§ 1.10. Полупроводники в сильных электрических полях

В сильных электрических полях в полупроводнике могут проис­ходить физические процессы, приводящие к изменению удельной проводимости полупроводника; вольт-амперная характеристика полупроводника перестает подчиняться закону Ома; может из­меняться как концентрация носителей заряда, так и их под­вижность.

Рассмотрим вначале физические процессы, влияющие на концентрацию носителей заряда.

Ударная ионизация

Свободный электрон (или дырка), разгоняясь под действием большой напряженности электрического поля, может приобрести на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточ­ную для ионизации примеси или собственного атома полупровод­ника. Процесс ионизации атомов разогнавшимся в поле носите­лем заряда называют ударной ионизацией. Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок является лишь спо­собом описания движения совокупности электронов валентной зоны полупроводника.

Количественно процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентами ударной ионизации, которые численно равны количеству пар носителей заряда, образуемых первичным носи­телем на единице пути. По аналогии с теорией электрического разряда в газах, коэффициенты ударной ионизации в полупро­водниках обозначают а_п и а_р. Коэффициенты ударной иониза­ции очень сильно зависят от напряженности электрического поля. Для практических расчетов часто пользуются эмпириче­ской аппроксимацией

где m — довольно большой показатель степени, различный для разных материалов (от 5 до 8).

Туннелирование

Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон энергетических зон (рис. 1.12). При этом элект­роны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер (тол­щиной ∆) без изменения своей энергии — туннелировать благо ………………………………………… тут косячок вышел…..Пардоньте……

§ 1.13. Обедненные, инверсные и обогащенные поверхностные слои

Поверхность полупроводника представляет собой нарушение периодичности кристаллической решетки. Из-за этого возникают пополнительные энергетические уровни, расположенные в запре­щенной зоне энергетической диаграммы полупроводника. Эти уровни, теоретически предсказанные И. Е. Таммом, называют уровнями Тамма. Уровни Тамма являются акцепторными, так как у атомов полупроводника (например, кремния), находя­щихся у поверхности кристалла, оказывается всего по три соседних атома вместо четырех и, следовательно, отсутствует одна электронная связь. Плотность поверхностных уровней Тамма или поверхностных состояний должна быть того же порядка, что и число атомов на единице поверхности кристалла, т. е. около 10¹⁵ см^-2.

На реальной поверхности полупроводника поверхностные состояния возникают также вследствие адсорбции различных примесей (кислорода, воды и других атомов, ионов и молекул). Очевидно, что такая сложная структура поверхности реального полупроводника характеризуется дополнительными энергетиче­скими уровнями в запрещенной зоне донорного, акцепторного типа или типа ловушек.

Локальные энергетические уровни, обусловленные наруше­нием периодичности кристалла у поверхности полупроводника или примесями на поверхности, называют поверхностными уровнями.

При комнатной температуре большинство примесей обычно ионизировано, т. е. на поверхностных уровнях находятся заряды. Для компенсации этих зарядов в соответствии с условием

электрической нейтральности должен существовать объемный заряд в полупроводнике, что соответствует существованию электрического поля и изгибу энергетических зон вблизи поверх­ности полупроводника.

На рис. 1.21, а-в показано образование трех возможных ва­риантов поверхностных слоев в полупроводниках п- и p-типа при наличии положительных или отрицательных поверхностных состо­яний.

При малой плотности отрицательных поверхностных со­стояний на полупроводнике n-типа образуется обедненный слой (рис. 1.21, а), так как основные носители заряда — электроны — отталкиваются отрицательным поверхностным зарядом в глубь полупроводника. Электростатическое поле поверхностных заря­дов проникает в полупроводник на определенную глубину, кото­рая зависит от удельного сопротивления этого полупроводника.

При большой плотности отрицательных поверхностных со­стояний у поверхности полупроводника n-типа образуется слой с противоположным типом электропроводности — инверсный слой. Граница инверсного слоя в глубине полупроводника расположена там, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны. Под инверсным слоем в полупроводнике находится обедненный слой.

Если на поверхности полупроводника n-типа преобладают положительные поверхностные состояния, то поверхность полу­проводника обогащается электронами — основными носителями заряда, т. е. образуется обогащенный слой. Граница обога­щенного слоя в глубине полупроводника находится там, где начинается изгиб энергетических уровней, т. е. определяется глубиной проникновения электростатического поля поверхност­ных зарядов.

Таким образом, толщина области объемного заряда зависит от плотности поверхностных состояний, от удельного сопротив­ления полупроводника или от концент­рации примеси и составляет обычно 10-² — 10 мкм.

На поверхности полупроводника p- типа могут образовываться анало­гичные поверхностные слои, но при других знаках поверхностных зарядов (рис. 1.21).

На реальном полупроводнике всег­да имеется слой оксида. Поэтому поверхностные состояния могут находить­ся не только непосредственно на полу­проводнике, но также в слое оксида и на его поверхности. При изменении внешнего электрического поля и при (соответствующем изменении энергети­ческой диаграммы вблизи поверхности полупроводника должно происходить заполнение или опустошение электро­нами по крайней мере некоторых поверхностных состояний. По­верхностные состояния, расположенные вблизи границы раздела… .и тут косячок вроде бы 