубоких. Примесные центры принято также разделять на донорные и акцепторные в зависимости от их способности отдавать или принимать электроны.
Считалось, что примесные центры в полупроводниковых кристаллах, создаваемые примесью водорода, являются мелкими. Однако вопрос о поведении водорода в кристаллах детально не был исследован. Это связано с тем, что поведение водорода не удается описать с помощью стандартных методов, используемых в физике твердого тела.
Экспериментальная методика, используемая авторами, основана на специфических свойствах мю-мезонов, которые, попав в некоторую физическую среду, способны захватить электрон на внешнюю орбиту. При этом образуется одноэлектронный атом — мюоний, который можно рассматривать как аналог атома водорода. В качестве полупроводникового материала по ряду физических свойств был выбран кремний.
Изучая поведение атомов мюония в кремнии, авторы открытия установили, что размеры области, занимаемой электроном примесного центра, образуемого мюонием, примерно в 25 раз меньше размеров области для хорошо известных водородоподобных мелких примесных центров. Это означает, что энергия связи электрона в примесных центрах, создаваемых одноэлектронными атомами, например водородом, в полупроводниковых материалах, значительно больше, чем для мелких примесных центров. Такие примесные центры становятся глубокими донорами.
Позднее открытие было подтверждено и для других полупроводниковых материалов в исследованиях, выполненных в СССР и за рубежом. Научное значение открытия состоит в том, что установлена форма существования одноэлектронных атомов в полупроводниковых материалах, объяснена причина слабой активности атомов водорода в полупроводниках, созданы предпосылки для дальнейшего развития теоретических представлений о примесных центрах в полупроводниках.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР 27 мая 1982 г. за № 259 с приоритетом от 12 декабря 1969 г.
Формула открытия:
«Экспериментально установлено неизвестное ранее свойство одноэлектронных атомов, внедренных в кристаллическую решетку полупроводника, быть глубокими донорами, проявляющееся в существенном уменьшении размеров области локализации принадлежащего им электрона по сравнению с аналогичной характеристикой для мелких водородоподобных донорных центров».
