Природа поверхностных состояний

Экспериментально было установлено, что поверхностные состояния различаются временами захвата неравновесных носителей заряда (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Релаксация неравновесных носителей на “быстрых” и “медленных” поверхностных состояниях

Установлено, что уровни быстрых состояний находятся непосредственно на поверхности полупроводника под слоем окиси с плотностью 10¹¹ ¸ 10¹² см^–2 (в зависимости от обработки поверхности). Медленные состояния располагаются на поверхности и в объеме слоя природного или искусственного окисла. Длительность релаксации определяется необходимостью прохождения электронами слоя диэлектрика (окисла). Плотность медленных состояний 10¹⁴ ¸ 10¹⁵ см^–2.

Быстрые уровни являются центрами поверхностной рекомбинации и влияют на пробивные напряжения p-n переходов.

9.4. Исследование поверхностных состояний методом вольт-фарадных характеристик (ВФХ) МДП-структуры

МДП – металл-диэлектрик-полупроводник. Al-SiO₂-Si – структура, широко используемая как в научных, так и в практических целях. ВФХ – зависимость емкости такой структуры от приложенного напряжения.

Полная емкость МДП-структуры определяется как сумма последовательных емкостей C_d (диэлектрика) и С_s (полупроводника):

; (9.23)

,

где d – толщина диэлектрика.

Падение напряжения на структуре U_g =U_s можно найти из зонной диаграммы:

(9.24)

где j_m – термодинамическая работа выхода из металла;

c – абсолютная работа выхода из полупроводника;

j_b – объемный потенциал (степень легирования);

E_g –

U_d – падение напряжения на диэлектрической пленке.

В общем виде дифференциальная емкость структуры равна:

(9.25)

где Q_g – заряд на металлическом электроде, равный по величине и противоположный по знаку заряда единицы площади полупроводника: ;

Q_sc – заряд ОПЗ;

Q_ss – заряд на поверхностных состояниях.

Тогда

, (9.26)

то есть C_s = C_sc + C_ss .

При отсутствии поверхностных состояний Q_ss = 0 и C_ss = 0.

Так как при больших значениях |Y_s| дифференциальная емкость C_sc увеличивается, то при больших внешних напряжениях любой полярности емкость С = С(U) стремится к величине С_d.

Рис. 9.5. Вольт-фарадная характеристика системы металл-диэлектрик-полупроводник p - типа

При малых внешних напряжениях U (малые значения Y_s) поверхностная емкость мала, включена последовательно с С_d и суммарная емкость меньше С_d и на ВФХ имеется минимум (рис. 9.5, кривая а) на низких частотах.

При высоких частотах неосновные носители не влияют на поверхностную емкость и емкость структуры определяется изменением заряда в области обеднения и примерно равна минимальной емкости (рис. 9.5, кривая б).

9.5. Влияние поверхностных состояний на свойства полупроводника

1. Изменение работы выхода.

Истинная работа выхода c_эф = c не зависит от j_s (истинная работа выхода – это сродство к электрону). Термодинамически работа выхода меняется на величину ± j_s.

2. Уменьшение работы выхода фотокатодов.

В полупроводнике p-типа оптическая работа выхода – отрыв электронов от валентной зоны (F_о). Для выхода электрона в вакуум необходимо: F_о = E_g + c (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Изменение квантового выхода фотокатодов за счет уменьшения эффективного электронного средства: c_эф=c-j_s

Отрицательное сродство к электрону можно получить за счет специальной обработки поверхности, например, нанося на поверхность Si или А³В⁵ слой цезия и окисляя его в кислороде. Таким образом удается резко повысить квантовый выход фотокатодов (примерно в 100 раз).

3. Поверхностная рекомбинация и поверхностные токи утечки.

На несколько порядков возрастают обратные токи p-n перехода за счет токов утечки. Поверхностная рекомбинация сокращает время жизни неравновесных носителей заряда. Снижается пробивное напряжение p-n перехода.

Выводы

1. Обрыв связей на поверхности кристалла приводит к возникновению поверхностных примесных состояний. Адсорбция ионов поверхностью может изменить величину заряда поверхности.

2. Искривление энергетических зон у поверхности может привести к обогащению, обеднению и инверсии (изменению типа проводимости) приповерхностного слоя. Степень искривления зон характеризуется поверхностным потенциалом.

3. Эффект поля позволяет изменять поверхностную проводимость кристалла и определить величину поверхностного заряда.

4. В зависимости от природы поверхностных состояний они характеризуются разными временами релаксации и называются “быстрыми” (на поверхности полупроводника) и “медленными” на поверхности и в объеме оксидного поверхностного слоя.

5. Исследование вольт-фарадных характеристик (ВФХ) структуры МДП позволяет определить основные параметры поверхностных состояний и МДП-структуры.

6. Поверхностные состояния могут влиять на работу выхода электронов из кристалла, ухудшать электрические характеристики p-n переходов, определять газовую чувствительность твердотельных сенсоров.