Эмиссионная электроника. Учебное пособие

81

силам относится, в основном, сила дипольного слоя поверхностного зарядового конденсатора. К объемным электростатическим силам относят силы изображения, в которых учитывают и поверхностные составляющие заряда.

Силы изображения известны как кулоновская сила притяжения заряженной частицы любого знака поверхностью. Это происходит из-за подвижности электронной подсистемы. Электрон, приближаясь к поверхности, отталкивает свободные электроны металла и своими силовыми линиями соединяется с поверхностными положительными зарядами. Если зеркально отразить эти силовые линии в сторону объема, то металл можно условно заменить положительным электронным зарядом, находящимся в области металла от поверхности на таком же расстоянии r, как электрон. Между условным «зеркальным» зарядом и электроном кулоновская сила будет равна Fкул = e2 / (2r)2. Работа по преодолению сил зеркального изображения определяется интегралом от кулоновской силы с пределами от нуля до бесконечности. Такой интеграл вычисляется плохо из-за нижнего нулевого предела. Нижний предел проблематичен и по физической сути. Из эксперимента с инертными газами следует, что электростатическая составляющая мала. Она определяется по потенциалу взаимодействия Леннар- да-Джонса и находится в пределах 0.01 – 0.1 эВ. Электростатический потенциал двойного слоя, действующий на снижение или увеличение потенциального барьера, нами рассмотрен в разделе адсорбции. На зонной схеме действие двойного слоя обозначается величиной еχ (рис. 14.2), снижением или повышением нулевого уровня энергии в сравнении с нулевым уровнем в объеме. При этом нулевой уровень в объеме остается неизменным относительно уровня Ферми. Двойной слой изменяет работу выхода полупроводника аналогичным образом

(рис. 14.3).

Двойной электрический слой на поверхности бывает четырех видов: 1) для чистой поверхности монокристалла собственных атомов и электронного газа; 2) атомов дипольной адсорбции; 3) хемосорбированных атомов, адсорбированных в виде ионов; 4) химически адсорбированных дипольных молекул. Собственный двойной слой образуется из-за вытекания электронного газа за пределы решетки атомов на расстояние приблизительно постоянной решетки. На рыхлых гранях электронный газ вытекает больше, дипольный момент поверхности должен быть больше и тормозящая сила дипольного слоя должна быть выше, чем на плотной грани, где вытекание электронного газа меньше.

82

В то же время на рыхлых гранях плотность поверхностного заряда меньше и дипольный момент зарядового конденсатора меньше. Из эксперимента известно, что работа выхода рыхлых граней меньше, чем у плотных граней. Поэтому суммарно дипольный момент поверхностного зарядового конденсатора, образующегося из-за вытекания электронного газа, для рыхлых граней меньше, а для плотных граней больше. Действие этого дипольного слоя на схеме отражается на вы-

ɛF

+W

W=0

– E

Рис. 14.2. Зонная схема металла чистой поверхности (индекс 0) при электроотрицательной адсорбции ( – ) и при электроположительной адсорбции (+):еφ0, еφ+, еφ–, еφ–, еφ+ – величины работы выхода и ее изменений; Емет, Е0, Е+, Е– - нулевой энергетический уровень в металле, для чистой поверхности и при электроположительной и электроотрицательной адсорбции

соте потенциального барьера, учитывается в величине работы выхода. Двойные зарядовые слои от хемосорбции и дипольной адсорбции мо-

польном слое (рис. 7.1, б, г; 14.2).

Адсорбция дипольная и ионная на полупроводниках действует на зонную схему по-разному. При дипольной адсорбции адатомы свои электроны удерживают, электронное состояние полупроводника не изменяется и зонная схема остается не возмущенной. Действие дипольного слоя сказывается уменьшением потенциального барьера на величину еχср. Сродство к электрону (ширина зоны проводимости) полупроводника еχср.об изменяется. Сродство на поверхности при электроположительной адсорбции уменьшается и становится равным

еχср.пов = еχср.об – еχ.

83

Рис. 14.3. Зонная схема Cs,O – [p-GaAs(Ge)] с поверхностными донорными центрами EД, с изгибом зон ΔR, снижением потенциального барьера еχ и с отрицательным сродством поверхности еχср.пов

При хемосорбции (ионной адсорбции) электроны адатомов переходят в электронный газ полупроводника и изменяют концентрацию электронов у поверхности. Уровень Ферми должен изменить положение, но разный уровень Ферми в разных токах – это разность потенциалов. Перераспределением зарядов уровень Ферми выравнивается, а зоны у поверхности изгибаются относительно его неизменного значения по всему объему и поверхности, неизменного относительно нуля вакуума.

Рассмотрим адсорбцию цезия и кислорода на акцепторном арсениде галлия p-GaAs(Ge), изовалентно легированного германием. Таковы структура и состав фотоэмиттера инфракрасного диапазона. Цезий на поверхности образует фактически донорные уровни (поверхностные) с энергией в зоне проводимости. Уровень Ферми объема при такой адсорбции выходит на поверхности на донорный уровень. Дно зоны проводимости, будучи ниже донорного уровня, на поверхности оказывается ниже уровня Ферми. То есть поверхность становится металлом. Аналогично изгибу дна зоны проводимости относительно уровня Ферми изгибаются все энергетические уровни на вели-

84

чину R, в том числе и нулевой уровень. Ионная адсорбция цезия одновременно с донорностью и изгибом зон образует дипольный слой, а с кислородом – большой дипольный слой. Это как в металлах снижает на еχ потенциальный барьер. Изгиб зон и снижение потенциального барьера для этой системы оказываются в сумме больше потенциального барьера без адсорбции, то есть энергии сродства в объеме: R + еχ >еχср.об. Это значит, что на поверхности получилось отрицательное сродство, а именно по отношению к объему отсутствие барьера. Все электроны объема, пробег которых больше изгиба зон, беспрепятственно выходят из полупроводника. Такой эмиттер имеет коэффициент вторичной эмиссии σ = 106 в сравнении с максимальным

σ = 15, а чувствительность в качестве фотокатода до 0.5 эл/кв.

При перемещении вглубь полупроводник сначала из металлического становится донорным, затем собственным, а затем выходит в объемное акцепторное состояние. По критериям современной теории тонких пленок такая структура являет собой пленочную систему с треугольной квантовой ямой.

Библиографический список

1.Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1982. – 608 с.

2.Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. – М.:

Энергия, 1979. – 448 с.

3.Добрецов Л.И., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. –

М.: Наука, 1966. – 564 с.

4.Шуппе Г.Н. Вопросы электронных и ионных эмиссий (виды эмссий) : учеб. пособие / под ред. Н.П. Овсянникова. – Рязань : РГРТА,

2006. – 84 с.

5.Эмиссионная электроника: методические указания к лабораторным работам. – Рязань: РГРТА, 2007. – № 3964. – 20 с.

6.Мартинсон Л. К., Смирнов Е. В. Квантовая физика. – М.: Изд. МГТУ им. Баумана, 2006. – 527 с.

7.Шуппе Г.Н. Физические основы электронной техники: учеб. пособие. – Рязань: РРТИ, 1982. – 140 с.

8.Шуппе Г.Н. Вопросы электронных и ионных эмиссий: учеб. пособие. – Рязань: РРТИ, 1986. – 84 с.

9.Шимони К. Физическая электроника. – М.: Энергия, 1977. –

607 с.

10.Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. – М.:

Сов. радио. 1971. – 376 с.