12.5.2. Диагностика поверхностных состояний.

Электрические и оптические свойства полупроводников могут существенно зависеть от состояния поверхности и изменяться при различной ее обработке (шлифовке, травлении), изменении окружающей среды. Общая причина этих явлений состоит в том, что в ограниченном кристалле возникают не только квантовые состояния электронов, движущихся в объеме кристалла, но еще и дополнительные состояния, в которых электроны лока-лизованы на самой поверхности кристалла. Соответственно, помимо объем-ных уровней энергии, образующих энергетические зоны безграничного кристалла, появляются локальные уровни энергии, расположенные у самой поверхности .

Наличие локальных поверхностных уровней энергии приводит к образованию поверхностного электрического заряда. При этом под поверх-ностью появляется равный по величине и противоположный по знаку инду-цированный заряд в объеме, т. е. появляются обогащенные или обедненные приповерхностные слои. Возникновением таких слоев объясняется влияние поверхности на равновесные свойства полупроводников, например, электро-проводность, работу выхода электронов, контактную разность потенциалов.

Одна из причин возникновения поверхностных состояний заключа-ется в обрыве периодического потенциала кристалла на поверхности .

Поверхностные уровни энергии могут существенно изменять и ки-нетику электронных процессов, так как они создают дополнительные центры рекомбинации и генерации носителей заряда, при этом изменяется величина поверхностного потенциала. Этот потенциал можно изменять не только из-меняя окружающую среду, но и создавая у поверхности полупроводника поперечное электрическое поле. Поэтому все явления, связанные с неравно-весными электронами и дырками, такие как фотопроводимость, фото-ЭДС, процессы инжекции, также зависят от состояния поверхности.

Влияние внешнего электрического поля на электропроводность полупроводника получило название эффекта поля.

С уществует большое число разнообразных экспериментальных приемов изучения эффекта поля как в стационарном, так и в нестационарном режимах. На рис. 12.5.3 приведена схема установки для наблюдения стационарного эффекта.

Пластинка полупроводника П служит одной из обкладок конден-сатора, второй обкладкой которого является металлическая пластинка М, отделенная от полупроводника тонким слоем изолятора И. К конденсатору прикладывается постоянное напряжение, величину и знак которого можно изменять. Концы пластинки полупроводника имеют низкоомные контакты, с помощью которых она включается в мостовую схему для точного измерения малых изменений проводимости.

Еще удобнее исследовать эффект поля, прикладывая к пластинам конденсатора переменное напряжение низкой частоты (десятки или сотни герц). Подавая на одну из пар пластин осциллографа сигнал, пропорциональ-ный приложенному напряжению U, а на другую пару пластин – сигнал, пропорциональный поверхностной проводимости ΔG, можно получить на экране всю кривую зависимости ΔG от U.

Это позволяет легко определить поверхностный потенциал по формуле

,

где Δ_s определяется из зависимости ( G - G_min ) (рис. 12.5.3,б).

Исследование эффекта поля позволяет получить ценную инфор-мацию о поверхностных состояниях. Во многих случаях можно считать, что в эффекте поля ионный заряд не изменяется. Это справедливо, если доноры и акцепторы в объеме полупроводника полностью ионизованы. Адсорбиро-ванные же ионы обмениваются электронами с полупроводником очень медленно (часто за многие секунды и минуты), и за время измерения их заряд остается постоянным.

Суммарный индуцированный заряд (отнесенный к единице площади) равен δQ = CU, где С – емкость конденсатора на единицу площади. Эту величину можно получить простым измерением.

Таким образом, возможно определить δQ, а также найти долю носителей заряда, которые находятся в свободном и связанном состояниях.

Результаты измерения эффекта поля иногда выражают с помощью эффективной подвижности. Она равна μ_эф = δG/δQ, где δG – изменение проводимости в процессе приложения поля.

Исследуя зависимости Q_s от U_s можно определить энергетическое положение поверхностных уровней и их концентрацию.

Реальные поверхности полупроводников, находящиеся в атмосфере, обычно бывают покрыты аморфным и пористым слоем окисла толщиной 2 ÷ 7 нм. Концентрация поверхностных состояний на них может быть порядка 10¹¹ ÷ 10¹² см ^-2, что значительно меньше, чем концентрация на атомарно-чистых поверхностях.

Неоднородность поверхности и непериодическое распределение потенциала вдоль поверхности приводят к тому, что полной аналогии между поверхностными и объемными зонами нет. Состояния в поверхностных зонах вблизи неоднородной поверхности или границы раздела могут оказаться локализованными в разных плоскостях и осях. В результате электропроводность по поверхностным зонам может и не проявляться.

Очевидно, что сказанное справедливо и для дырок, с той лишь разни-цей, что для них потенциальная яма возникает при изгибе зон в противо-положном направлении.

Итак, поверхностные состояния приводят к следующим эффектам: изменяется термоэлектронная работа выхода электронов; поверхностный изгиб зон изменяет ход процесса при внешнем фотоэлектрическом эффекте; поверхностные уровни проявляются в электрических свойствах контактов металл—полупроводник.