Файл: Комов, А. Н. Физические основы микроэлектроники учеб. пособие.pdf

Рассмотрим случай, когда все донорные уровни в полупровод­ нике ионизированы, что и наблюдается для германия и кремния при комнатной температуре.

В поверхностном слое объемный заряд создается электронами в зоне проводимости, ионизированными донорами и дырками. Од­ нако суммарный заряд в объеме полупроводника равен нулю, т. е.

n0— Nd~po —0 .

В поверхностном/ слое значения концентраций электронов и ды­ рок будет отличаться от их значений в объеме,поэтому п - р N'0=fcО

Найдем распределение потенциала в слое из уравнения Паус-

сона 5 ^1 = — — (для одномерного, случая).

Подставляя в это уравнение р из формулы (IX—18) и учитывая соотношение (IX—19), получим*

Константа интегрирования С определяется из следующих гранич­ ных условий: в объеме полупроводника при х-*со величина ф и на­ пряженность поля Е равны нулю, т. е.

140

Знак в уравнении (IX—26) выбираем из следующих соображе­ ний: если энергетические зоны изогнуты вверх, то величина

d'-p

U(x)>0 возрастает, т. е. ^ - > 0 Тогда

Величину искривления зон U(x) =kTtys в поверхностном слое можно определить из условия электронейтральности—положитель­ ный заряд в приповерхностном слое Q0 должен быть равен отрица­ тельному заряду па поверхностных уровнях Qs:

Число электронов на поверхностных уровнях находится из соот­ ношения

Тогда полный отрицательный заряд на поверхностных уровнях ра­ вен

Иполный положительный заряд в приповерхностном слое

оо

141

Из этого соотношения можно определить распределение поверхно-

U(х)

стного потенциала tp^= ■ - в поверхностном слое.

В простейшем случае, когда искривление зон в полупроводнике

т. е. концентрация дырок в поверхностном слое мала по сравнению с концентрацией электронов в объеме.

Для (IX—34) справедливо уравнение вида

Распределение потенциала в поверхностной области в этом слу­ чае определяется графически из решения (IX—35).

§ 3. Эффект поля

Величина поверхностной электропроводности в полупроводнике определяется с помощью так называемого метода «эффекта поля», сущность которого заключается в том, что полупроводник используется в качестве одной обкладки конденсатора (рис. 62).

При наложении внешнего электрического поля, на поверхности полупроводника и металла возникнут разноименные заряды. Плот­ ность этих зарядов определяется из простого соотношения

Q= CV, (IX—36)

где С—величина емкости на единицу поверхности, V — приложенное напряжение.

Если приложенное напряжение значительно больше контактной

142

по величине эффект был значительно меньше ожидаемого. Это уменьшение можно объяснить тем, что основная часть избыточ­ ных носителей заряда захватывается поверхностными состояниями, и поэтому они не могут участвовать ,в проводимости.

Эксперименты показали, что в германии, кремнии и др. материа­ лах, эффект поля практически мало изменяет электропроводность образца. Это свидетельствовало о том, что почти весь заряд захва­ тывается поверхностными уровнями, а объем оказывается заэкра­ нированным. Причем, экранирование наблюдается как при поло­ жительных, так и при отрицательных напряжениях, что указывает па наличие большого числа и донорных и акцепторных уровней.

В переменном поле степень экранирования снижается и при ча­ стотах выше ІО7 гц практически исчезает. ’

Зависимость степени экранирования от частоты, а также другие данные показывают, что на поверхности большинства полупровод­ ников имеют место два типа уровней с различными временами за­ хвата носителей заряда. Одни из них называются медленными уровнями (время перехода па эти уровни составляет от 1 0 ~ 3 сек до нескольких часов). Они возникают в результате образования на поверхности полупроводника окисного слоя, чем и обусловлено столь большое время перехода. Чтобы попасть носителю заряда на эти уровни, необходимо пройти сравнительно толстый диэлектриче­ ский слой окиси (рис. 63).

*,

А

и п и ё н е ш н и е

поверхностные

с/гои oKuâu ггрнениР

Рис. 63. Схема энергетических уровней с быстры­ ми и медленными уровнями на поверхности германия.

143

Уровни второго типа, расположенные на поверхности полупро­ водника под слоем окиси, называются быстрыми (время перехода на эти уровни равно 10~&сек).

Соответствующей обработкой поверхности полупроводника мож­ но значительно снизить плотность поверхностных уровней.

Так, нанося диэлектрическую пленку на свежепротравленную поверхность германия, удается исключить образования медленных поверхностных состояний и уменьшить до требуемой величины кон­ центрацию быстрых уровней. Такие устройства могут работать.как переменные емкости (используются в варисторах и стабилитронах).

При достаточно большой напряженности поля в приповерхно­ стном слое может измениться тип проводимости—возникает инвер­ сный или обращенный, слой. Поскольку у поверхности тип прово­ димости меняется, то при удалении от поверхности можно найти слой, в котором рт п, то есть слой, обладающий собственной про­ водимостью (t'-слой), а область полупроводника, в которой меняет­ ся тип проводимости, носит название физического р—п перехода;

он исчезает при снятии внешнего поля.

§ 4. Поверхностная рекомбинация

На поверхности полупроводника содержится большое . количе­ ство быстрых и медленных поверхностных уровней, играющих роль

144

правлено от поверхности вглубь полупроводника. Под действием этого поста свободные электроны зоны «проводимости перемещаются

учитывать и обратные потоки электронов и дырок с поверхности в объем полупроводника.

В случае нарушения равновесного состояния возникают избы­ точные неравновесные носители заряда, которые также могут ре­ комбинировать на поверхностных центрах.

Пусть концентрация электронов и дырок соответственно будет Ап, Ар; при наличии рекомбинационных центров, возникает их диф­

для дырок —^ -= S pAp,

где Sn, Sp — скорость поверхностной рекомбинации для электронов

рекомбинацией, не приводит к появлению электрических полей, по­ скольку при этом электронейтралыюсть объема полупроводника не нарушается.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Г. Е. Пи кус. «Основы теории полупроводниковых приборов», изд-во, «Наука», М., 1965.

2. Г. И. Е п и ф а н о в . «Физические основы микроэлектроники», изд-во «Со­ ветское радио», 1971.

3.П. С. К и р е е в . «Физика полупроводников», изд-во «Высшая школа», М.,

1969.

4.Р. С м и т. «Полупроводники», изд-во иностран. лит., М., 1962.

10—2876