Различные электронные процессы, которые несколько условно могут быть объединены названием поверхностных, в значительной мере связаны с наличием приповерхностного слоя пространственного заряда. Свойства этого слоя для данного вида образца полупроводника однозначно характеризуются поверхностным электростатическим потенциалом. Отсюда следует, что возможности исследования и управления величиной и знаком поверхностного электростатического потенциала. Существует множество методов изменения поверхностного электростатического потенциала, но в данной работе рассматривали метод воздействия на поверхностный электростатический потенциал полупроводника. Он заключается в непосредственном приложении внешнего электрического поля, нормального к его поверхности. Этот метод, получивший название «эффекта поля».

В зависимости от процесса релаксации разделяют существование двух принципиально различных механизмов экранировки объема полупроводника от проникновения в него внешнего поперечного поля. Первый из них заключается в захвате индуцированного в полупроводник заряда поверхностными состояниями. Второй механизм экранировки связан с изменением заряда в слое пространственного заряда, и следовательно, с изменением поверхностного электростатического потенциала.

1. ЭФФЕКТ ПОЛЯ

Величину поверхностного потенциала можно изменять не только изменяя окружающую среду, но и создавая у поверхности полупроводника поперечное электрическое поле. Влияние внешнего электрического поля на электропроводность полупроводника получило название эффекта поля.

Существует большое число разнообразных экспериментальных приемов изучения эффекта поля, как в стационарном, так и в нестационарном режимах. Пример стационарного метода показан на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема наблюдения стационарного эффекта поля.

Пластинка полупроводника П служит одной из обкладок конденсатора, второй обкладкой которого является металлическая пластина М, отделенная от полупроводника тонким слоем изолятора И. К конденсатору прикладывается постоянное напряжение, величину и знак которого можно изменять. Концы пластинки полупроводника имеют низкоомные контакты, с помощью которых она включается мостовую схему (или какую-либо другую) для точного измерения малых измерений проводимости.

Ещё удобнее исследовать эффект поля, прикладывая к пластинам конденсатора переменное напряжение низкой частоты (десятки или сотни герц). Тогда, используя простые схемы и подавая на одну из пар пластин осциллографа сигнал, пропорциональный приложенному напряжению u, а на другую пару пластин – сигнал, пропорциональный ∆G , можно получить на экране всю кривую зависимости ∆G от u. Это позволяет легко определить по формуле 1 значение Y_s при любом напряжении на конденсаторе, и в частности, при u = 0 (в «естественном» состоянии поверхности).

Y_a = Y_s_min + ∆Y_s , (1.1)

∆Y_sопределяется величиной (G – G_min).

Такой метод имеет большое преимущество перед использованием различных газовых атмосфер, так как эти последние могут не только искривлять энергетические зоны, но и изменять концентрацию поверхностных уровней энергии вследствие адсорбции атомов газов.

Исследование эффекта поля позволяет получить ценную информацию о поверхностных состояниях (энергетических уровнях и их концентрациях). Эта возможность основана на следующем. Электроны и дырки под каждой единицей поверхности создают заряд

Q = Q_v + Q_s = e( Г_p – Г_n) + Q_s (1.2)

где Q_v – подвижный заряд в объеме приповерхностного слоя

Q_s – связанный заряд на поверхностных уровнях

Г_p и Г_n – полные количества избыточных дырок и электронов, определяемые формулой (1.3)

Кроме того, имеется ещё заряд, создаваемый ионами в объеме полупроводника (заряженными донорами и акцепторами), и ионами, адсорбированными на внешней поверхности окисла. В отсутствие внешнего поля заряд ионов равен по величине и противоположен по знаку заряду Q.

Во многих случаях можно считать, что в эффекте поля ионный заряд не изменяется. Это справедливо, если доноры и акцепторы в объеме полупроводника полностью ионизированы. Адсорбированные же ионы обмениваются электронами с полупроводником очень медленно (часто за многие секунды и минуты), и за время измерения их заряд остается постоянным. Поэтому индуцированный заряд равен

δQ = δQ_v + δQ_s = e( δГ_p – δГ_n) + δQ_s (1.4)

Так как Г_p и Г_n – известные функции поверхностного потенциала Y_s, а этот последний тоже определяется из эффекта поля, то величину δQ_v можно легко найти. С другой стороны, суммарный индуцированный заряд (отнесенный к единице площади) равен

δQ = Cu (1.5)

где С – емкость конденсатора на единицу площади, которая непосредственно определяется на опыте. Поэтому оказывается возможным определить δQ_s и найти, какая доля иногда выражают с помощью эффективной подвижности. Она, по определению, равна

(1.6)

где δG – изменение проводимости в эффекте поля.

Эта величина имеет особенно простой физический смысл, если искривление зон невелико и проводимость везде можно считать монополярной. Тогда получаем для дырочного полупроводника

,(1.7)

а следовательно,

В этом случае μ_эф определяет, какая доля полного заряда поверхности находится в подвижном состоянии.

Исследуя зависимость Q_sот Y_s, можно определить энергетическое положение поверхностных уровней энергии и их концентрацию. Действительно, при изменении Y_s поверхностные уровни, так же как и края зон у поверхности, перемещаются относительно уровня Ферми F. При прохождении какого-либо уровня E_sчерез F зарядное состояние уровня изменяется. При наличии уровней только одного типа это проявляется на кривых зависимости Q_sот Y_s возникновением ступени.

Чтобы охарактеризовать энергетический спектр поверхностных состояний, отсчитываем E_sпри неискривленных зонах (Y_s=0) от положения уровня Ферми в собственном полупроводнике F_i, обозначая ε_s ≡ E_s– E_i. Тогда

E_s – F = ε_s – (F – F_i) – kTY_s.

Для невырожденных (в объеме ) полупроводников получаем

Поэтому можно найти, что вероятность заполнения уровня E_sпри данном Y_s есть

Если рассматриваемые уровни акцепторные и их поверхностная концентрация равна ν, то заряд поверхности буде равен

Q_s = –eνf(ε_s, Y_s). (1.8)

Для донорных уровней получаем

Q_v = eν(1 – f(ε_s, Y_s)). (1.9)

Из формул (1.8) и (1.9) видно, что в обоих случаях на кривых зависимости Q_sот Y_s появляется ступень, а также точка перегиба. Последняя соответствует поверхностному потенциалу

Значит, определяя по данным эффекта поля Y_s₁, можно найти ε_s. Величина ступени равна eν.

В случае нескольких дискретных уровней энергии получилось бы не одна, а несколько точек перегиба.

Если имеется непрерывный энергетический спектр поверхностных состояний, то Q, получается суммированием выражений типа. Так, например, для акцепторных уровней получаем:

Где интегрирование производится по всей запрещенной зоне энергий. Здесь ν(ε_s) есть поверхностная плотность уровней, рассчитанная на единичный интервал энергии. В этом случае задача определения энергетического спектра поверхностных состояний ν(ε_s) по экспериментальной зависимости Q_sот Y_sстановится гораздо более сложной и требует либо дополнительных данных, либо дополнительных предположений.

Экспериментальное исследование зависимости Q_sот Y_s («кривых захвата») показывает, что кривые захвата, как правило, оказываются плавными и не обнаруживают ясно выраженных ступеней и точек перегиба. Пример таких кривых для германия приведен на рисунке 1.2

Эффект поля. Расчёт эффективной подвижности носителей заряда (стр. 1 из 6)

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭФФЕКТ ПОЛЯ