- •Предисловие
- •Условные обозначения
- •Список сокращений
- •Введение
- •Концептуальная диаграмма
- •Контрольныевопросыизадания
- •Глава 1структура и свойства твердых тел
- •Равновесное расположение частиц в кристалле
- •Идеальные кристаллы. Решетки Бравэ
- •Решетки Бравэ
- •Нормальные колебания решетки. Фононы
- •Структура реальных кристаллов
- •Структурозависимые свойства
- •Жидкие кристаллы
- •1.7. Аморфное состояние
- •Контрольныевопросыизадания
- •Глава 2физические основы квантовой механики
- •2.1. Волновые свойства микрочастиц
- •2.2. Уравнение Шредингера. Волновая функция
- •2.3. Свободный электрон. Фазовая и групповая скорости
- •2.4. Электрон в потенциальной яме
- •2.5. Туннелирование микрочастиц сквозь потенциальный барьер
- •Коэффициент прозрачности барьера
- •2.6. Квантовый гармонический осциллятор
- •2.7. Водородоподобный атом. Постулат Паули
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 3элементы статистической физики
- •3.1. Термодинамическое и статистическое описание коллектива. Функция распределения
- •3.2. Фермионы и бозоны. Вырожденные и невырожденные коллективы
- •Возможные варианты состояний
- •3.3. Функция распределения Максвелла-Больцмана Химический потенциал
- •3.4. Функция распределения Ферми-Дирака. Энергия Ферми
- •3.5. Функция распределения Бозе-Эйнштейна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 4элементы зонной теории твердых тел
- •4.1. Обобществление электронов в кристалле
- •4.2. Модель Кронига-Пенни
- •4.3. Зоны Бриллюэна
- •4.4. Эффективная масса электрона
- •4.5. Зонная структура изоляторов, полупроводников и проводников. Дырки
- •4.6. Примесные уровни
- •Донорные примеси
- •Акцепторные примеси
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 5электропроводность твердых тел
- •5.1. Проводимость и подвижность носителей
- •5.2. Механизмы рассеяния и подвижность носителей
- •5.3. Концентрация носителей и уровень Ферми в полупроводниках
- •5.4. Электропроводность полупроводников
- •5.5. Электропроводность металлов и сплавов
- •5.6. Сверхпроводимость
- •Температура сверхпроводящего перехода
- •5.7. Основы теории Бардина – Купера – Шриффера
- •5.8. Эффекты Джозефсона
- •Параметры слабосвязанных сверхпроводниковых структур, изготовленных методами интегральной технологии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 6 равновесные и неравновесные носители заряда
- •6.1. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей. Время жизни
- •6.2. Уравнения непрерывности
- •6.3. Фотоэлектрические явления в полупроводниках
- •3 − Экситонное поглощение; 4 − решеточное поглощение;
- •5 − Поглощение свободными носителями
- •2 − Полупроводниковая пленка; 3 − контактные площадки; 4 − защитное покрытие
- •6.4. Полупроводники в сильном электрическом поле
- •6.5. Токовые неустойчивости в сильных электрических полях
- •6.6. Эффект Ганна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 7 Контактные явления
- •7.1. Работа выхода электрона. Контакт металл – металл
- •7.2. Контакт металл – полупроводник
- •7.3. Электронно-дырочный переход
- •7.4. Выпрямляющее действие p-n-перехода. Пробой
- •7.5. Гетеропереходы
- •7.6. Эффект Зеебека
- •7.7. Эффект Пельтье
- •7.8. Фотоэффект в p-n – переходе. Фотодиоды
- •7.9. Излучательные процессы в p-n – переходе. Светодиоды
- •Инжекционные полупроводниковые лазеры
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 8поверхностные явления в полупроводниках
- •8.1. Поверхностные энергетические состояния
- •8.2. Зонная диаграмма и заряд в приповерхностном слое
- •8.3. Поверхностная проводимость
- •8.4. Эффект поля. Полевые транзисторы
- •8.5. Влияние состояния поверхности на работу полупроводниковых приборов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 9 Электронные процессы в тонких пленках и тонкопленочных структурах
- •9.1. Структура и свойства тонких пленок
- •Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках
- •9.2. Контакт металл-диэлектрик. M-д-m – структура
- •Глубина обогащенного слоя [20]
- •Глубина области обеднения
- •9.3. Туннелирование сквозь тонкую диэлектрическую пленку
- •9.4. Токи надбарьерной инжекции электронов
- •9.5. Токи, ограниченные пространственным зарядом
- •9.6. Прохождение горячих электронов сквозь тонкие металлические пленки
- •9.7. Активные устройства на основе тонкопленочных структур
- •1. Диоды с резонансным туннелированием
- •2. Диэлектрические диоды
- •3. Тонкопленочный триод на основе топз
- •4. Транзисторы на горячих электронах
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 10 перспективы развития микроэлектроники
- •10.1. Ограничения интегральной электроники
- •10.2. Функциональная электроника
- •10.3. Системы пониженной размерности. Наноэлектроника
- •10.4. Квантовые одно- и двумерные структуры
- •10.5. Квантовые точки. Одноэлектроника
- •3 А) б) игла островок изолятор затвор исток
- •Контрольные вопросы и задания
- •Заключение
- •Приложения п.1. Фундаментальные физические постоянные
- •П.2. Свойства полупроводников
- •П.3. Некоторые единицы системы си Основные единицы
- •Некоторые производные механические единицы
- •Некоторые производные единицы электрических величин
- •Некоторые производные единицы магнитных величин
- •П.4. Внесистемные единицы, допускаемые к применению
- •П.5. Плотность некоторых твердых тел
- •Библиографический список
- •Алфавитно-Предметный указатель
- •Оглавление
- •424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3
- •424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17
Глава 8поверхностные явления в полупроводниках
Электронные приборы, особенно устройства микроэлектроники, весьма чувствительны к состоянию поверхности кристалла. Поверхность кристалла является двумерным дефектом и способна искажать его приповерхностные свойства. Кроме того, взаимодействие поверхности полупроводника с кислородом, парами воды и другими компонентами окружающей среды приводят к образованию оксидов, гидратов, сульфатов и других соединений как в виде отдельных молекул, так и в виде тонких пленок. Такие поверхности содержат рекомбинационные центры, способные оказывать сильное влияние на параметры приборов. Успешная и надежная работа электронных приборов в значительной степени зависит от стабилизации поверхности и качества ее защиты от окружающей среды.
В данной главе кратко рассматриваются свойства поверхности полупроводников и процессы, протекающие на этой поверхности.
8.1. Поверхностные энергетические состояния
Выше мы уже отмечали, что поверхностные дефекты влияют на электрофизические свойства полупроводников, однако при рассмотрении энергетических зон полупроводников это влияние не учитывалось. В действительности (в силу различных причин) на поверхности кристалла возникают так называемые поверхностные энергетические состояния, которые изменяют энергетический спектр носителей заряда на поверхности и под ней.
Эти причины можно разделить на три группы. Нарушения периодичности потенциала решетки вследствие обрыва ее у поверхности приводят к появлению так называемых уровней Тамма. Наличие нескомпенсированных валентных связей у поверхности атомов вызывает появлениеуровней Шокли. Две первые группы поверхностных уровней существуют на идеальной, атомарно чистой поверхности. Третью группу поверхностных уровней представляют уровни, образованные в результате наличия адсорбированных атомов и прочих поверхностных дефектов кристалла.
Поверхностные уровни Таммаобусловлены тем, что потенциальный барьер поверхностного атома отличается от потенциального барьера глубинного атома. Решение уравнения Шредингера для поверхностных сильно- и слабосвязанных электронов приводит к выводу о существовании помимо обычных энергетических зон поверхностных энергетических состояний электронов. Концентрация таких уровней пропорциональна поверхностной концентрации атомов и может достигать 1019м-3. При такой высокой концентрации уровней Тамма возможно их расщепление в энергетическую зону. Важным является то, что поверхностная зона в полупроводниках находится в запрещенной зоне и может принимать носители из ближайшей объемной зоны.
Еще в 1932 г. И.Е. Тамм предсказал существование поверхностных уровней, которые впоследствии получили его имя. Позже уровни Тамма были экспериментально обнаружены на атомарно чистой поверхности германия. В обычных условиях, когда поверхность покрыта слоем тонкой оксидной или иной пленки, уровни Тамма исчезают, поскольку восстанавливается периодичность потенциала. В этом случае возникают новые поверхностные уровни уже на поверхности пленки.
Поверхностные уровни Шокли образуются в результате обрыва части химических связей поверхностных атомов. Нескомпенсированные валентные связи способны принимать и фиксировать носители заряда.
Анализ модели Шокли применительно к одномерной цепочке атомов показал, что в запрещенной зоне образуется два энергетических уровня, один из которых отличается от валентной зоны, другой – от зоны проводимости. Уровни Шокли, как и таммовские уровни, могут существовать только на идеальной поверхности.
Энергетические уровни третьей группы формируются на реальной, т.е. загрязненной или дефектной поверхности, причем адсорбированный атом или ион создает свое поверхностное энергетическое состояние, которое исчезает с удалением адсорбата. Причина формирования этих уровней аналогична уже рассмотренной для уровней Тамма. Это искажение крайней потенциальной ямы.
Энергетическое положение поверхностного уровня, образованного при адсорбции на поверхности стороннего атома или благодаря дефектам поверхности, зависит как от параметров решетки, так и от свойств адсорбата или дефекта. Эти состояния могут играть роль донорных или акцепторных уровней. Плотность таких уровней определяется концентрацией адсорбата или дефектов. Рассмотренные энергетические состояния находятся в контакте с объемом полупроводника, так что обмен носителем между поверхностным уровнем и объемной энергетической зоной осуществляется за время порядка 10-7с. Поэтому такие поверхностные состояния называютбыстрыми, или внутренними. Они имеют плотность порядка 1015 м-2, которая зависит от характера и степени обработки поверхности, и могут обладать большим сечением захвата как для электронов, так и для дырок, вследствие чего могут служить эффективными центрами поверхностной рекомбинации.
Зачастую поверхность полупроводника покрывается окисной или иной пленкой, толщина которой составляет десятки ангстрем. На внешней поверхности такой пленки адсорбируются примесные атомы, создающие медленные, или внешние, поверхностные состояния. Время перехода носителей из объемной зоны на такие состояния, несомненно, много больше и варьируется от микросекунд до минут. Это обусловлено тем, что вероятность перехода изолирующего поверхностного слоя низка и уменьшается с ростом его толщины.