Тема 7 Поверхностные явления

§ 7.1 Эффект поля. Структура металл – диэлектрик – полупроводник (мдп-структура)

Эффектом поля называют изменение концентрации носителей (а, значит, и проводимости) в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля. Слой с повышенной (по сравнению с объемом) концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией — обедненным.

Пусть между металлической пластинкой и полупроводником, разделенными диэлектриком (например, воздухом) задано напряжение U (рисунок 7.1). Ясно, что в системе МДП (металл – диэлектрик – полупроводник) протекание тока невозможно. Поэтому такая система равновесна и представляет собой своеобразный конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводниковая. На этой обкладке будет наведен такой же заряд, как и на металлической. Однако в отличие от металла заряд в полупроводнике не сосредоточивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние в глубь кристалла.

Рисунок 7.1 – Эффект поля в структуре металл – диэлектрик – полупроводник

Электрическое поле, созданное напряжением U, распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике Е_Д постоянное (так как в диэлектрике нет объемных зарядов), а поле в полупроводнике заведомо непостоянное, так как заряд спадает от поверхности в глубь полупроводника.

Знак заряда в полупроводнике зависит от полярности приложенного напряжения. При отрицательной полярности (рисунок 7.1) наведенный заряд положительный. В дырочном полупроводнике положительный заряд обусловлен дырками, которые притянулись к поверхности, а в электронном полупроводнике — ионами доноров, от которых оттолкнулись электроны, компенсировавшие их заряд. Значит, в первом случае происходит обогащение, а во втором — обеднение приповерхностного слоя основными носителями. При положительной полярности напряжения, наоборот, в

электронном полупроводнике происходит обогащение приповерхностного слоя электронами, а в дырочном — обеднение дырками и «обнажение» отрицательных акцепторных ионов.

Протяженность подвижных зарядов в обогащенном слое называют длиной Дебая или дебаевской длиной, а протяженность неподвижных ионных зарядов — глубиной обедненного слоя. Обе эти величины рассматриваются ниже. Обогащенные и обедненные слои оказываются тем тоньше, чем больше концентрация примеси, а значит, и концентрация основных носителей. Иначе говоря, тонкие слои свойственны низкоомным полупроводникам, а толстые — высокоомным.

Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля благодаря наличию зарядов между объемом и поверхностью. Разность потенциалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом и обозначают через cp_S.

Следует заметить, что в отсутствие внешнего напряжения поверхностный потенциал не падает до нуля, а имеет конечную равновесную величину ф_S0. Она обусловлена наличием поверхностных состояний, которые способны захватывать или отдавать электроны на сравнительно длительное время. Еще одним фактором, влияющим на величину (p_S0 является контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником. Внешнее напряжение, необходимое для того, чтобы скомпенсировать равновесный поверхностный потенциал, называется напряжением спрямления зон и обозначается через U_F (от Flat Band — плоские зоны).

Как уже отмечалось, электрическое поле распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике возрастает при уменьшении расстояния d Расстояние d не может быть произвольно малым: при условии d < 10 нм диэлектрик становится проницаемым для подвижных носителей благодаря туннельному эффекту. При этом структура МДП перестает быть аналогом конденсатора: обмен носителями через диэлектрик вызывает протекание тока, а значит, нарушает равновесное состояние.

Распределение потенциала в области объемного заряда можно оценить с помощью одномерного уравнения Пуассона

d

<Р

dx

2

0s

(7.1)

52

где X - плотность заряда; s₀ - электрическая постоянная; е -относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

Для данного случая уравнение Пуассона является нелинейным дифференциальным уравнением, которое в общем случае не имеет аналитического решения. Однако для частных случаев для собственного и примесного полупроводника решения существуют.