Свойства реальной поверхности, поверхностный заряд и его влияние на свойства полупроводника.

При исследовании поверхностной электропроводности с помощью эффекта поля было установлено, что па поверхности полупроводника существует два тина поверхностных состояний: быст­рые и медленные (см. § 9.6). Быстрые участвуют в процессах рекомбинации и захвата. При комнатной температуре более длительным оказывается процесс рекомбинации, поэтому постоянные времени процесса оказываются близкими к эффективному времени жизни избыточных носителей заряда. Однако при пониженных тем­пературах, а также при очень высоких положительных и отрица­тельных значениях поверхностного потенциала преобладает про­цесс захвата носителей заряда быстрыми поверхностными состоя­ниями. Длительность этого процесса и определяет время установле­ния поверхностной электропроводности.
Медленные состояния в рекомбинации не участвуют: они служат ловушками захвата носителей.
В общем случае можно считать, что поверхностный заряд об­разован зарядом быстрых и медленных состояний. Соотношение между этими составляющими заряда определяется физико-химическим состоянием поверхности полупроводника и окружающей газовой среды. Опытным путем было установлено, что поверхностный заряд в основном является зарядом медленных состояний. Концен­трация медленных состояний составляет около 10¹¹—10¹³ см~². Равновесное заполнение состояний определяется их положением относительно уровня Ферми и температурой полупроводника. При изменении равновесного состояния полупроводника меняется равновесное заполнение медленных уровней, но после прекращения возбуждения происходит восстановление прежнего заряда. Скорость восстановления существенно зависит от окружающей атмосферы, что называет на адсорбционную природу медленных состояний. Появление медленных состояний связано с образованием оксидной пленки на поверхности полупроводника. На атомарно чистой поверхно­сти, исследованной в сверхвысоком вакууме, медленные состояния не обнаружены. Однако при помещении образца в обычную атмо­сферу начинается рост плотности медленных состояний, причем тем быстрее, чем выше влажность окружающей среды. Предполага­ют, что медленные состояния могут находиться как внутри окисла, так и па его поверхности. Разные значения времени захвата носи­телей заряда этими состояниями связаны с различной толщиной ок­сидной пленки.
Обмен носителями между объемом полупроводника и медленны­ми состояниями происходит двумя путями: туннелированием сквозь пленку и эмиссией через потенциальный барьер. Для тонких оксид­ных пленок более вероятным становится туннельный механизм.
Быстрые поверхностные состояния находятся на границе полупроводник—оксид. Будет ли быстрый уровень ловушкой рекомбинации или захвата — зависит от многих факторов. Например, во время выдержки кристалла на воздухе или в вакууме скорость рекомбинации возрастает, а скорость захвата не меняется. Кратковременный прогрев при 600-650 К уменьшает скорость рекомбина­ции, а длительная выдержка при 650 К почти не меняет скорости рекомбинации и захвата. Прогрев при более высокой температуре увеличивает скорость захвата.

6) Контакт металл-полупроводник
Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых приборов (невыпрямляющие контакты) и создание быстродействующих диодов и транзисторов (выпрямляющие контакты). Тип контакта полупроводник - металл (п/п - Ме) определяется работой выхода электронов из металла в полупроводник, типом проводимости полупроводника и концентрацией примесей в нем. Сопутствующими факторами являются знак и плотность поверхно­ст­но­го заряда на границе раздела. Выпрямляющий контакт характеризуется нелинейной ВАХ, следовательно прямое сопротивление контакта (при подаче прямого напряжения смещения) меньше обратного.
Для получения выпрямляющего контакта между металлом и полупро­водником n–типа проводимости работа выхода электронов из металла, j_м, должна быть больше, чем у полупроводника, j_п, то есть разность работ выхода j_мп=j_м – j_п должна быть больше нуля (j_мп>0 ). Вели­чину j_мп называют контактной разностью потенциалов. В этом случае при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл; в полупроводнике появляется обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. В обедненном слое возникает электриче­ское поле, препятствующее диффузии электронов к контакту (рис. 4.11, а). В контакте металла с полупроводникомp-типа работа выхода электронов из металла должна быть меньше, чем из полупроводника, то есть контактная разность потенциалов j_мп<0. При этом электроны из металла переходят в полупроводник, что приводит к уменьшению концентрации дырок в его приповерхностной области (рис. 4.11, б). На зонных диаграммах рис. 4.11 изгиб зон вверх в полупроводнике n -типа (рис. 4.11, а) и вниз в полупроводнике p -типа (рис. 4.11, б) соответствует уменьшению концентрации основных носителей, образованию обедненных слоев и потенциальных барьеров j_{к n} для электронов и j_{к p} для дырок, переходящих из полупроводника в металл. Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шотки. Его высота j_{к n} для электронов и j_{к p} для дырок является аналогом величины j_к в p-n переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота этого барьера и, соответственно, сопротивление приконтактного слоя будут меняться. Теоретическая оценка высоты барьера j_мп сложна; на практике используются экспериментальные величины j_мп. Например, при контакте Al c n -Si высота барьера j_мп=0,72 В, а при контакте Al c p -Si высота барьера j_мп=0,58 В. Для других металлических покрытий (Au, Ag, Pt, W, PtSi, WSi) при контакте с Si или GaAs эта величина составляет 0,4…0,9 В. Равновесная ширина l обедненного слоя контакта п/п – Ме, как и для резко несимметричного p-n перехода может быть рассчитана по формуле (4.5). Чем выше высота барьера, тем больше ширина обедненного слоя. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера j_{к n} для электронов и j_{к p} для дырок со стороны полупроводника будут меняться. Соответственно, будет изменяться и сопротивление приконтактного слоя. При этом подача отрицательного потенциала U на n -полу­про­вод­ник или положительного – на p -полупроводник соответствует прямому напряжению на контакте п/п – Ме. Смена полярности приложенного напряжения соответствует включению обратного смещения. Например, в контакте n -п/п – Ме при включении прямого напряжении U (плюсом к металлу, минусом к полупроводнику) уровень Ферми в металле, j _{F м}, понижается относительно уровня Ферми в полупроводнике, j _Fn, на величину U, следовательно высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, уменьшается и становится равной j_к – U. При включении обратного напряжения (минусом к металлу) уровень Ферми j _{F м} повышается относительно j _Fn на величину U, поэтому высота потенциального барьера со стороны n -полупроводника увеличивается и становится равной j_к + U. Величина контактной разности потенциалов j_мп при этом остается неизменной. Таким образом, контакты, показанные на рис. 4.10, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шотки, называют диодами Шотки. ВАХ выпрямляющего контакта аппроксимируется уравнением, аналогичным (4.12):
=10^-15 А/м² – плотность тока насыщения (уравнение Ричардсона), B ≈1,1∙10⁶ A/(м∙K)²- коэффициент, φ_мп –высота барьера металл-полупроводник. Невыпрямляющий (омический) контакт используется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление. Для получения омического контакта межу металлом и полупроводником n- типа проводимости разность работ выхода j_мп<0 (т. е. работа выхода электронов из металла,j_м, должна быть меньше работы выхода из полупроводника,j_п), а между металлом и полупроводником p-типа проводимости разность работ выхода j_мп>0 (т. е. j_м>j_п). В первом случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся "вниз" (рис. 4.12, а), а во втором случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся "вверх" (рис. 4.12, б). В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, то есть получаются обогащенные зоны. Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление контакта определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения. Иными словами, в этом случае потенциальные барьеры для движения носителей тока со стороны полупроводника и металла практически отсутствуют.
Следует еще раз подчеркнуть, что реально в полупроводниках электронного типа проводимости существует отрицательный поверхностный заряд (см. п. 2.4.3), плотность которого, отнесенная к заряду электрона, составляет от 10¹²…10¹⁶ м^-2 (для кремния) до 10¹⁵ м^-2 (для арсенида галлия). Под действием этого заряда электроны выталкиваются из приповерхностного слоя полупроводника, что так же способствует образованию обеденного слоя. Поэтому высота барьера j_мп определяется не только разностью работ выхода, но и плотностью поверхностного заряда, а при очень высокой плотности поверхностного заряда (например, в арсениде галлия) практически не зависит от вида металла.

4) Контактные явления. Термодинамическая работа выхода
В Ме + ионы образуют крист. решетку и созд. периодическое потенциальное поле. В грубом приближении изменением потенциала можно пренебречь.
Если считать энергию свободного е в вакууме равной нулю, то находясь в периодическом поле кр. Решетки он обладает – потенциальной энергией U0=eV0. Т.е. е находящийся в Ме как в потенциальной яме, выход из которой требует затрат энергии по преодолению действия поля + заряженных ионов кр. Решетки. Если считать, что е не обладает кинетической энергией, то для выхода за пределы кристалла ему потребуется энергия U0. Это и есть полная работа выхода. Т.к. е всегда облает кинетической энергией, то для выхода из Ме ему необходима энергия <U0. Наим. Работа совершается при удалении e с уровня ферми. Эту работу называют термодинамической РВ. .
Если е вышел из Ме и находится на расстоянии х от поверхности, то он индуцирует в Ме на глубине х пониженный заряд. Эти заряды взаимодействуют друг с другом с силой F.
Большое влияние на работу выхода оказывают мономолекулярные адсорбированные слои другого вещ. Работа вых. Из Ме может ум/ув в зависимости от энергии связи е у атома Ме и адсорбированного вещ.
Если энергия связи е у атомов адсорбир. Вещ меньше чем у Ме, то атомы слоя отдают свои е атомам Ме. На поверхности образуются положительные ионы, которые индуцируют отрицательный заряд в Ме.
При этом возникает эл. Поле способствующее выходу е из Ме. За РВ из п/п принимают расстояние от уровня вакуума до Еf. Сродство к е (х) – расстояние от уровня вакуума до дна зоны проводимости.

12)влияние глубоких центров на параметры ОПЗ

Глубокие центры(ГЦ). Образующие в энерг-й зоне п/п глубокие энергетические уровни, возникает из за наличия примесей, термообработки, мех. Дефектов и т.д.

Заполнение энергетических уровней е определяется положением уровня относительно Еf.

Уход е с уровня Еt1(Et2) привод к тому, что конц. Иониз. Примисей в ОПЗ ув. В случае наличия нескольких глубоких центров площади объемного заряда по ширине ОПЗ распределяется неравномерно. При этом ширина ОПЗ оказывается меньше, чем в п/п с 1-й мелкой легирующей примесью.

20.Вольт-фарадные характеристики структур МДП
Структуры металл - диэлектрик - полупроводник, или сокращенно МДП-структуры, широким интересом к изучению их физических свойств обязаны появлению планарной технологии и развитию нового класса полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля, таких как приборы с зарядовой связью, полевые транзисторы с изолированным затвором, репрограммируемые элементы памяти с плавающим затвором и т.п. МДП-структуры позволяют анализировать основные процессы, протекающие в такого рода приборах, и являются чрезвычайно удобными объектами исследования. Устройство МДП-структуры следует из ее названия.
МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП-структурах используют окислы, поэтому вместо МДП употребляется название МОП-структура. Итак, МДП-структура, приведенная на рисунке 3.10, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта.
Рис. 3.10. Устройство МДП структуры
1 - затвор, 2 - подзатворный диэлектрик, 3 - полупроводниковая подложка, 4 - омический контакт
Рассмотрим зонную энергетическую диаграмму МДП-структуры при равновесных условиях. Согласно правилу построения зонных диаграмм необходимо, чтобы в системе при отсутствии приложенного напряжения:
а) уровень вакуума был непрерывен;
б) электронное сродство диэлектрика и полупроводника в каждой точке было постоянно;
в) уровень Ферми был одинаков.
На рисунке 3.11а приведена построенная таким образом зонная диаграмма для идеальной МДП-структуры. Под идеальной МДП-структурой будем понимать такую систему металл - диэлектрик - полупроводник, когда:
- отсутствуют поверхностные состояния на границе раздела полупроводник - диэлектрик,
- термодинамические работы выхода металла затвора и полупроводника подложки равны между собой,
- отсутствуют заряженные центры в объеме подзатворного диэлектрика,
- сопротивление подзатворного диэлектрика бесконечно велико, так что сквозной ток через него отсутствует при любых напряжениях на затворе.
На рисунке 3.11б, в приведены зонные диаграммы идеальных МДП-структур при различных полярностях приложенного напряжения V_G к затвору.
Рис. 3.11. Зонная диаграмма идеальной МДП-структуры с полупроводником p-типа:
а) V_G = 0; б) V_G > 0; в) V_G < 0; г) распределение зарядов в МДП-структуре при V_G > 0; д) распределение приложенного напряжения V_Gмежду диэлектриком и полупроводником
МДП-структуры, близкие к идеальным, получают, используя "хлорную" технологию термического выращивания двуокиси кремния на кремнии, причем для n-Si в качестве материала затвора используется алюминий, а для p-Si используется золото.
МДП-структуры, в которых нарушается одно из вышеперечисленных требований, получили название реальных МДП-структур, рассмотрение свойств которых далее и проводится.

5.Энергетическая диаграмма электронов в металле.
Электроны проводимости в металле рассматриваются как вырожденный идеальный газ–Ферми, находящийся в потенциальном поле, вид которого можно аппроксимировать потенциальной «ямой» с плоским дном. За нулевую энергию выбирается энергия покоящегося свободного электрона вне металла. Соответственно, вне заряженного проводника потенциал электрического поля равен нулю
, внутри металла ), а глубина потенциальной «ямы» равна , где e – заряд электрона. Таким образом, потенциальная энергия электрона внутри металла отрицательная. На рисунке 8.7.1. энергетические уровни электронов Ферми – газа обозначены тонкими горизонтальными линиями, начинающимися при и заполняющие интервал энергий от дна потенциальной ямы до уровня Ферми .

Энергетическая диаграмма электронов в металле.(рис 1)
Работа, которую нужно совершить, чтобы вырвать электрон из металла, называется работой выхода .Работа выхода имеет величину порядка нескольких эВ, зависит от рода металла и состояния его поверхности. В квантовой теории твердого тела работа выхода отсчитывается от верхнего занятого электронами уровня Ферми: (см рис1).

Контакт двух разнородных металлов.

Энергетические диаграммы электронов двух разнородных металлов до соединения(рис 2)
Рассмотрим два разнородных металла, отличающихся работами выхода и и уровнями Ферми и . Пусть для определенности и в металле (1) заполнены более высокие энергетические уровни, чем в металле (2). Вначале металлы разведены на расстояние во много раз превышающее период кристаллической решетки.(рис 2). Если металлы привести в соприкосновение (создать контакт между ними), то электроны проводимости могут переходить из одного проводника в другой в месте контакта. Работа выхода уменьшается с увеличением энергии Ферми. Для понимания явлений в переходе металл – металл необходимо принять во внимание, что энергия Ферми зависит от концентрации свободных электронов в зоне проводимости – чем больше концентрация электронов, тем больше энергия Ферми. Это означает, что при образовании перехода на границе «металл – металл» концентрация свободных электронов по разные стороны границы различна – она больше со стороны металла (1) с большей энергией Ферми. Изменение концентрации электронов от до происходит в некоторой области вблизи границы раздела между металлами, которая называется переходным слоем.(рис 3). Изменение потенциала электрического поля на переходе показано на рисунке(рис 4).В процессе образования перехода энергии Ферми в металлах на границе изменяются. Металл с большей энергией Ферми заряжается положительно, и, следовательно, работа выхода из этого металла увеличивается.

Рис.3. Образование зарядов по разные стороны границы перехода.Изменение концентрации свободных электронов в области перехода.
Рис.4. – Изменение потенциала электрического поля в области перехода

Возникновение внутренней контактной разности потенциалов.
В состоянии равновесия энергии Ферми в обоих металлах становятся равными. Это утверждение является очевидным. Электрические потенциалы по разные стороны перехода различны, а в переходе возникает электрическое поле. Уравнивание энергий Ферми является важнейшим фактором, определяющим характер процессов в переходе (рис 5).
Разность потенциалов контактирующих металлов называется внутренней контактной разностью потенциалов, она определяется с достаточно большой точностью соотношением:. =
Можно выразить контактную разность потенциалов через концентрацию электронов в зоне проводимости первого и второго металлических проводников: = Изменение потенциала от до происходит внутри очень тонкого контактного слоя толщиной .

Рис 5. – Возникновение контактной разности потенциалов на переходе

Возникновение внешней контактной разности потенциалов.
Потенциалы и электрических полей вблизи поверхностей контактирующих металлов не одинаковы. Это связано с тем, что приграничная область металла 1 заряжается положительно, и одновременно с этим происходит относительное смещение энергетических уровней электронов в контактирующих металлах: в металле 1 все уровни смещаются вниз, а в металле 2, приграничная область которого имеет отрицательный заряд, все уровни смещаются вверх. Таким образом, возникает внешняя контактная разность потенциалов, обусловленная разностью работ выхода электронов из металлов 1 и 2 (рис.5.):
.

13. Kлассическая модель формирования р-n перехода в кристаллических полупроводниках

формула Ф-Д

Электронно-дырочным переходом (p-n)называется слой п/п, располагающегося по обе стороны от границе раздела p и n областей. Эти области обеднены свободными носителями заряда и представляют собой запирающий слой.
В зависимости от характера распределения примесей различают 2 крайних случая:-Резкий(ступенчатый) и плавный p-n переход
В резком переходе концентрация доноров и акцепторов меняется скачкообразно на границе распада p-n областей. В плавном переходе концентрация является линейной функцией от распределения. Резкий переход получается при эпитаксическом наращивании и ионной имплантации, а плавный при диффузии.
В зависимости от степени легирования p и n областей разделяют на симметричный и несимметричный переход. В симметричном концентрация доноров и акцепторов примерно равно, а в несимметричном резко отличаются. В ОПЗ объемный заряд определяется концентрацией только ионизированный примесей. Для резкого p-n перехода плотность заряда в ОПЗ =const и определяется 1), а в плавном переходе где градиент концентрации донорной примеси. Если внешнее поле 0 то p-n переход находится в состоянии равновесия. При этом диффузионные токи основных носителей заряда скомпенсированы дрейфовыми токами неосновных носителей т.е. полный ток через переход =0.
При равновесии уровень Ферми является общим для всех областей п/п.При переходе из n в p потенциал изменяется на величину равной контактной разности потенциала
При приложении внешнего напряжения равновесие нарушается. При этом уровни ферми в ОПЗ заменяются на квазиуровни.
При прямом включении (- к n, + у р) высота барьера понижается на величину , ширина ОПЗ также сокращается. При обратном включении наоборот.
Общая ширина p-n перехода определяется как сумма толщин ОПЗ приходящихся на p и n области. Ширина ОПЗ зависит от внешнего напряжения и концентрации легированной примеси. Для резкого перехода
, а для плавного
Барьерная емкость p-n перехода определяется аналогично емкости плоского конденсатора где S- площадь перехода, а d ширина ОПЗ.
Для резкого перехода плавного

Дата добавления: 2015-10-31