8.5. Влияние состояния поверхности на работу полупроводниковых приборов
Состояние поверхности полупроводника существенно влияет не только на поверхностные процессы, но и на свойства контактов проводник-диэлектрик, полупроводник-полупроводник и др., что в свою очередь отражается на свойствах полупроводниковых приборов: p-n-переходов, МДП-структур, фото- и светодиодов и т.д.
Ослабление эффективности полевых транзисторовпроисходит в результате формирования поверхностного и приповерхностного заряда на границе полупроводник-диэлектрик. Этот заряд экранирует рабочий канал МДП-структуры. Увеличиваются емкость структуры и время ее переключения.
Аналогичные эффекты работают в ПЗС-приборах, которые содержат МДП (МОП) конденсаторы. В результате параметры ПЗС-приборов ухудшаются.
В светоизлучающих приборах (светодиодах, полупроводниковых лазерах) эффективность работы определяется отношением вероятности излучательной и безызлучательной рекомбинации. Если же поверхности кристалла имеются поверхностные состояния типа ловушек – центров рекомбинации, вероятность поверхностной рекомбинации возрастает. Поскольку поверхностная рекомбинация является безыизлучательной, КПД светоизлучающего прибора падает.
Кроме того, скорость рекомбинации носителей на поверхности кристалла определяет изменение спектральных характеристик фотодиодов, фоторезисторов, а также величину фотоЭДС, рост обратного тока p-n-перехода диодов, транзисторов и др. Как известно, обратный ток через переход зависит от времени жизни неравновесных носителей τn и τp
.
(8.31)
С уменьшением времени жизни неравновесных носителей обратный ток через p-n-переход часто значительно превосходит величину, определяющуюся выражением (8.31). Называют несколько причин, которые могут спровоцировать это явление.
1. На поверхности кристалла может возникнуть поверхностный ток вследствие появления электронной или ионной проводимости по окисной пленке либо по адсорбирующей пленке влаги. Тогда появится ток утечки и обратный ток резко возрастет.
2. Как уже отмечалось, высокая концентрация поверхностных состояний вызывает появление поверхностной зоны. В такой зоне возможно протекание дополнительного тока.
3. При большей плотности поверхностного заряда возможно образование в ОПЗ инверсного слоя, перпендикулярного металлургической границе p-n-перехода. Инверсный слой замыкаетp-n-переход и образует так называемыеканалы проводимости.И в этом случае наблюдается значительное увеличение обратного тока перехода.
Необходимо отметить, что увеличение обратного тока через p-n переход изменяет параметры не только диодов, но и других приборов, содержащих p-n-переходы: транзисторов, тиристоров и т.д.
4. Величина скорости поверхностной рекомбинации оказывает существенное негативное влияние на коэффициент усиления αи коэффициент передачи по токуβбиполярного транзистора. Рост скорости поверхностной рекомбинацииsприводит к уменьшению времени жизни носителейτв базовой области транзистора.
5. Величина обратного пробивного напряжения также зависит от состояния поверхности кристалла. Если при заряжении поверхностей кристалла, перпендикулярных металлургической границы, возникает обогащение ОПЗ, площадь p-n-перехода уменьшается. Если приложить к такому переходу разность потенциалов, напряженность электрического поля в суженной области перехода окажется выше, чем в объеме кристалла, и возникает вероятностьповерхностного пробояперехода. Переход носителей из объема на поверхностные состояния является одной из причин шумов полупроводниковых приборов на низких частотах.
В заключение необходимо отметить, что состояние поверхности полупроводника обычно оказывает существенное влияние на работу полупроводниковых приборов. Возникновение поверхностных состояний и поверхностного заряда зачастую негативно влияет на параметры последних.
В этой связи необходимы очень тщательная очисткаиобработкаповерхности полупроводниковых кристаллов в рамках технологического процесса изготовления полупроводниковых приборов.