Явления на поверхности полупроводников

Физические процессы на поверхности полупроводника оказывают большое влияние на электрические характеристики и параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Рассмотрим зонную диаграмму приповерхностной области полупроводников в равновесных условиях. Рассмотрим, как будет меняться концентрация свободных носителей в приповерхностной области полупроводника, когда вблизи этой поверхности создается электрическое поле. Для примера будем считать, что электрическое поле создается заряженной металлической плоскостью с поверхностной плотностью зарядов σ. Поскольку силовые линии электрического поля должны быть замкнуты, то на поверхности полупроводника возникает равный по величине, но противоположный по знаку электрический заряд. В зависимости от знака заряда на металлической плоскости (положительной или отрицательной) экранирующий это поле заряд в приповерхностной области полупроводника также будет различных знаков. На рис. 2.51 приведены ситуации положительно и отрицательно заряженной плоскости.

Рис. 2.51. Изменение концентрации свободных носителей

в приповерхностной области полупроводника при наличии вблизи поверхности заряженной металлической плоскости

Случай, когда в приповерхностной области возрастает концентрация свободных носителей, носит название обогащение, а когда в приповерхностной области уменьшается концентрация свободных носителей – обеднение.

Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля получило название эффекта поля.

При наличии внешнего поля приповерхностная область в полупроводнике не будет электронейтральной. Заряд, возникший в этой области, обычно называется пространственным зарядом, а сама область – областью пространственного заряда. Наличие электрического поля E (z) в ОПЗ меняет величину потенциальной энергии электрона. Если поле направлено от поверхности вглубь полупроводника, то электроны в этом случае будут иметь минимальную энергию у поверхности, что соответствует наличию потенциальной ямы для электронов.

Изменение потенциальной энергии электронов

,               (2.96)

где U (∞) – потенциальная энергия электронов в квазинейтральном объеме полупроводника.

Поскольку на дне зоны проводимости кинетическая энергия электронов равна нулю (), то изменение потенциальной энергии по координате должно точно так же изменить энергетическое положение дна зоны проводимости E _C, а соответственно и вершины валентной зоны E _V. На зонных диаграммах это выражается в изгибе энергетических зон.

Величина разности потенциалов между квазинейтральным объемом и произвольной точкой ОПЗ получила название электростатического потенциала

.                    (2.97)

Значение электростатического потенциала на поверхности полупроводника называется поверхностным потенциалом и обозначается символом y _s.

Знак поверхностного потенциала y _s соответствует знаку заряда на металлическом электроде, вызывающего изгиб энергетических зон.

При y _s > 0 зоны изогнуты вниз, при y _s < 0 зоны изогнуты вверх (рис. 2.52).

Рис. 2.52. Энергетические зоны на поверхности полупроводника n ‑типа:

а - в случае обеднения; б - в случае обогащения

Величины n _s и p _s – концентрации электронов и дырок на поверхности – носят названия поверхностных концентраций

Количественной характеристикой эффекта поля, характеризующей глубину проникновения поля в полупроводник, является дебаевская длина экранирования.

          (2.98)

Таким образом, по физическому смыслу дебаевская длина экранирования L _D соответствует среднему расстоянию, на которое проникает электрическое поле в полупроводник при малых уровнях возмущения.

Кроме рассмотренных явлений, электропроводность приповерхностного слоя полупроводника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемого к металлу и полупроводнику, разделенных диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверхностные состояния на границе полупроводника и диэлектрика отсутствуют, то электропроводности приповерхностного слоя и объема полупроводника будут одинаковыми.

При включении напряжения между металлом и полупроводником возникает электрическое поле и на поверхности металла и приповерхностном слое полупроводника, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды. Электропроводность приповерхностного слоя полупроводника меняется. Зависимость электропроводности приповерхностного слоя полупроводника от напряжения принято называть эффектом поля.

ФИЗИКА СТРУКТУРЫ