3. Работа выхода. Потенциал поверхности. Поверхностная фотоэдс

3.1. Зависимость работы выхода от изгиба зон

Одной из важных характеристик поверхности является работа выхода электронов из полупроводника в вакуум, под которой обычно понимается термодинамическая работа выхода

, (3.1)

где Е₀ – энергия покоящегося электрона в вакууме, F – уровень Ферми.

Работа выхода непосредственно связана с потенциалом поверхности полупроводника и, следовательно, с изгибом зон на поверхности Y, т.е. зависит от состояния поверхности, как видно из рис. 3.1.

Рис. 3.1. Работа выхода и потенциал поверхности на энергетической диаграмме в приповерхностной области полупроводника без окисла и без адсорбированных газов.

На рис. 3.1 – электронное сродство или истинная работа выхода, которую можно считать не зависящей от состояния поверхности. Оно определяется физико-химической природой материала. Величина определяется уровнем легирования и также не зависит от состояния поверхности. Таким образом, на основе представленной зонной энергетической диаграммы можно записать следующие соотношения

, (3.2)

. (3.3)

От состояния поверхности зависит третье слагаемое в (3.2). Появление отрицательного заряда на ПС, очевидно, увеличивает изгиб зон вверх, что приводит к увеличению работы выхода. Наоборот, положительный заряд на ПС уменьшает работу выхода. Изменение потенциала поверхности приводит к изменению термодинамической работы выхода

. (3.4)

При постоянной величине поверхностного потенциала переход от n-типа к р-типу должен приводить к увеличению работы выхода, т.е. .

На реальной поверхности всех полупроводников обычно имеется слой собственного окисла, толщина которого в зависимости от условий травления и выдержки образца на воздухе может изменяться от 1 нм до 5 нм. На поверхности окисной пленки присутствует слой адсорбированных газов и паров. Это приводит к появлению дополнительных слагаемых в выражении для работы выхода. На такой поверхности нужно учитывать ПС не только на границе полупроводник/окисная пленка, но и на наружной поверхности окисной пленки. Это состояние поверхности иллюстрируется видом равновесной энергетической диаграммы, показанным на рис. 3.2. На этом рисунке и – сродство к электрону полупроводника на границе с окислом и окисной пленки на границе с вакуумом или газовой средой. и – поверхностные заряды на соответствующих границах. Индекс «f» (fast) означает быстрые ПС, индекс «s» (slow) означает медленные ПС. Разные времена перезарядки ПС связаны с тем, что состояния на поверхности окисла медленней приходят в состояние равновесия с полупроводником, чем состояния на внутренней границе. – падение потенциала в окисле, связанное с различием зарядов и и с наличием встроенного заряда , – падение потенциала в слое адсорбированных молекул, если они обладают дипольным моментом и преимущественно ориентированы одним полюсом к поверхности.

Рис. 3.2. Энергетическая диаграмма поверхности полупроводника с окисной пленкой и слоем адсорбированных газов.

Как следует из диаграммы,

. (3.5)

От состояния поверхности зависят три последних члена.

Обычно в экспериментах измеряют не абсолютные значения , а изменения работы выхода при каких либо воздействиях на поверхность (адсорбция, приложение поля, освещение и др.)

, (3.6)

или так называемую контактную разность потенциалов между исследуемой поверхностью и некоторой эталонной (обычно металлической) поверхностью

, (3.7)

где – работа выхода полупроводника, – работа выхода электрода сравнения.