Поверхностный потенциал

Рассмотрим зонную диаграмму приповерхностной области полупроводников в равновесных условиях. Рассмотрим, как будет меняться концентрация свободных носителей в приповерхностной области полупроводника, когда вблизи этой поверхности создается электрическое поле. Для примера будем считать, что электрическое поле создается заряженной металлической плоскостью с поверхностной плотностью зарядов σ. Поскольку силовые линии электрического поля должны быть замкнуты, то на поверхности полупроводника возникает равный по величине, но противоположный по знаку электрический заряд. В зависимости от знака заряда на металлической плоскости (положительной или отрицательной) экранирующий это поле заряд в приповерхностной области полупроводника также будет различных знаков. На рис. 1.2 приведены ситуации положительно и отрицательно заряженной плоскости.

Случай, когда в приповерхностной области возрастает концентрация свободных носителей, носит название обогащение, а когда в приповерхностной области уменьшается концентрация свободных носителей – обеднение.

Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля получило название эффекта поля.

Рис. 1.2. Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника при наличии вблизи поверхности заряженной металлической плоскости

При наличии внешнего поля приповерхностная область в полупроводнике не будет электронейтральной. Заряд, возникший в этой области, обычно называется пространственным зарядом, а сама область – областью пространственного заряда.

Величина разности потенциалов между квазинейтральным объемом и произвольной точкой ОПЗ получила название электростатического потенциала

.

Значение электростатического потенциала на поверхности полупроводника называется поверхностным потенциалом и обозначается символом y_s.

Знак поверхностного потенциала y_s соответствует знаку заряда на металлическом электроде, вызывающего изгиб энергетических зон.

При y_s > 0 зоны изогнуты вниз, при y_s < 0 зоны изогнуты вверх (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Энергетические зоны на поверхности полупроводника n‑типа: а - в случае обеднения; б - в случае обогащения

Параметр, характеризующий изгиб зон в полупроводнике на поверхности раздела «полупроводник – окисел», называется поверхностным потенциалом (на рис. 1.1 это Y_s ). Методы определения поверхностного потенциала основаны на измерении ряда параметров поверхности, таких как поверхностная проводимость, поверхностная емкость и др. Существуют таблицы и номограммы, по которым можно построить зависимость поверхностной проводимости от поверхностного потенциала для полупроводников. Поверхностная проводимость является достаточно сложной функцией поверхностного потенциала и степени легирования полупроводника.

Качественно оценить поверхностную проводимость можно следующим образом. При положительном изгибе зон поверхностная проводимость полупроводника n-типа повышается вследствие образования у поверхности обогащённого слоя. При достаточно больших отрицательных изгибах зон из-за образования вблизи поверхности инверсионного слоя поверхностная проводимость полупроводника n-типа оказывается также весьма значительной.

Минимального значения она достигает, когда имеется незначительный отрицательный изгиб зон, при котором поверхностная проводимость определяется проводимостью обедненного слоя.

В полупроводнике p-типа, наоборот, поверхностная проводимость будет возрастать из-за образования обогащённого слоя при отрицательных изгибах зон и инверсионного слоя, возникающего при больших положительных изгибах зон. Минимальное значение она будет иметь в этом случае при незначительном положительном изгибе зон, ибо, как и в предыдущем случае, она будет определяться проводимостью обеднённого слоя. Сказанное можно пояснить с помощью рис. 1.4.

Рис. 1.4. Зависимость проводимости и приповерхностного слоя от изгиба зон

Сделаем следующие замечания. Во-первых, минимальное значение проводимости достигается при Y_{s min}= ln λ²/b;

здесь

где n₀, p₀ – концентрации электронов и дырок в полупроводнике; n_i – собст-венная концентрация носителей заряда.

Это означает, что положение минимума на кривых σ_s(Y_s) определяется лишь объёмными свойствами полупроводника: при увеличении степени легирования минимальное значение поверхностной проводимости смещается в сторону возрастания абсолютного значения Y_s. Во-вторых, в собственных полупроводниках минимум поверхностной проводимости смещён в сторону отрицательных значений изгибов зон. Это объясняется тем, что подвижность электронов больше подвижности дырок. Наконец, при очень сильном изгибе зон уровень Ферми у поверхности может оказаться в одной из разрешённых зон – у поверхности возникает слой полупроводника вырожденного типа. Поверхностная проводимость в этом случае будет особенно большой. Для положительного изгиба зон Y > 0, для отрицательного Y < 0. Параметр λ, характеризующий объёмные свойства полупроводника, принимает следующие значения: λ = 1 для собственного полупроводника, λ > 1 при дырочной проводимости, λ < 1 при электронной проводимости.

Дата добавления: 2015-09-29; просмотров: 5268;