Поверхностные состояния

На поверхности кристалла существует система дискретных или непрерывно распределенных энергетических уровней, происхождение которых может быть различным. Это могут быть или уровни Тамма, возникающие на поверхности в результате обрыва кристаллической решетки, или уровни Шокли, возникающие в результате нескомпенсированных валентных связей у поверхностных атомов. Это могут быть также энергетические уровни, связанные с примесями, локализованными на поверхности, или обусловленные поверхностными дефектами кристаллической решетки. Наконец, поверхностные уровни могут быть связаны с адсорбцией на поверхности молекул окружающего газа.

Природа поверхностных уравнений должна выясняться в каждом случае для каждого кристалла.

Реальная поверхность полупроводника сложная по своей структуре.

Даже в условиях сравнительно высокого вакуума, а тем более на воздухе, появляются дополнительные энергетические уровни: донорные, акцепторные и уровни типа ловушек.

На реальной поверхности полупроводника различают два типа поверхностных энергетических состояний:

1). внутренние, или быстрые, обусловленные дефектами или примесями, расположенными непосредственно на поверхности кристалла, и характеризующиеся временем перехода электронов из объемных энергетических зон на поверхностные 10^-7 с. Плотность состояний их примерно 10¹⁹ м^-2 и зависит от обработки поверхности;

2). внешние, или медленные, обусловленные атомами, адсорбированными на поверхности слоя окисла или, возможно, в его глубине, и характеризующиеся временем перехода электронов из объемных энергетических зон на них более 10^-2 с. Плотность состояний их примерно 10¹⁷...10¹⁹ м ^-2 и зависит от окружающей среды.

Такие состояния возникают, если поверхность покрыта окисной или иной диэлектрической пленкой.

На дополнительных уровнях могут находиться заряды, для компенсации которых в соответствии с условиями электрической нейтральности должен образоваться объемный заряд в полупроводнике, что приведет к искажению электрического поля и соответствующему изгибу энергетических зон (рис. 2.13). Изгиб энергетических зон вблизи поверхности проявляется в существенном изменении многих физических свойств кристаллов (их проводимости, работы выхода, фотоэлектрических свойств и т.д.).

Исследование поверхностных эффектов имеет как теоретический, так и практический интерес.

От поверхностных явлений зависят многие основные параметры приборов:

скоростьрекомбинации носителей на поверхности прибора определяет спектральные характеристики фотоэлементов и фоторезисторов, а также величину фотоЭДС;
тепловая генерация носителей на поверхности определяет величину обратных токов насыщения диодов и триодов;
образование инверсных слоев на поверхности является причиной увеличения обратных токов и отсутствия их насыщения;
наличие инверсных слоев часто приводит к пробою p-n перехода, наступающему при сравнительно низких напряжениях;
переход носителей на поверхностные состояния является одной из причин шумов полупроводниковых триодов на низких частотах.

Если поверхность полупроводникового прибора находится в контакте с окружающей средой, то изменение влажности атмосферы может привести к нестабильности параметров прибора. Поэтому актуальной практической проблемой является проблема изоляции поверхности полупроводника от окружающей среды и, следовательно, проблема контакта поверхности с различными изолирующими пленками.

Одна из главных задач физики поверхности – получение полупроводниковых поверхностей с заданными параметрами. Решение этой задачи позволит при конструировании полупроводниковых приборов и микросхем задавать параметры поверхности, наиболее приемлемые для устойчивой работы приборов.

Поверхностный заряд нейтрализуется объемным зарядом: носители тока из объема кристалла притягиваются в приповерхностную область.

Так возникает двойной заряженный слой.

Для оценки величины толщины приповерхностного слоя объемного заряда в металлах и полупроводниках d предположим, что плотность заряженных поверхностных уровней γ=10¹⁵ см^-2, т.е. каждый атом на поверхности дает один поверхностный уровень. В металлах, где концентрация свободных электронов n=10²² см^-3, нейтрализация поверхностного заряда происходит на расстоянии нескольких постоянных решетки; это значит, что для создания соответствующего поверхностного заряда толщина приповерхностного слоя, из которого должны уйти все электроны, находится из соотношения:

. (2.28)

Естественно, такой тонкий слой не может существенно сказаться на свойствах всего кристалла. Для полупроводников, где объемная концентрация носителей тока n=10¹¹...10¹² см³, область пространственного заряда проникает на глубину 10^-4...10^-3 см. Таким образом, в полупроводниках существует область, электрические свойства которой определяются не объемной концентрацией примеси, а величиной поверхностного заряда. В этой области концентрация носителей может значительно отличаться от объемной. На энергетической схеме это выражается в изменении границ зон в приповерхностной области относительно уровня Ферми (рис.2.13). Глубина области пространственного заряда принимается равной длине экранирования (дебаевская длина). Для полупроводника с собственной проводимостью

, (2.29)

где ε – диэлектрическая проницаемость;

n_i – концентрация носителей тока в собственном полупроводнике;

e – заряд электрона.

Условие равенства нулю общего заряда, т.е. заряда на поверхностных уровнях и в приповерхностном слое, справедливо лишь в случае свободной поверхности.

Рис. 2.13. Искривление энергетических зон в электронном и дырочном полупроводнике под действием поверхностного заряда

Рассмотрим процессы в приповерхностной области полупроводника, когда перпендикулярно поверхности приложено внешнее электрическое поле с помощью металлического электрода, отделенного от полупроводника слоем диэлектрика (рис. 2.14, а) или окисла. Такая структура получила название МДП, МОП. Предположим, что поверхностные состояния на границе полупроводника с диэлектриком отсутствуют. При подаче отрицательного потенциала на металлический электрод около него образуется отрицательный заряд избыточных электронов. Приповерхностный слой при этом обогащается, и возникает картина, аналогичная рис. 2.13, в. Причиной в этом случае будут не поверхностные состояния, а электрическое поле. При другой полярности приложенного электрического поля произойдет обеднение поверхностного слоя (рис. 2.13, а). Легко видеть, что приложенным электрическим полем можно управлять проводимостью полупроводникового образца. Этот эффект получил название эффекта поля.

Рис. 2.15. Структура и принципиальная схема включения полевых транзисторов:

а – с изолированным затвором; б – с p-n переходом

Изменяя величину и знак приложенного напряжения, мы изменяем проводимость образца (рис. 2.14). При снижении отрицательного потенциала на металлическом электроде проводимость уменьшается за счет обеднения приповерхностной области. Уменьшение происходит до некоторого минимума. В этой точке проводимость примесного полупроводника равна проводимости собственного полупроводника, т.к. концентрация неосновных носителей (дырок) возрастает.

Рис. 2.14. Графики зависимости электропроводности канала от потенциальности затвора

Дальнейшее уменьшение отрицательного потенциала при переходе к положительному приводит к появлению инверсного слоя, аналогичного рис. 2.13. В случае, когда на поверхности полупроводника имеются поверхностные состояния, эффект поля существенно ослаблен. Возникающий поверхностный заряд экранирует внешнее электрическое поле, которое проникает на меньшую глубину. Изучая в этом случае эффект поля и его характеристики, удается определить концентрацию и энергетическое положение поверхностных уровней.

Первые исследования эффекта поля, проведенные Шокли и Пирсоном, а также В.Е. Лашкаревым и В.И. Ляшенко, на Cu₂O показали, что экспериментально измеряемое значение изменения проводимости под действием поля значительно меньше, чем следовало ожидать, если предположить, что все индуцированные полем заряды участвуют в проводимости. Этот факт объясняется тем, что часть введенных полем носителей захватывается на поверхностные уровни.

Эффект поля или полевой эффект имеет и практическое значение. Он может быть использован для получения переменного сопротивления, переменной емкости или усилительного элемента, примером которого является полевой транзистор.

Идея изменения потока носителей поперечным электрическим полем была предложена еще в 1928 г. Однако лишь в 1948 г. Шокли и Пирсон использовали идею модуляции поверхностного заряда в тонких полупроводниковых пленках электрическим полем, направленным перпендикулярно поверхности полупроводника.

Предложенное ими устройство, состоящее из металлической пластинки, тонкого диэлектрика и полупроводника (рис. 2.15, а), позволило наблюдать механизм управления проводимости материала электрическим полем. Если на металлическую пластинку подать напряжение, то и в полупроводниковом материале наведется поле, оттесняющее основные носители тока от поверхности полупроводника, обращенной к металлической пластинке. Вследствие этого уменьшается общее число носителей тока в полупроводниковом материале, т.е. увеличивается его сопротивление, а значит, уменьшается ток в цепи, состоящей из полупроводника, батареи питания и нагрузочного сопротивления.

Таким образом, изменение напряжения на металлической пластине ведет к изменению тока в нагрузочной цепи. Если падение напряжения на R_Н окажется больше напряжения, поданного на металлическую пластину, то такое устройство будет работать как усилитель сигнала.

Результаты эксперимента на таком несовершенном приборе – прототипе полевого транзистора – показали, что только 10% основных носителей тока в полупроводнике подвижны, а остальные находятся в связанных состояниях на поверхности полупроводника.

Кроме того, практическая чувствительность такого полевого прибора оказалась намного меньше расчетной.

Если предположить, что поверхность полупроводника образует электрический экран, который препятствует проникновению поля внутрь материала и уменьшает тем самым влияние поля на сопротивление полупроводника, то низкую первоначальную чувствительность можно объяснить тем, что примерно 90% заряда, наведенного внешним полем, оставалось на поверхности в состоянии, которое не позволяло ему участвовать в процессе проводимости.

Предложенная в 1952 г. новая конструкция полевого транзистора была свободна от недостатков, связанных с поверхностными состояниями. Был использован p-n переход, смещенный в запирающем направлении, для модуляции основных носителей тока в слабо легированной p-области того же перехода. В этом случае электрическое поле почти полностью находилось в полупроводнике и его поверхность играла значительную роль в работе прибора. Таким образом была устранена проблема поверхностных состояний. Однако использование обратносмещенного p-n перехода имело тот недостаток, что позволило только уменьшить количество свободных носителей в p-области. Эта p-область, в которой происходило перемещение подвижных носителей тока, получила название "канала", а явление уменьшения носителей под действием напряжения, смещенного в обратном направлении p-n перехода, получило название "обеднение заряда", n-область стала называться "затвором" (рис. 2.15, б).

В результате дальнейшего совершенствования полевых транзисторов была предложена структура на кремнии с использованием изолированного затвора; электрод затвора был отделен от канала тонким изолирующим слоем. В дальнейшем появились транзисторы с использованием слоев металла (в качестве затвора), окисла (изолятора между затвором и каналом) и полупроводникового материала (канала) (рис. 2.16). В отличие от полевого транзистора с p-n переходом новый прибор допускал как обеднение, так и обогащение основными носителями тока в области канала и позволил работать с "полевым смещением". В дальнейшем появились различные технологические варианты полевого транзистора с изолированным затвором: тонкопленочные транзисторы и транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие конструктивные варианты: текнетроны, алькатроны, однопереходные триоды и полевые приборы с изолированным затвором.

Рис. 2.16. Структура МДП – транзистора