Пасынков.Полупроводниковые приборы (В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин - Полупроводниковые приборы), страница 8

Уровни Тамма являются акцепторными, так как у атомов полупроводника (иапример, кремния), находящихся у поверхности кристалла, оказывается всего по три соседних атома вместо четырех и, следовательно, отсутствует одна электронная связь. Плотность поверхностных уровней Тамма или поверхностных состояний должна быть того же порядка, что и число атомов на единице поверхности кристалла, т. е. около 10'в см — 2, На реальной поверхности полупроводника поверхностные состояния возникают также вследствие адсорбции различных 35 полупроводника (рис.

1.20). Коэффициент диффузии электронов обычно значительно больше коэффициента диффузии дырок. Поэтому при диффузии элекуроны опережают дырки, происходит некоторое разделение зарядов — поверхность полупроводника приобретает положительный заряд, а объем заряжается отрицательно.

Таким образом, в полупроводнике при его освещении возникает электрическое поле или ЭДС, которую иногда называют ЭДС Дембера. Возникшее электрическое поле будет тормозить электроны и ускорять дырки при их движении от поверхности полупроводника, в результате чего через некоторое время после начала освещения установится динамическое равновесие.

Напряженность электрического поля, возникающую в полупроводнике при его освещении, можно найти, используя уравнения (1.30) — (1.32), с учетом того, что в установившемся — + — + — + состоянии динамического равновесия тока через полупроводник нет, Тогда О = дп!слЕ+ д0ийтас(п + црррЕ— гп — е0рйтас)р.

Если же считать, что етая и = = угад р, то Е= — " ' йтадр, (1.35) ли + Рир т. е. напряженность электрического поля пропорциональна возникающему при освещении полупроводника градиенту концентрации носителей заряда. примесей (кислорода, воды и других атомов, ионов и молекул). Очевидно, что такая сложная структура поверхности реального полупроводника характеризуется дополнительными энергетическими уровнями в запрещенной зоне доиорного, акцепторного типа или типа ловушек. Локальные энергетические уровни, обусловленные нарушением периодичности кристалла у поверхности полупроводника или примесями на поверхности, называют поверхностными уровнями.

Прн комнатной температуре большинство примесей обычно ионизнроваио, т. е. на поверхностных уровнях находятся заряды. Для компенсации этих зарядов в соответствии с условием обебиенныи слой обериносмыб иириб Эе Эф эв Э. ь ббебнгниыи слои Инберсиыйсной в7 == Э Э ~' й) Инберсный сноб обогащенный сноп" Эф б) ойогощенньгй сноб Рнс. Ьзп Искажение знергетических зон у поверхности полупроводника н образование различных поверхностных слоев электрической нейтральности должен существовать объемный заряд в полупроводнике, что соответствует существованию электрического поля и изгибу энергетических зон вблизи поверхности полупроводника. зб На рис. 1.21, а — в показано образование трех возможных вариантов поверхностных слоев в полупроводниках и- и р-типа прн наличии положительных или отрицательных поверхностных состояний.

Прн малой плотности отрицательных поверхностных состояний на полупроводнике и-типа образуется обедненный слой (рис. 1.21, а), так как основные носители заряда — электроны— отталкиваются отрицательным поверхностным зарядом в глубь полупроводника; Электростатическое поле поверхностных зарядов проникает в полупроводник на определенную глубину, которая зависит от удельного сопротивления этого полупроводника. При большой плотности отрицательных поверхностных состояний у поверхности полупроводника и-типа образуется слой с противоположным типом электропроводности — инверсный слой.

Граница инверсного слоя в глубине полупроводника расположена там, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны. Под инверсным слоем в полупроводнике находится обедненный слой. Если на поверхности полупроводника и-типа преобладают положительные поверхностные состояния, то поверхность полупроводника обогащается электронами — основными носителями заряда, т. е. образуется обогащенносй слой. Граница обогащенного слоя в глубине полупроводника находится там, где начинается изгиб энергетических уровней, т. е. определяется глубиной проникновения электростатического поля поверхностных зарядов.

Таким образом, толщина области объемного заряда зависит от плотности поверхностных состояний, от удельного сопротивления полупроводника или от концентрации примеси и составляет обычно !О ' — 10 мкм. На поверхности полупроводника р-типа могут образовываться аналогичные поверхностные слои, но прн г других знаках поверхностных зарядов ( рис. ! .21) . На реальном полупроводнике всегда имеется слой оксида. Поэтому поверхностные состояния могут находиться не только непосредственно на полупроводнике, но также в слое оксида н на его поверхности. Прн изменении внешнего электрического поля и прн соответствующем изменении энергети- ""' ! зк ьысгрые | " иод ческон диаграммы вблизи поверхности тоянин нв рсаллнор поверх.

полупроводника должно происходить ности полупроводника заполнение или опустошение электронами по крайней мере некоторых поверхностных состояний, Поверхностные состояния, расположенные вблизи границы раздела 37 полупроводник — оксид, заполняются или опустошаются относительно быстро, так как в полупроводнике есть достаточное количество свободных электронов в зоне проводимости и дырок (пустых энергетических уровней) в валеитиой зоне. Из-за малого времени релаксации таких поверхностных состояний (1О 8— 10 ' с) их называют быстрыми поверхностными состояниями (рис. 1.22). В слое оксида концентрация носителей заряда ничтожно мала. Поэтому с изменением внешнего электрического поля ловерхностиые состояния, расположенные в слое оксида или иа его поверхности, перезаряжаются медленно (время их релаксации велико).

Такие поверхностные состояния называют медленными поверхностными состояниями. Время релаксации медленных поверхностных состояний составляет обычно от миллисекунд до нескольких часов. 5 1лд повврхностндя РБКОМБИНМ4ИЯ Некоторые поверхностные состояния создают вблизи середины запрещенной зоны энергетические уровни, которые являются уровнями рекомбииациоиных ловушек. Рекомбииацнониыми ловушками могут быть только быстрые поверхностные состояния, так как время перехода носителей на медленные поверхностные состояния очень велико. Явление поверхностной рекомбинации принято характеризовать скоростью поверхностной рекомбинации носителей заряда, которая определяется как отношение плотности потока носителей заряда у поверхности полупроводника к избыточной концентрации этих носителей у поверхности, т.

е. (1.36) Зр дар Таким образом, скорость поверхностной рекомбинации показывает, какое количество носителей заряда рекомбинирует за 1 с на поверхности полупроводника площадью 1 см'. Размерность скорости поверхностной рекомбинации та же, что и размерность скорости движения, т. е. см/с — скорость. Плотность поверхностных состояний вообще и поверхностных состояний, являющихся рекомбииациоииыми ловушками, в частности, зависит от обработки поверхности полупроводника и от свойств внешней среды, с которой он соприкасается. Так как плотность поверхностных состояний обычно велика, то рекомбинация носителей на поверхности идет значительно быстрее (интенсивнее), чем в объеме полупроводника.

Прн малых размерах кристалла полупроводника явление поверхностной рекомбинации будет существенно уменьшать эффективное время жизни носителей заряда, так как 1/т»ь =- !/тг + 1/т„ 38 $1.15. проводимость кАндлА ЛОББРХИОстнОЛ элвктРОЛРОводнОсти При наличии на поверхности полупроводника инверсного слон по нему вдоль поверхности могут проходить токи, т. е. могут существовать каналы поверхностной электролроводности.

При оцеике проводимости канала поверхностной элекгролроводности необходимо учитывать, что концентрация носителей заряда является величиной переменной по глубине канала и подвижность носителей заряда в канале может значительно отличаться от подвижности тех же носителей в объеме полупроводника из-за дополинтельного рассеяния носителей на поверхности кристалла. Проводимость тонкого слоя (толщиной дз) канала, например, с электропроводностью р-типа ь дп = чрррдз —, ! где Ь вЂ” ширина канала; 1 — длина канала.

Проводимость канала толщиной йГ ь и = д — 1р1г»дг, ь его сопротивление 1 Я= — = о 1 Р ЦГЬРшее ь Вместо сопротивления при оценке токов в канале пользуются другим параметром — удельным сопротивлением слоя (о,), где т,ь — эффективное время жизни; тг — время жизни в объеме полупроводника; т, — время жизни иа поверхности полупроводника.

Кроме того, плотность поверхностных состояний может изменяться со временем нз-за испарения или конденсации влаги иа поверхности кристалла, нз-за возможных миграций адсорбированных примесей на поверхности и т. п. Этн процессы, приводя к изменению эффективного времени жизни носителей заряда, могут являться причиной нестабильности параметров и характеристик полупроводниковых приборов. Таким образом, лрн изготовлении полупроводниковых приборов необходимо, во-первых, выбирать метод обработки поверхности кристаллов полупроводника, при котором скорость поверхностной рекомбинации минимальная, и, во-вторых, находить способ длительного сохранения достигнутых значений скорости поверхностной рекомбинации.

Последнюю задачу обычно решают посредством нанесения иа поверхность кристалла специальных покрытий н герметизации прибора в корпус. аналогичным удельному поверхностному сопротивлению диэлектриков, т. е. удельным сопротивлением слоя называют сопротивление квадрата этого слоя току, проходяшему между двумя противоположными сторонами квадрата. Тогда, используя удельное сопротивление слоя, запишем й=е* —, ь где о,, = — удельное сопротивление слоя или канала 1 4') ЮЗД о поверхностной электропроводиости, Ом.

Контрольные вопросы 1. Что такое разреженные н запрещенные энергетические зоиыу 2. Что такое щирииа запрещенной зоны? 3. Каковы правила наиболее целесообратногп построении энергетических диаграмм? 4. Чем определиетси наклон (угловой коэффициент) энергетических урояией н зон на энергетической диаграмме полупроводника' 5. Что такое уровень Ферми? 6.