Гладков / Выдать 14 февраля 3013 / 1. Поверхность / 3.4. Поверхностные состояния и уровни / Поверхностные состояния в полупроводниках РЭ с 392

Поверхностные состояния в полупро­воднике, РЭ, с.392

• Обрыв межатомных связей крис­таллической решетки полупроводника на его поверхности нарушает периодический характер потенциальной энергии электро­на в кристалле Вследствие этого на по­верхности кристалла возникают локализо­ванные поверхностные состояния, энергети­ческие уровни которых расположены в за­пре­щенной зоне. Эти уровни теоретически были предсказаны Таммом и носят название уровней Тамма. Таммовские состояния воз­никают на идеальной атомарно-чистой по­верхности.

• Для реальных кристаллов микрострук­тура их поверхности, даже находящейся в атомно-чистом состоянии (то есть не содержа­щей чужеродных атомов и ионов), весьма далека от идеальной (поверхностные вакан­сии, выходы дислокаций и углов блочности, трещины и т. д).

• В обычных условиях кон­такта с окружающей средой атомарно чи­стые поверхности не существуют, так как газы и другие примеси адсорбируются на не­насыщенных атомных связях на поверхнос­ти, образуя окисный слой и слой адсорбиро­ванных атомов.

Все эти поверхностные неод­нородности дают локализованные энерге­тические уровни в запрещенной зоне полупроводника, которые могут выполнять роль доноров, акцепторов и рекомбинацион­ных центров.

При внешних воздействиях (например, проникновении электрического поля) меня­ется искривление зон на поверхности и по­ложение поверхностных уровней относитель­но уровня Ферми. Следствием этого будет обмен зарядами между этими уровнями и объемом полупроводника. По времени уста­новления равновесия поверхностных состоя­ний с объемом (времени релаксации) приня­то различать:

а) быстрые поверхностные состояния с временем релаксации (10^–410^–8) с, плотность которых может достигать п_sБ = (10¹⁵10¹⁶) м^–2;

б) медленные поверхностные состояния с временем релаксации от миллисекунд до минут, часов и суток, плотность которых мо­жет достигать п_sМ  (10¹⁷ 10¹⁹) м^–2.

Экспериментально установлено, что ок­ружающая среда существенно влияет на медленные и почти не влияет на быстрые со­стояния.

По этой причине полагают, что бы­стрые состояния расположены на поверх­но­сти полу­про­водника, находясь в хорошем контакте с его объемом, а медленные состоя­ния локализуются на внешней поверхности (и в объеме) окисной пленки (рис 4-66).

Большое время релаксации медленных со­стояний определяется длительным временем проникновения электро­нов сквозь изоли­рующий слой окисла, практи­чески всегда имеющийся на поверхности полупровод­ника.

Быстрые состояния в основном опреде­ляют генерацию и рекомбинацию носителей заряда на поверхности, изменяя поверхност­ную проводимость и оказывая сильное влия­ние на параметры полупроводниковых при­боров.

Медленные состояния на поверхности окисной пленки используются для защиты и стабилизации поверхности полупроводнико­вых приборов, поскольку заряд на этих уровнях экранирует прибор и, «закрепляя» уровень Ферми, обеспечивает стабильную величину поверхностного потенциала полу­проводника.