4.14.2. Поверхностная проводимость

При изменении поверхностного потенциала изменяются концентрации электронов и дырок в приповерхностном слое полупроводника, а, следовательно, его электропроводность.

Избыточная проводимость, вызванная наличием избыточных концентраций электронов и дырок в приповерхностной области объемного заряда, называется поверхностной проводимостью. Другими словами, поверхностную проводимость можно определить как разность проводимостей образца при данном значении поверхностного потенциала ψ_s и при его нулевом значении.

Поверхностную проводимость можно вычислить по формуле

.

Таким образом, расчет влияния поверхностного потенциала на электропроводность сводится к вычислению проводимости, но общий характер зависимости G_s от y_s можно определить без расчета.

Рассмотрим полупроводник п-типа. При положительном потенциале поверхности зон искривляются вниз, и край зоны основных носителей W_C приближается к уровню Ферми, поэтому у поверхности образуется слой, обогащенный электронами, и проводимость будет увеличиваться при увеличении y_s.

При отрицательном потенциале зоны искривляются вверх, и приповерхностный слой обедняется электронами. Пока разность , концентрация дырок будет во много раз меньше концентрации электронов у поверхности, и проводимость уменьшается при увеличении |y_s|. Когда искривление зон становится таким, что уровень Ферми оказывается ближе к потолку валентной зоны, чем ко дну свободной, концентрация дырок в приповерхностном слое становится больше, чем концентрация электронов. При этом образуется инверсионный слой р-типа. При дальнейшем увеличении |y_s| проводимость достигнет минимума и начнет увеличиваться за счет увеличения концентрации дырок в инверсионном слое.

Наиболее эффективным способом управления значением поверхностного электростатического потенциала, а следовательно, значением проводимости и других параметров является приложение к полупроводнику электрического поля, нормального к поверхности полупроводника. Довольно просто это достигается в структуре, где полупроводник служит одной из обкладок конденсатора, отделенной от другой обкладки – металлического электрода – слоем диэлектрика. Такая структура называется МДП-структурой. Явление изменения проводимости под действием электрического поля называется эффектом поля. Эффект поля лежит в основе принципа действия полевых транзисторов.

4.14.3. Расчет поверхностных токов

Рассмотрим подробнее влияние зарядов на поверхности полупроводника на ток п-р перехода.

Обогащенный слой. В этом случае, как уже говорилось, появляется область, где электронно-дырочный переход сужается, и напряженность поля у поверхности больше, чем в объеме перехода. Естественно, что такое явление должно привести к снижению пробивного напряжения перехода, но не может существенно повлиять на величину обратного тока. Рассчитать напряжение поверхностного пробоя можно так же, как напряжение объемного пробоя, если каким-либо способом определить величину напряженности электрического поля у поверхности. Поверхностный пробой, как и объемный, носит в основном лавинный характер. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода при наличии обогащенного слоя представлена кривой 2 на рис. 4.27.

К аналы на поверхности перехода. При наличии на поверхности полупроводника инверсного слоя может наблюдаться канал поверхностной электропроводности. Этот канал смыкается с областью полупроводника, имеющей тот же тип электропроводности, что и он сам, и таким образом получается как бы увеличение площади перехода (рис. 4.28).

Т ак как носители могут теперь поступать в переход не только из объема, определяемого произведением диффузионной длины на площадь перехода, но и из слоя соответствующей толщины, примыкающего к каналу, обратный ток должен существенно возрасти.

Вследствие того, что по каналу течет ток, на нем создается падение напряжения, которое изменяет свойства канала вдоль его длины. Если в области, близкой к р-п переходу, между каналом и объемом полупроводника приложена разность потенциалов, равная полному напряжению на переходе, то вдоль длины канала эта разность потенциалов будет уменьшаться и может стать настолько малой, что носители из объема уже не будут втягиваться в него. Таким образом, из вышесказанного можно сделать вывод, что канал поверхностной электропроводности имеет определенную эффективную длину.

Удельную поверхностную проводимость канала можно определить из соотношения

,

где μ_pS – подвижность дырок в канале, в общем случае она может существенно отличаться от подвижности дырок в объеме полупроводника, так как носители заряда взаимодействуют с поверхностью, имеющей неоднородную структуру и сложный состав; р_S – количество дырок, приходящихся на единицу поверхности канала.

Расчет удельной проводимости с учетом изменения подвижности носителей заряда дает выражение

,

где А и В – некоторые постоянные; u – напряжение между каналом и объемом полупроводника.

Пусть j – плотность тока, входящего в канал из объема и с поверхности, тогда при ширине канала, равной единице, в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка, ток в канале на расстоянии х от перехода определится выражением

,

где l – длина канала.

Падение напряжения на участке dx канала определится как

.

Проинтегрировав это выражение в пределах от 0 до l, получим:

,

где U – напряжение, приложенное к переходу;

U_l – напряжение между каналом и объемом полупроводника на конце канала.

Обратный ток электронно-дырочного перехода достигает насыщения при напряжении, сравнимом с величиной температурного потенциала φ_Т = kT / e₀, то есть U_l = kT / e₀. С учетом этого обратный ток через весь канал можно определить по формуле

.

Таким образом, при наличии канала электропроводности обратный ток перехода не имеет участка насыщения. Это вызвано тем, что с увеличением напряжения на переходе длина канала увеличивается.

Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода с учетом канала поверхностной электропроводности показана кривой 3 на рис. 4.27.