Поверхностная рекомбинация

Некоторые поверхностные состояния создают вблизи середины запрещенной зоны энергетические уровни, которые являются уровнями рекомбинационных ловушек. Рекомбинационными ло­вушками могут быть только быстрые поверхностные состоя­ния, так как время перехода носителей на медленные поверх­ностные состояния очень велико. Явление поверхностной ре­комбинации принято характеризовать скоростью поверхностной рекомбинации носителей заряда, которая определяется как от­ношение плотности потока носителей заряда у поверхности полупроводника к избыточной концентрации этих носителей у поверхности, т. е.

S_p = Ф_р / ∆p = j_p / q∆p . (3.46)

Таким образом, скорость поверхностной рекомбинации по­казывает, какое количество носителей заряда рекомбинирует за 1 с на поверхности полупроводника площадью 1 см². Раз­мерность скорости поверхностной рекомбинации та же, что и раз­мерность скорости движения, т. е. см/с – скорость.

Плотность поверхностных состояний вообще и поверхностных состояний, являющихся рекомбинационными ловушками, в част­ности, зависит от обработки поверхности полупроводника и от свойств внешней среды, с которой он соприкасается. Так как плотность поверхностных состояний обычно велика, то рекомби­нация носителей на поверхности идет значительно быстрее (интенсивнее), чем в объеме полупроводника. При малых раз­мерах кристалла полупроводника явление поверхностной реком­бинации будет существенно уменьшать эффективное время жизни носителей заряда, так как

1 / τ_эф = 1 / τ_V + 1 / τ_S ,

где τ_эф – эффективное время жизни; τ_V – время жизни в объе­ме полупроводника; τ_S – время жизни на поверхности полу­проводника.

Кроме того, плотность поверхностных состояний может из­меняться со временем из-за испарения или конденсации влаги на поверхности кристалла, из-за возможных миграций адсорби­рованных примесей на поверхности и т. п. Эти процессы, при­водя к изменению эффективного времени жизни носителей за­ряда, могут являться причиной нестабильности параметров и характеристик полупроводниковых приборов.

Таким образом, при изготовлении полупроводниковых при­боров необходимо, во-первых, выбирать метод обработки по­верхности кристаллов полупроводника, при котором скорость поверхностной рекомбинации минимальная, и, во-вторых, нахо­дить способ длительного сохранения достигнутых значений ско­рости поверхностной рекомбинации. Последнюю задачу обычно решают посредством нанесения на поверхность кристалла спе­циальных покрытий и герметизации прибора в корпус.

3.10.2. Концентрация носителей и область пространственного заряда на поверхности

В зависимости от природы среды, находящейся в контакте с по­верхностью полупроводника, можно рассмотреть несколько по­верхностей раздела: поверхность раздела газ (или вакуум) – полу­проводник, контакт металл – полупроводник, поверхность раздела изолятор–полупроводник или систему металл–изолятор–полупроводник (МОП).

В последующем обсуждении делаем следующие предположения:

1. Полупроводник находится при комнатной температуре, так что все донорные и акцепторные примеси ионизированы.

2. Полупроводник невырожден; это означает, что края энергети­ческих зон отстоят не менее чем на 2kТ от уровня Ферми, и может быть использована статистика Максвелла – Больцмана.

3. Концентрации доноров и акцепторов в полупроводнике одно­родны и постоянны.

4. В области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника отсутствует заряд, захваченный ловушками, за исключением заряда ионизированных доноров или акцепторов.

5. Кристалл является полубесконечным и однородным и нахо­дится в тепловом равновесии. Поверхность изображается пло­скостью x = 0, а кристаллу соответствуют положительные значения x. Поверхностные условия одинаковы в плоскостях, перпендикуляр­ных направлению x.