Гладков / Выдать 14 февраля 3013 / 1. Поверхность / 3.4. Поверхностные состояния и уровни / Поверхностные состояния Э с 393

3

П ОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ, Э, с.393

Поверхностные состояния, Э, с.393

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ, локализованные энергетические состояния (уровни) носителей заряда (электро­нов проводимости и дырок), возникаю­щие у границы твёр­дого тела с вакуумом или другой средой.

Существование поверхностных состояний предсказано советским физиком И. Е. Таммом (1932).

Воз­никновение поверхностных состояний в идеальном кри­с­талле связано с нару­шением периодичности кристалла из-за обрыва кристалли­ческо­го по­тенциала на поверхности.

[Независимо от этого] в реальных кристаллах на по­верхности всегда есть слой оксида, адсорбированные атомы, структурные дефекты и т. п. Это приводит к появлению дополнительных поверхностных состояний с волновыми функциями, имеющими макси­мум на поверхности или вблизи неё и затухающими по мере удаления от поверхности.

В поликристаллических твёрдых телах поверхност­ные состояния могут возникать также на границах зёрен (кристал­литов).

В зависимо­сти от скорости, с которой поверхностные состояния обме­ниваются электронами (дырками) с объёмом кристалла, разли­чают:

• быстрые (характерное время перехода ^s ~ 10^–410^–8 с) и

• медленные (_s >10^–3 с) поверхностные состояния.

В случае Ge и Si, покрытых плёнкой оксида, принято считать, что быстрые поверхностные состоя­ния располагаются внутри плёнки, а медленные – на её внешней поверхности. Концен­трация поверхностных состояний сильно зависит от состояния поверхности, в частности от её обработки (шли­фовка, химическое травление и др.), и может достигать числа атомов на единицу площади поверхности (~ 10¹⁴–10¹⁵ см^–2).

Особый тип поверхностных состояний в чистых металлах обнаружен совет­ским физиком М. С. Хайкиным (1960). Если металл находится в параллельном его поверхности магнитном поле, то электроны, на­ходящиеся вблизи поверхности и движущиеся под малыми углами к ней, испытывают ряд последовательных зеркальных отражений. Таким образом, движение электрона в направлении, пер­пендикулярном к поверхности, оказывается периодическим и, следовательно, квантуется, то есть возникают дискретные уровни, между которыми возможны переходы. В результате в области слабых магнитных полей (~10¹⁰ Тл) возникает резо­нансное поглощение энергии СВЧ (~10¹⁰ Гц) поля.

Поверхностные состояния образуют поверхностные энергетические зоны, состоя­щие из близко расположенных уровней, соответствующих различных возможным компонентам квазиимпульса, параллель­ным поверхности. Электрон, принадлежащий поверхностной зоне кристалла, может свободно перемещаться по поверхности кристалла, но не может уйти сколько-нибудь далеко (на расстояние, заметно превышающее постоянную ре­шётки) в глубь кристалла или за его границы (то же относится и к дыркам). Поверхностные зоны могут перекры­ваться одна с другой, а также с объёмными зонами. В результате распределение поверхностных состояний в запрещённой зоне имеет непрерывный характер и описывается плотностью поверхностными состояниями v(E) (количество поверхностных состояний на единицу площади поверхности и еди­ничный интервал энергии; измеряется в эВ^–1см^–2).

Наличие поверхностных состояний приводит к тому, что электроны и дырки могут «прилипать» к поверхности, образуя поверхностный электрический заряд. При этом под поверхностью появляется равный по величине и противоположный по знаку заряд в объёме кристалла, то есть появляются обогащённые или обеднённые электронами приповерхностные слои, а энергетические зоны вблизи поверхности искривляются.

Толщина слоя объёмного заряда имеет порядок дебаевского радиуса экрани­ро­вания

L_Д = (₀kT/e²n)^1/2,

где

•  – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;

• Т – абсолютная температура;

• n – концентрация носителей заряда;

• e – заряд электрона;

• ₀ – электрическая постоянная СИ;

• k – по­стоянная Больцмана.

Разность потенциалов _s между поверх­ностью твёрдого тела и объёмом (поверхностный потен­циал) при малых концентрациях N_s поверхностных состояний равна _s = eN_s²/ 2₀_n. Обычно _s ~ 0,1 В.

Если изгиб зон у поверхности, обусловленный поверхностными состояниями или внешним электрическим полем, соответствует обогащению припо­верхностной области электронами и достаточно велик, так что ширина образующейся при этом потенциальной ямы стано­вится сравнимой с тепловой дебройлевской длиной волны электронов, то движение электронов в направлении нормали к по­верхности станови­т­ся квантованным (поверхностное квантование), то есть появляются дополнитель­ные поверхностные состояния, обус­ловленные размерным квантованием (сказанное справедли­во и для дырок при противоположном направлении изги­ба зон). Вызывая искривление энергетических зон вблизи поверхности, поверхностные состояния оказывают существенное влияние на ряд физических явлений в твёрдом теле, связанных с существованием по­тенциальных барьеров. При изменении поверх­ностного потен­циала изменяются концентрации электронов и дырок в приповерх­ностном слое твёр­дого тела, а следовательно, и его элек­тропроводность.

Поверхностные состояния изменяют термоэлектронную работу выхода электронов на величину – е_s. Знаки изменения работы выхода и электропроводно­сти противоположны у проводников n-типа и одинаковы у проводников p-типа. Изменение работы выхода сказывается на величине тока термоэлектронной эмиссии и электрических свойствах контактов ме­талл – полупроводник. В сильно легированных полу­проводниках поверхностные состояния могут заметно влиять на фотоэмиссию электронов (см. Фотоэффект), увеличивая квантовый выход и сдвигая границу фотоэффекта в красную сторону.

Поверхностные состояния могут участвовать в рекомбинации и тепловой гене­рации электронов и дырок в ПП, сильно влияя на время жизни носителей заряда. Мерой этого влияния служит скорость поверхностной рекомбинации. Последняя очень си­ль­но за­висит от обработки поверхности, свойств окружающей среды, темпера­ту­ры, внешнего электрического поля, перпендикулярного к по­верхности.

Поверхност­ная рекомбинация заметно изменя­ет как стационарную фотопроводимость, так и кине­тику её установления и затухания. Эти изменения особенно за­метны в случае тонких образцов (пластинок, плёнок, нитей) и при сильном поглощении света. Поверхност­ные состояния оказывают существенное влияние на работу ряда ПП прибо­ров, ухуд­шая их свойства. Тепловая генерация неос­новных носителей из поверхност­ных сос­тояний приводит к увеличению обрат­ного тока насыщения ПП диодов, причём избы­точный ток насыщения зависит от обработки поверхности и свойств окружающей среды. Поверхностная рекомбинация влияет на характеристи­ки биполярных транзи­сторов, поэтому из­менение состояния поверхности со време­нем ведёт к не­стабиль­ности их параметров.

В МДП-структурах поверхностные сос­тояния на границе раз­дела ПП – диэлектрик создают дополнительную ём­кость. Зави­симость этой ёмкости от приложенного напря­жения имеет резкий пик, соотве­тст­ву­ющий напряжению, при котором Ферми уровень пересекает уровень поверхностного состояния.

Зах­ват и ос­вобождение носителей заряда поверхностными состояниями характери­зуются опре­делёнными временами задержки, что приводит к омическим потерям в МДП-струк­туре и уменьшению крутиз­ны её вольт-фарадной характери­стики.

В полевых тран­зисторах с изолированным затвором поверхностные состоя­ния, экранируя объём ПП от влияния потенциала затвора, уменьшают крутизну ВАХ. В приборах с зарядовой связью присутствие поверхностных состояний увели­чивает неэффективность переноса носителей заряда и вно­сит дополнительный шум.

Роль поверхностных состояний в электронике не сводится к перечислен­ным выше изменениям свойств ПП приборов. Зависимость концентрации и заполнения поверх­ностные состояния от состава окружаю­щей атмосферы и влияние поверхностные состояния на проводимость и другие свойства твёрдых тел используется для создания электрон­ных газоанализаторов. Заполнение поверхностных состояний неравновесны­ми носителями заряда лежит в основе работы некото­рых ЗУ.

Для определения концентрации, энергетического спектра и других парамет­ров поверхностных состояний могут быть использованы все перечис­ленные выше эффекты, в которых они проявляются. В 80-х гг. появились прямые электронно-спектроскопические ме­тоды исследования поверхностных состояний. Наиболее эффективными оказа­лись методы, основанные на измерении распределения по энергиям автоэмиссионных электронов и фотоэлектронов, испускае­мых под определённым углом при облучении поверхности УФ светом. Этими методами открыты и изучены поверхностные состояния в ме­таллах (Mo, W, Au, Pt, Cu, Ni и др.).

Литература:

• Ржанов А.В., Электронные процессы на поверхности полупро­водников, М., 1971;

• Волькеиштейн Ф. Ф., Фиэико-химия поверхности полупроводников, М., 1973;

• Дэвисон С., Левин Дж., Поверхностные (таммовские) состояния, пер. с англ., М., 1973;

• Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977;

• Гетцбергер А., в кн.: Полупроводниковые формирователи сигналов изображения, пер. с англ., М., 1979;

• Далидчик Ф. И., Спектроскопия поверхности, М., 1982;

• Хайкин М. С., в кн.: Электроны проводимости, М., 1985.

Э.М. Эпштейн.