4. Ефект поля в напівпровідниках

4.1. Зміна поверхневого потенціалу напівпровідника під дією зовнішнього електричного поля

Визначення ефекту поля. При прикладанні перпендикулярно до поверхні напівпровідника через діелектричну прокладку зовнішнього електричного поля відбувається зміна електростатичного потен­ціалу його поверхні. При цьому напівпровідниковий зразок, виго­товлений у вигляді тонкої пластинки, служить однією з обкладинок плоского конденсатора. Інша обкладинка конденсатора – металева пластинка (рис.4.1).

Рис.4.1. Схематичне зображення конденсатора для дослідження ефекту поля у напівпровідниках: 1 – напівпровідникова обкладинка, 2 – діелектрик, 3 – металева обкладинка.

Пластинки розділені діелектриком з великою діелектричною проникністю. Наявність поля призводить до перероз­поділу заряду в приповерхневій області зразка і, отже, до зміни його провідності. Зміну електропровідності напівпровідникового кристалу під дією зовнішнього електричного поля, прикладено­го перпендикулярно до його поверхні, називають ефектом поля.

Зміна поверхневого потенціалу. Змінюючи величину і напрям поля можна в широких межах змінювати величину поверхневого по­тенціалу зразка. Для з’ясування процесу зміни заряду на поверхне­вих рівнях, що викликає зміну поверхневого потенціалу, розглянемо зразок р-типу, який характеризується відсутністю вигину енер­гетичних зон до накладання поля (рис.4.2,а). Накладання поля за допомогою з’єднання напівпровідникової обкладинки конденсатора з позитивним, а металевої з негативним полюсом батареї Б, призводить до вигину енергетичних зон уверх (рис.4.2,б).

Рис. 4.2. Енергетична схема напівпровідника в ефекті поля: а – до ввімкнення електричного поля; б – після ввімкнення електричного поля; М – металевий електрод (обкладинка конденсатора); 1 і 2 – поверхневі енергетичні рівні.

При цьому вся система поверхневих рівнів, розташування яких є фіксованим відносно країв зон на поверхні, зміщується вверх, що призводить до зміни енергетичної віддалі між цими рівнями і рівнем Фермі. Отже, накладання поля призводить до зміни заповнення поверхневих рівнів електронами. Наприклад, змен­шується заповнення електронами рівня 1, якщо на напівпровідник подано заряд “+” від зовнішнього джерела. У цьому випадку в при­поверхневій області збільшується концентрація дірок у порівнянні з об’ємом зразка.

Зміна провідності в ефекті поля істотньо залежить від наяв­ності на поверхні локальних рівнів. Поверхневі рівні захоплюють носії заряду з об’єму кристалу і таким чином зменшують експериментально вимірювану величину ефекту поля. Але саме цей факт дозволяє використовувати ефект поля для одержання інформації про параметри поверхневих рівнів і величину поверхневого потенціалу.

Релаксація електропровідності. Зміна електропровідності  напівпровідника під дією зовнішнього поперечного поля характери­зується наявністю декількох стадій (рис.4.3). У першу мить після ввімкнення поля зміна провідності максимальна _max,

Рис. 4.3. Релаксація зміни поверхневої провідності напівпровідикового зразка в ефекті поля.

а потім вона релаксує до деякого сталого значення. На першій стадії процес релаксації швидкий, а через 10^-6 – 10^-5 с сповільнюється.

Величину _max експериментальо виміряти важко. Вимі­ряти вдається лише величину _о, яка встановлюється через 1 мкс після ввімкнення електричного поля. У подальшому протягом корот­кого проміжку часу (~ 1 мкс) провідність зменшується до величини ₂, а потім повільно протягом 1 – 10 с зменшується до зна­чення ₃ (повільна релаксація), яке залишається сталим десятки хвилин. Наведений характер релаксації величини  зумовлений наявністю на поверхні напівпровідника двох типів локальних рівнів. Рівні одного з них заповнюються носіями заряду швидко, протягом 10^-8 – 10^-4 с. Рівні цього типу називають “швидкими”. Інші рівні заповнюються носіями заряду повільно, протягом секунд і хвилин, і тому їх називають “повільними”.

Експериментальні дослідження ефекту поля дозволяють одержати інформацію про поверхневий потенціал (вигин енергетичних зон) та визначити параметри поверхневих рівнів. Метод ефекту поля характеризується рядом переваг у порівнянні з іншими методами. Головними його перевагами є відсутність зміни системи по­верхневих рівнів у процесі вимірювання, а також можливість здійснювати практично безперервну зміну поверхневого потенціалу в широ­ких межах і одержати будь-який вигин енергетичних зон.