§ 6.8. Вольт-амперні характеристики контакту

МЕТАЛУ Й НАПІВПРОВІДНИКА З ЕЛЕКТРОЛІТОМ

Проходження електричного струму через розчини електролітів супроводжується розрядкою іонів на електродах. Розряд іонів – це процес обміну електронами або дірками між іонами й електродами. Для розрядки іону потрібна енергія, що йому можна повідомити, приклавши до електродів зовнішню напруга. Мінімальний потенціал, достатній для розряду іона, називають нормальним потенціалом розкладання або виділення. На електродах протікає також процес виділення газів, що збільшує електродний потенціал. Крім того, частина енергії прикладеної напруги витрачається на подолання омічного опору розчину. Звідси слідує, що значення потенціалу, прикладеного до електрода, повинне бути істотно більше теоретичного потенціалу виділення. Різниця між фактичним електродним потенціалом і теоретичним називається потенціалом поляризації, просто поляризацією або перенапругою електрода.

Поляризація може бути викликана зміною стану поверхні електрода, зміною сполуки електроліту під час роботи, зміною температури.

Величина струму, що проходить по ланцюзі: зовнішнє джерело - металевий електрод - електроліт - металевий електрод - джерело, буде визначатися кількістю іонів, що розрядилися в поверхні електрода. При малих значеннях прикладеної напруги розряджається дуже мало іонів, опір подвійного шару великий і струм має мале значення. З ростом напруги росте швидкість розряду іонів, опір подвійного шару знижується, струм зростає. Зміна полярності прикладеної напруги міняє лише напрямок струму, тому характеристика контакту симетрична й нелінійна (рисунок 6.24).

Рисунок 6.24 - Вольт-амперна характеристика контакту метал - електроліт

Якщо електродами служать напівпровідникові матеріали, то потенційний бар'єр на границі з електролітом має складну форму й вольт-амперну характеристику має інший вид. Причиною цьому служить поверхневий заряд, що приводить до утворення в поверхні напівпровідника запірних й антизапірних шарів. При наявності антизапірних шарів характеристика контакту має такий же вид, як при контакті металу з електролітом. При утворенні запірного шару контакт має приблизно таку ж характеристику, як і перехід Шотткі (див. рисунок 6.13).

На практиці при проведенні електрохімічної обробки пластина напівпровідника служить анодом, а катодом є платиновий дріт. Як електроліт використовують водяні розчини лугів NaOH або КОН. Розглянемо спочатку процеси, що протікають на германиєвому електроді. При подачі на електроди зовнішньої напруги перехід іонів напівпровідника в розчин прискорюється. До катода з розчину будуть рухатися іони Ge⁺⁴, Na⁺ і Н⁺. Германій має великий потенціал поляризації, натрій - великий електродний потенціал, а водень має малими поляризаційний й електродний потенціали. На катоді розряджаються іони водню, утворюючи пухирці газу.

Іони германія реагують із водою й гідроксилом:

утворюючи діоксид германія.

Процес анодного розчинення германія можна представити як втрату валентних електронів або придбання дірок атомом германія, що перебуває на границі з розчином. Цей процес стає можливим при наявності на поверхні достатньої кількості дірок. Дірки, що беруть участь в анодному розчиненні, доставляються до поверхні внаслідок дифузії.

В германію з електропровідністю n-типу дірки є неосновними носіями заряду, і їхня концентрація невелика. Внаслідок цього при високій швидкості електрохімічної реакції буде відбуватися збіднення поверхневого шару дірками й при досягненні деякої густини струму може наступити такий момент, коли число дірок, споживаних при анодному процесі, буде дорівнює числу дірок, що доставляються на поверхню. Цій умові відповідає граничний струм насичення дірок і пов'язане з ним зростання потенціалу електрода. Густина струму насичення залежить від електрофізичних параметрів і кристалічної структури германія. В германію з електропровідністю р-типа дірки є основними носіями заряду, концентрація їх значна, електрохімічна реакція не гальмується через їхній недолік і струм насичення для германія р-типа не спостерігається.

Стрибкоподібне зростання потенціалу германієвого анода n-типу через недостачу дірок можна розглядати як виникнення потенційного бар'єру на границі германій - електроліт.

На поверхні германієвого електроду відбувається адсорбція й розрядка іонів гідроксильних груп:

Це призводить до появи на поверхні напівпровідника негативного поверхневого заряду, під дією якого енергетичні зони напівпровідника викривляються вгору. Внаслідок сильного скривлення зон на поверхні напівпровідника з електропровідністю п-типа може утворитися інверсійний шар.

Цей тонкий поверхневий шар р-типа на германії n-типу перешкоджає проходженню струму у зворотньому напрямку. Анодна поляризація такого електрода відповідає подачі зворотної напруги, що ще більше збільшує потенційний бар'єр. На германієвому електроді р-типа бар'єр не виникає, тому що при умовах анодної поляризації на поверхні напівпровідника р-типа утвориться збагачений шар.

Величина граничного струму процесу анодного розчинення германія n-типу визначається поверхневою концентрацією дірок, що залежить від утворення просторового заряду й від швидкості дифузії дірок із глибини напівпровідника до його поверхні. При проходженні анодного струму через електрод п-типа відбувається збіднення дірками поверхневого шару стосовно об'єму напівпровідника на відстані порядку дифузійної довжини. Ширина області просторового заряду d<1 мкм, що на кілька порядків менше дифузійної довжини дірок.

При більших напругах, що залежать від питомого опору електрода, відбувається пробій потенційного бар'єра. При пробою в результаті дії сильного електричного поля в зоні просторового заряду відбувається лавиноподібна генерація пар електрон - дірка. Концентрація дірок у поверхні різко зростає, і анодний струм перестає обмежуватися швидкістю дифузії дірок із глибини напівпровідника до його поверхні.

Анодне розчинення германія починається з окислювання його групами ОН^-. Потім відбувається розрив валентних зв'язків і перехід в електроліт комплексу Ge(OH)₂⁺². Цей комплекс, взаємодіючи з водою, утворить германієвую кислоту:

Після електрохімічного травлення поверхня германія виявляється окисленою. Зв'язок кисню на поверхні германія може бути різним: кисень адсорбує атомами германія або утворить із ними сполуки Ge, Ge2. Характер зв'язку визначається потенціалом травлення.

Процес анодного розчинення кремнію протікає аналогічно, але характеризується нискою особливостей, обумовлених великою шириною забороненої зони кремнію й присутністю на його поверхні плівки SiО₂, нерозчинної в більшості розчинів.

РОЗДІЛ 7

КОНТАКТИ НАПІВПРОВІДНИКА З ДІЕЛЕКТРИКОМ І НАПІВПРОВІДНИКОМ