Быстрые и медленные поверхностные состояния

Поверхностные состояния, возникающие на чистой не окислившейся поверхности полупроводника (состояния Тамма, а также состояния, определяемые абсорбцией и различными нарушениями поверхности), электрически хорошо контактируют с объёмом. Это означает, что время перехода электронов из объёма на поверхностные уровни, т. е. время установления равновесия таких поверхностных состояний с объёмом, оказываются весьма небольшим – порядка 10^–4 – 10^–7 с. Поэтому такие состояния называют быстрыми (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Быстрые и медленные состояния на поверхности германия: 1 – медленные состояния; 2 – быстрые состояния; 3 – слой окиси германия; 4 – запрещённая зона окиси

Реальная поверхность полупроводника всегда взаимодействует с внешней средой, поэтому она практически всегда покрыта слоем окисной плёнки, на поверхности которой также возникают поверхностные состояния. Однако равновесие этих состояний с объёмом полупроводника устанавливается в течение сравнительно продолжительного времени – от 10^–2 с до нескольких часов и даже суток. Это объясняется тем, что для прохождения электронов сквозь окисный слой, являющийся изолятором, требуется значительное время. Такие поверхностные состояния называются медленными. Энергия и концентрация медленных состояний изменяются в широких пределах при изменении окружающей газовой среды, обычно их концентрация более 10¹³ см^–2.

Концентрация быстрых состояний значительно меньше. Обычно имеется несколько типов быстрых состояний. Плотность уровней вблизи середины запрещённой зоны около 10¹¹см^–2. Вблизи краёв запрещённой зоны плотность быстрых состояний однозначно не выяснена, однако установлено, что примеси в травителе меняют их энергетический спектр, а изменение окружающей среды – их концентрацию.

От состояния поверхности зависят многие важные характеристики по-лупроводниковых приборов, например, обратный ток диодов, напряжение пробоя p–n-переходов, работа выхода и т. д.

Вопросы для самопроверки

1. Что вы понимаете под идеальным кристаллом и идеальной поверхностью?

2. Что вы понимаете под реальным кристаллом и реальной поверхностью?

3. Какова природа поверхностного потенциала?

4. Какова природа уровней Тамма?

5. Какие внешние факторы оказывают влияние на свойства поверхности?

6. Какие энергетические состояния называются быстрыми?

7. Каково время установления равновесия быстрых состояний с объёмом?

8. Какие энергетические состояния называются медленными?

9. Каково время установления равновесия медленных состояний с объёмом?

10. Каковы концентрации поверхностных состояний?