3.10. Элементы физики поверхности полупроводника

3.10.1. Поверхностные уровни и поверхностная рекомбинация

Поверхность полупроводника представляет собой нарушение периодичности кристаллической решетки. Из-за этого возникают дополнительные энергетические уровни, расположенные в запре­щенной зоне энергетической диаграммы полупроводника. Эти уровни, теоретически предсказанные И. Е. Таммом, называют уровнями Тамма. Уровни Тамма являются акцепторными, так как у атомов полупроводника (например, 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 10¹⁵ см^–2.

Другим видом поверхностных уровней являются поверхностные состояния Шокли, которые обусловлены изменением постоянной решетки в приповерхностном слое, вызванным механической обработкой поверхности. Плотность этих состояний достигает до 10¹⁵см^–2 , пространственная локализация определяется толщиной деформированного слоя.

На реальной поверхности полупроводника поверхностные состояния возникают также вследствие адсорбции различных примесей (кислорода, воды и других атомов, ионов и молекул).Очевидно, что такая сложная структура поверхности реального полупроводника характеризуется дополнительными энергетическими уровнями в запрещенной зоне донорного, акцепторного типа или ловушек.

Локальные энергетические уровни, обусловленные нарушением периодичности кристалла у поверхности полупроводника или примесями на поверхности, называют поверхностными уровнями.

При комнатной температуре большинство примесей обычно ионизировано, т.е. на поверхностных уровнях находятся заряды. Для компенсации этих зарядов в соответствии с условием электрической нейтральности должен существовать объемный заряд в полупроводнике, что соответствует существованию электрического поля и изгибу энергетических зон вблизи поверхности полупроводника.

На рисунке 3.22, а-в показано образование трех возможных ва­риантов поверхностных слоев в полупроводниках n- и р-типа при наличии положительных или отрицательных поверхностных состо­яний.

При малой плотности отрицательных поверхностных со­стояний на полупроводнике n-типа образуется обедненный слой (рисунок 3.22, а), так как основные носители заряда – электроны – отталкиваются отрицательным поверхностным зарядом в глубь полупровод-ника. На их месте остается положительный заряд неподвижных ионов доноров.

Электростатическое поле поверхностных зарядов проникает в полупроводник на определенную глубину, кото­рая зависит от удельного сопротивления этого полупроводника.

Рисунок 3.22 - Искривление энергетических зон у поверхности полупроводника

и образование различных поверхностных слоев

При большой плотности отрицательных поверхностных со­стояний у поверхности полупроводника n-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 (слой неподвижных ионов).

Если на поверхности полупроводника n-типа преобладают положительные поверхностные состояния, то поверхность полу­проводника обогащается электронами — основными носителями заряда, т. е. образуется обогащенный 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 (10^–2 – 10) мкм. Обогащенный и инверсный слой на порядок тоньше, чем слои обеднения.

На поверхности полупроводника р-типа могут образовываться аналогичные поверх-ностные слои, но при других знаках поверхностных зарядов (рисунок 3.22).

На реальном полупроводнике всег­да имеется слой оксида. Поэтому по­верхностные состояния могут находить­ся не только непосредственно на полу­проводнике, но также в слое оксида и на его поверхности. При изменении внешнего электрического поля и при соответствующем изменении энергетической диаграммы вблизи поверхности полупроводника должно происходить заполнение или опустошение электронами по крайней мере некоторых поверхностных состояний. Поверхностные состояния, расположенные вблизи границы раздела полупроводник – оксид, заполняются или опустошаются отно­сительно быстро, так как в полупроводнике есть достаточное количество свободных электронов в зоне проводимости и дырок (вакантных энергетических состояний) в валентной зоне. Из-за малого времени релаксации таких поверхностных состояний (10^–8 – 10^–12 с) их называют быстрыми поверхностными состояниями (рисунок 3.23).

В слое оксида концентрация носителей заряда ничтожно мала. Поэтому с изменением внешнего электрического поля поверхностные состояния, расположенные в слое оксида или на 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.

Наличие медленных состояний вызывает временную флуктуацию (нестабильность) поверхностного потенциала и токов утечки p-n переходов в обратном смещении, а также избыточные низкочастотные шумы типа (фликкер-шум) полупроводниковых приборов.

Рисунок 3.23 - Быстрые 1 и медленные 2 поверхностные состояния на реальной поверхности полупроводника