4.4.3. Влияние поверхностного потенциала на поверхностную проводимость

Изменение концентрации носителей заряда в приповерхностной области полупроводника должно приводить к повышению или понижению электропроводности этой области.

Значение избыточной проводимости _sв зависимости от величины поверхностного потенциала в общем виде можно рассчитать по формуле

_s=en_s(_s)_ns+ep_s(_s)_ps, Сим/м, (4.40)

гдеn_s(_s) иp_s(_s) - избыточные концентрации электронов и дырок в поверхностном слое, являющиеся функцией поверхностного потенциала_s;_nsи_ps- подвижности электронов и дырок в приповерхностном слое;е- заряд электрона.

Предполагается, что подвижность носителей в приповерхностном слое меньше, чем в объеме, вследствие добавочного рассеяния носителей на поверхности.

Ход теоретической зависимости _s=f(_s) показан на рис. 4.24. Из рис. 4.24 следует, что как для электронного (кривая1), так и для дырочного (кривая2) полупроводников при значении поверхностного потенциала_s=0 изгиб границ зон равен нулю и концентрация носителей в приповерхностном слое равна концентрации в объеме. Поэтому поверхностная проводимость практически не отличается от объемной, то есть_s=0.

Рассмотрим сначала ход кривой 1на рис. 4.24 для электронного полупроводника. Для значений_s>0 поверхность полупроводникаn-типа заряжается положительно. Происходит обогащение поверхностного слоя электронами, которое тем больше, чем сильнее изгиб границ зон_s. Поэтому с увеличением изгиба границ зон поверхностная проводимость увеличивается.

При значениях _s<0 поверхность электронного полупроводника заряжается отрицательно. Происходит обеднение поверхностного слоя электронами. Проводимость поверхностного слоя уменьшается. Она достигает минимального значения при значении_s=-_sF. При этом значении уровень электростатического потенциала_Е пересекает значение уровня Ферми_Fn(см. рис. 4.23,а). Концентрация электронов в поверхностном слое становится минимальной и равной концентрации их в собственном полупроводнике (n_s=p_s=n_i). При дальнейшем увеличении отрицательного потенциала_sнаблюдается инверсия, при которой концентрация дырок в поверхностном слое становится выше собственной (p_s=p_i). Поэтому тип проводимости приповерхностного слоя меняется с электронного на дырочный, а сама проводимость растет с увеличением абсолютного значения_s. Заметим, что минимум кривой поверхностной проводимости смещается влево с увеличением степени легирования полупроводника.

График функции _s=f(_s) для дырочного полупроводника (кривая2рис. 4.24) является зеркальным отражением кривой1для электронного полупроводника. При значениях_s<0 поверхность полупроводника заряжается отрицательно и притягивает дырки, являющиеся основными носителями заряда. Происходит обогащение поверхностного слоя дырками. Это обогащение тем больше, чем сильнее изгиб границ зон_s. Поэтому с увеличением изгиба границ зон поверхностная проводимость увеличивается.

Наоборот, при положительных значениях поверхностного потенциала _s>0 поверхность полупроводникаp-типа заряжается положительно. В результате происходит отталкивание основных носителей вглубь полупроводника, что приводит к образованию обедненного носителями слоя и уменьшению поверхностной проводимости_s. При значениях_s>_smобразуется инверсионный слой. Вследствие этого увеличивается концентрация электронов в приповерхностной области и, как следствие, возрастает избыточная поверхностная проводимость.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Какими методами получают p-n переходы ?

2. Нарисуйте энергетическую зонную диаграмму p-n перехода. Рассчитайте величину потенциального барьера _к между n и p областями полупроводника.

3. Напишите выражения для диффузионного и дрейфового токов в р-n переходах.

4. Чем отличается уровень инжекции от коэффициента инжекции в p-n переходе?

5. Напишите выражение для ширины запирающего слоя р-n перехода.

6. Нарисуйте зонные диаграммы р-n перехода при приложении прямого и обратного смещения к р-n переходу.

7. Напишите уравнение и нарисуйте график ВАХ p-n перехода?

8. Выведите выражеие для дифференциального сопротивления p-n перехода.

9. Перечислите отличия реального p-n перехода от идеального.

10. В чем заключается отличие барьерной емкости p-n перехода от диффузионной емкости ?

11. Объясните механизмы пробоя p-n перехода.

12. Нарисуйте и объясните зонную диаграмму гетероперехода. В чем заключается основное премущество гетероперехода перед гомопереходом ?

13. Где применяются гетеропереходы ?

14. Как создать выпрямляющий контакт металл-полупроводник ? Дайте определение барьера Шоттки.

15. Напишите выражение для ВАХ диода Шоттки.

16. Какие требования предъявляются к невыпрямлящему контакту металл-полупроводник ?

17. Что такое дебаевская длина зкранирования ?

18. В чем заключается отличия зонных диаграмм обедненного и инверсионного приповерхностных слоев ?

19. Каким образом влияет поверхностный потенциал на поверхностную проводимость полупроводника?

P-n переход

- дифференциальное сопротивление 163

- емкость 167

- зонная диаграмма 151

- инжекция 158

- обратное смещение 160, 168, 181, 192

- пробой 169

- прямое смещение 157

- уравнение ВАХ 161

- физическая структура 150

- ширина обедненного слоя 154

Барьер Шоттки 180

Гетеропереходы

- зонная диаграмма 174

- применение 177

Длина

- экранирования (дебаевская) 185, 187, 188

Закон

- равновесия масс 165

Контакты

- выпрямляющие 179

- гетеропереходы 172, 179

- невыпрямляющие 181

- полупроводник-металл 179

Лазерный диод 178

Носители заряда

- неосновные 190

- основные 192

Поверхностная проводимость 190

Полевые транзисторы

- с изолированным затвором 190

Слой

- инверсионный 189

- обедненный 188

- обогащенный 187

Ток

- дрейфовый 156

Уравнения

- Пуассона 184

Эпитаксия

- газовая 173

- жидкостная 173

1

Диффузия – процесс распространения частиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией