9. Поверхностные явления в полупроводниковых структурах.

Структура поверхности характеризуется большим количеством дефектов: нарушение периода кристаллической решетки, незавершенные валентные связи, вакансии, адсорбция различных веществ. Поэтому энергетическая структура поверхности отличается от объемной наличием поверхностных состояний.

Поверх.состояния – это электронное состояние на границе п/п с какой-либо средой (диэл., газ, вода, Ме, вакуум) имеющие локальные энерг. уровни и изменяющие свое состояние в зависимости от положения ур. Ферми.

Пов. состояния:

Уровни Тамма – обусл. обрывом периодичности решетки кристалла, их концентрация = концентрации уровней внутри п/п (10¹⁵см^-2), что приводит к Ме проводимости.

Типа Шокли – это ненасыщенные хим. связи.

Пов.сост-я за счет дефекта крист.решетки.

Пов.сост-я обусл. внешними примесями.

Пов.сост-я (подобно донорам) могут обмениваться е^- и дырками с вал.зоны в зону проводимости. В силу нейтральности в глубине п/п появляется индуцированный объемный заряд компенсирующий заряд на поверхности. В зависимости от знака и типа электропроводности предповерх. слой либо обогащен либо обеднен. Наличие заряда ведет к искривлению энерг. зон.

Поверх.рекомбинация.

Пов.сост-я создают энерг. уровни вблизи середины запр.зоны, которые являются рекомбинационными ловушками. Поверхностная рекомбинация уменьшает время жизни носителей. ; <; (- поверх.вр.жизни, -объем.вр.жизни).

Скорость поверх. рекомбинации: [см/с].

Эффект внешнего поля – это изменение концентрации своб. носит. заряда и удельной проводимости при поверх. слое под действием внешнего эл. поля направленного нормально к поверхности в зависимости от направления и интенсивности.

Разл. режимы: 1. Обеднения; 2. Инверсии; 3. Обогащения.

1.Режим обеднения

Под действием эл. поля дырки смещаются от поверхности вглубь → концентрация на поверхности уменьшается. Поэтому на поверхности образуется обедненный слой . В котором концентрация дырок и е^- ниже равновес. концентрации. Плотность ионов.Плотность отриц. заряда, напряженность и потенциал в п/п связаны ур-ем Пуассона:

Е(х)=0, при х > L_об.

При дальнейшем увеличении эл. поля концентрация е^- увеличивается, а концентрация дырок уменьшается.

.

2.Режим инверсии.

При дальнейшем росте напряженности внешнего поля наступает режим инверсии, при котором поверхностная концентрация е^- превышает концентрацию дырок и концентрацию акцепторов (n_пов>Na). Тонкий участок 2 является участком инверсной электропроводностью.

;

; - Дибаевская длина экрана.

При увеличении внешнего поля увеличивается напряженность E(x) в области 2, а в области 1 она стабилизируется.

3.Режим обогащения.

Действие пов. заряда аналогично действию внешнего поля. При изменении полярности внешнего поля возникает режим обогащения.

10.Дрейфовое движение носителей заряда.

В полупроводниках свободные электроны и дырки на­ходятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупровод­ника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковы­ми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного дви­жения. Направленное движение носителей зарядов в элек­трическом поле обусловливает появление тока, называе­мого дрейфовым (Рисунок 1.6, а ) Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристаллической решетки их движение в направ­лении действия электрического поля

а)	б)
Рисунок 1.6 Дрейфовый (а) и диффузионный (б) токи в полупроводнике.

прерывисто и харак­теризуется подвижностью . Подвижность равна сред­ней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е.

. (1.11)

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследова­ния показывают, что подвижности электронов _n и дырок _p имеют различное значение (_n > _p) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение тем­пературы приводит к уменьшению подвижности, что зави­сит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрей­фом свободных электронов под действием внешнего элек­трического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со сред­ней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плот­ность тока в полупроводнике содержит электронную j_n и дырочную j_р составляющие и равна их сумме (n и p — концентрации соответственно электронов и дырок).

Подставляя в выражение для плотности тока соотноше­ние для средней скорости электронов и дырок (1.11), по­лучаем

(1.12)

Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =Е, то удельная электропроводность полупроводника опреде­ляется соотношением

.

У полупроводника с собственной электропроводностью кон­центрация электронов равна концентрации дырок (n_i = p_i), и его удельная электропроводность определяется выра­жением

.

В полупроводнике n-типа > , и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности мо­жет быть определена выражением

.

В полупроводнике р-типа > , и удельная элек­тропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электро­нов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижно­сти, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

Диффузионное движение носителей заряда

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возник­новению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации n_p и дыр­ками до концентрации p_n может осуществляться его осве­щением, облучением потоком заряжённых частиц, введе­нием их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носите­лям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избы­точные носители заряда не находятся в тепловом равнове­сии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распре­деляться по объему полупроводника (рисунок 1.6, б)

После прекращения действия возбудителя за счет реком­бинации электронов и дырок концентрация избыточных но­сителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Скорость рекомбинации неравновесных носителей про­порциональна избыточной концентрации дырок (p_n - ) или электронов (n_p - ):

; ,

где _p - время жизни дырок; _n - время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носите­лей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01...0,001 с.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупро­водника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носите­лей зарядов сопровождается их диффузией в сторону мень­шей концентрации. Это движение носителей зарядов обу­словливает прохождение электрического тока, называемо­го диффузионным (рисунок 1.6, б).

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупровод­нике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являют­ся функциями координаты. Это приведет к диффузионно­му движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обуслов­ливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяют­ся из соотношений:

; (1.13) ; (1.14)

где dn(x)/dx, dp(x)/dx - градиенты концентраций электронов и дырок; D_n, D_p - коэффициенты диффузии электро­нов и дырок.

Градиент концентрации характери­зует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени еди­ничную площадку, перпендикулярную к выбранному направ­лению, при градиенте концентрации в этом направлении, рав­ном единице. Коэффициенты диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

; . — подвижность частиц

Знак "минус" в выражении (1.14) означает противопо­ложную направленность электрических токов в полупро­воднике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следую­щим уравнениям:

; .

11. Уравнение непрерывности потока носителей заряда, частные случаи его решения.

τ_n-время жизни неосновных носителей.

G-скорость генерации под действием внешних факторов.

j_n-плотность тока.

Первый член в правой части описывает убыль.

Второй член (divj_n) описывает изменение концентрации электронов в элементарном объёме вследствие поступления или ухода электронов из этого объёма при протекании тока с плотностью j_n.

В одномерном случае:

1) E=0, G=0,

- уравнение диффузии

С учётом этих условий:

- скорость диффузии

Избыточная концентрация x=0 создаётся из потока носителей которая подходит к этой границе

2) E≠0, G=0,

, η – коэффициент пропорциональности, зависит от Е параметров n_p.

E<0

E>0

12. Работа выхода и электронное сродство. Виды электрических переходов. Физические процессы при контакте металл-полупроводник. Барьер Шоттки. Выпрямляющие контакты. Образование инверсного слоя. Омические (невыпрямляющие) контакты «металл-полупроводник».

Электроны, находящиеся в твердом теле испытывают взаимодействие со стороны положительно заряженных ионов кристаллической решётки, отсюда следует потенциальная энергия внутри тела меньше энергии электрона находящегося в вакууме. Чтобы электрон вышел нужно сообщить дополнительную энергию. На границе вакуума и твёрдого тела существует потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из тела. Покинуть тело могут электроны, чья энергия больше высоты потенциального барьера. Энергия, необходимая для преодоления этого барьера, называется работой выхода. Чем больше температура, тем больше кинетическая энергия и тем больше электронов могут покинуть тело. Явление выхода электронов из вещества вследствие теплового возбуждения называться термоэлектронной эмиссией.

Х = Евак-Ес – энергия электронного сродства

А = Евак-ЕF – работа выхода

Электрическим переходом называется переходный слой между твёрдыми телами с различными типами или значениями проводимости.

Виды электрических переходов:

1. между областями п/п n и p типа (электронно-дырочный переход).

2. между металлом и п/п.

3. между областями п/п с различными концентрациями примеси одного типа (n⁺-n, p⁺-p).

4. между п/п с одинаковой шириной запрещённой зоны (гомопереходы) и п/п с различной шириной запрещённой зоны (гетеропереходы).

5. между п/п и диэлектриком.

При установлении контакта металл-полупроводник вследст­вие различия в работе выхода электронов возникают встречные диффузионные и дрейфовые потоки, выравнивающие уровни Фер­ми в металле и полупроводнике. В результате вблизи границы образуется двойной электрический слой пространственного заряда (переходный слой) и контактная разность потенциалов. Поскольку для металлов расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельных зарядов пренебрежимо мало, пере­ходный слой практически полностью сосредоточен в приконтактной области полупроводника.

Контакт металл - полупроводник может использоваться в качестве выпрямляющего перехода, либо в качестве омического (невыпрямляющего) контакта.

Если переходный слой обеднен основными носителями заря­да, то при контакте возникает потенциальный барьер, обладающий выпрямляющим действием - барьер Шоттки.

Если в переходном слое концентрация основных носителей заряда повышена по сравнению с остальным объемом, то слой по­лучается обогащенным, не обладающим потенциальным барьером. Такие контакты используются в качестве омических контактов.

Важнейшей особенностью переходов Шоттки по сравнению с р-п-переходами является отсутствие инжекции неосновных носите­лей заряда. Следовательно, отсутствует диффузионная емкость, связанная накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе, что существенно уменьшает время переключения и повышает быстродействие диодов Шоттки, создаваемых на основе контактов «металл - полупроводник». Другой отличительной особенностью диодов Шоттки является значительно меньшее прямое падение на­пряжения по сравнению с р-п- переходом.