3. Нерівноважні процеси у приповерхневій області напівпровідників

3.1. Класифікація поверхневих локальних центрів

Нерівноважні процеси, що протікають в області поверхні напівпро­відника, характеризуються певними особливостями, зумовленими взаємодією нерівноважних но­сіїв заряду з поверхневими локальними центрами та наявністю приповерхневої ОПЗ. Вільні носії можуть утворюватися не тільки в результаті термічної іонізації атомів напівпровідника, а й внаслідок дії інших факторів, таких, наприклад, як фотозбудження та інжекція через неомічний контакт чи р-n-перехід або анізотипний гетероперехід при прямому ввімкненні. Іншими способами генерації вільних носіїв можуть бути збудження крис­тала високоенергетичними частинками, наприклад, електронами або прикладанням досить високих електричних полів. Генеровані за домомогою названих засобів вільні електрони і дірки не перебувають у стані рівноваги з кристалічною граткою напівпровідника і тому їх називають нерівноважними.

За характером взаємодії з нерівноважними носіями заряду поверхневі центри можна умовно розділити на центри рекомбінації та центри прилипання. У результаті взаємодії електрона зони провідності або дірки валентної зони з локальним центром, електрон (або дірка) покидає свою зону і виявляється зв’язаним на цьому центрі. При розгляді процесів захоплення нерівноважних носіїв заряду поверхневими локальними центрами користуються феноменологічними параметрами – коефіцієнтами захоплення електронів С_ns і дірок С_ps, які дорівнють добутку перерізу захоплення S_n,p нерівноважного носія локальним центром на теплову швидкість V_n,p вільного но­сія, усередненому по всіх носіях у відповідній зоні

(3.1)

Добуток коефіцієнта захоплення на концентрацію вільних носіїв заряду в області поверхні визначає ймовір­ність їх захоплення центром за одиницю часу. Отже, ймовірності захоплення електронів зони провідності та дірок валентної зони поверхневими центрами відповідно дорівнюють С_nsn_s і С_psp_s, де n_s, p_s – загальні концентрації вільних електронів і дірок в області поверхні.

Захоплені локальними центрами нерівноважні носії заряду можуть рекомбінувати після захоплення цими ж центрами носіїв протилежного знака (рис. 3.1, а, переходи 2, 3) або внаслідок теплового збудження знову стати вільними, тобто перейти з локального рівня у свою зону (рис.3.1,б, переходи 5, 7).

Рис. 3.1. Переходи електронів (суцільні стрілки) і дірок (штрихові стрілки) між зонами та локальними енергетичними рівнями при рекомбінації (а) та прилипанні (б) нерівноважних носіїв заряду

Теплові переходи захоплених носіїв з локальних енергетичних рівнів у відповідні зони називають зворотними тепловими переходами. Ймовірності таких переходів для електронів і дірок відповідно дорівнюють

, (3.2)

. (3.3)

Тут E_s – енергетичне положення відповідного рівня локального центра у забороненій зоні. Крім того, локальні центри характеризуються їх концентрацією N_s .

Центри рекомбінації взаємодіють з носіями заряду обох зон – зони провідності та валентної зони. Процес рекомбінації складається з двох елементарних актів: захоплення центром вільного електрона і вільної дірки (рис. 3.1, а, переходи 2, 3). Поверхневі центри рекомбінації розглядаються як прості локальні центри, які можуть бути нейтральними або лише однократно позитивно чи негативно зарядженими. Якщо в початковому стані центр заряджений позитивно (донорні центри), то спочатку захоплюється електрон (перехід 2), а потім дірка (перехід 3). Для акцепторних центрів, які в початковому стані заряджені негативно, характерною буде інша послідовність захоплення нерівноважних носіїв: спочатку захоплюється дірка (перехід 3), а потім електрон (перехід 2). Незалежно від послідовності захоплення нерівноважних носіїв заряду локальним центром зарядовий стан центра після закінчення акту рекомбінації збігається з початковим. Наприклад, якщо початковий заряд центра негативний (–е), то після захоплення дірки він стає нейтральним (0), а після захоплення електрона – знову негативним (–е). Послідовність актів захоплення електронів і дірок центром рекомбінації визначається його початковим зарядовим станом.

Характерною особливістю центрів прилипання є взаємодія лише з носіями заряду однієї із енергетичних зон (рис. 3.1, б). Це означає, що захоплені центрами прилипання вільні носії заряду внаслідок теплового збудження через деякий час знову переходять у вільний стан. Тобто відбуваються зворотні теплові переходи захоплених електронів і дірок з рівнів прилипання у дозволені енергетичні зони (рис. 3.1, б, переходи 5 і 7).

Для віднесення даного центра до певного виду (рекомбінації чи прилипання) використовують відношення ймовірності захоплення носія протилежного знака до ймовірності зворотного теплового переходу захопленого спочатку. Для центра, що захопив електрон, відношення названих ймовірностей має вигляд:

(3.4)

Аналогічно для центра, що захопив дірку,

(3.5)

При k_n < 1 даний центр є центром прилипання для електронів, при k_p < 1 – для дірок, а при k_n,p > 1 – це рекомбінаційний центр.

Енергетичні рівні центрів прилипання розташовані у забороненій зоні поблизу відповідних зон: біля с-зони розташовані рівні прилипання для електронів, а біля v-зони – для дірок. Рівні рекомбінації розташовані в області середини забороненої зони.

Із співвідношень (3.4) та (3.5) із урахуванням (3.2) та (3.3) випливає, що вид центра залежить не лише від його природи, але й від інших факторів (температура, інтенсивність збудження, вигин зон). Тому той самий центр за одних умов може бути центром рекомбінації, а за інших – центром прилипання і навпаки. Отже, поділ локальних центрів на центри прилипання та рекомбінації умовний.