Тонкий приповерхностный слой полупроводника содержит структурные нарушения кристаллической решетки и адсорбированные атомы. Эти дефекты создают вблизи середины запрещенной зоны полупроводника поверхностные уровни или поверхностные состояния с поверхностной плотностью 1012... 1016 м-2. Поверхностные уровни являются эффективными центрами рекомбинации носителей заряда в пленочных структурах при низкой концентрации объемных центров рекомбинации. Свободная поверхность кристалла также является структурным дефектом.
Академик И. Е. Тамм в 1932 г. показал, что обрыв кристаллической решетки на поверхности приводит к появлению в запрещенной зоне полупроводника разрешенных дискретных уровней для электронов, расположенных в непосредственной близости от поверхности кристалла. При этом поверхностные атомы полупроводника ведут себя как типичные акцепторы, которым в запрещенной зоне соответствуют акцепторные уровни. Вид энергетической зонной диаграммы полупроводника вблизи поверхности представлен на рис. 2.12, а.
В реальных условиях поверхностные свойства полупроводников определяются поверхностными состояниями, созданными, главным образом, адсорбированными на поверхность атомами или молекулами из окружающей среды (атомами кислорода, молекулами воды). Например, на поверхности германия кислород создает акцепторные уровни, а вода - донорные. Акцепторные уровни захватывают электроны и заряжают поверхность полупроводника отрицательно, сообщая ей поверхностный потенциал -s.
Если уровни адсорбентов являются донорными, то доноры, отдавая электроны кристаллу, заряжают поверхность полупроводника положительно до значения поверхностного потенциала +s. В результате возникает внутреннее электрическое поле Е, а в приповерхностном слое полупроводника глубиной d происходит изгиб границ энергетических зон, приводящий к появлению в приповерхностной области положительного или отрицательного объемного заряда, как показано на рис. 2.12, б и в, для случая приповерхностных акцепторных и донорных уровней.
Вследствие диффузии и дрейфа в приповерхностном электрическом поле Е существует направленный к поверхности поток носителей заряда, рекомбинирующих на приповерхностных центрах. Число пар носителей qRs, рекомбинирующих на 1 м2 поверхности в 1 с, будет равно
qRs=rs(nsps-nospos), м-2с-1, (2.55)
где rs- коэффициент поверхностной рекомбинации, м4/сек; ns=nos+ns, ps=pos+ps, концентрации электронов и дырок, м-3; ns=ps - избыточные концентрации электронов и дырок вблизи поверхности полупроводника по отношению к равновесным, nos и pos, м-3.
Подставляя значения неравновесных концентраций носителей ns и ps в уравнение (2.55), по аналогии с (2.46) получаем, что
qRs=rs(nos+pos)ns=Sns=Sps, (2.56)
где S=rs(nos+pos) - скорость поверхностной рекомбинации, имеющая размерность скорости, м/с.
Значение S находится в пределах 1...102 м/с и может быть интерпретировано как скорость потока носителей заряда к поверхности полупроводника.
Из (2.56) находим, что скорость поверхностной рекомбинации S выражается следующими соотношениями:
 . (2.57)
Процесс рекомбинации при наличии на поверхности полупроводника центров типа рекомбинационных ловушек происходит обычным образом. Например, при присутствии на поверхности акцепторных уровней (рис. 2.12, б), электрон из зоны проводимости сначала переходит на энергетический уровень незаполненного поверхностного центра рекомбинации, а затем с него в валентную зону. Если же на поверхности преобладают донорные уровни (рис. 2.12, в), то электроны с заполненных уровней ловушек сначала переходят в валентную зону, затем на освободившиеся уровни переходят электроны из зоны проводимости.
С корость поверхностной рекомбинации S зависит от значения поверхностного потенциала s. На рис. 2.13 представлен график зависимости S=f(s), за свою симметричную форму называемый рекомбинационным колоколом.
Из этого графика следует, что наибольшего значения величина S достигает при s=0. Если поверхность полупроводника заряжена положительно или отрицательно, то вблизи поверхности возникает потенциальный барьер для одного из типов носителей заряда. При значениях s<<0 у поверхности почти отсутствуют электроны и, вследствие уменьшения числа актов рекомбинации qRs, скорость поверхностной рекомбинации S оказывается низкой. Аналогичная ситуация наблюдается при значениях s>>0, когда из-за уменьшения концентрации дырок в приповерхностной области полупроводника также снижается скорость рекомбинации. При достаточно больших абсолютных значениях s потоки носителей заряда одного типа (электронов или дырок) вообще не могут преодолеть потенциальный барьер при перемещении к поверхности, что в результате приводит к снижению скорости рекомбинации до нуля.
Скорость поверхностной рекомбинации весьма чувствительна к состоянию поверхности полупроводника. Во-первых, как уже отмечалось, адсорбция на поверхности посторонних молекул и связанное с этим увеличение или уменьшение потенциала поверхности s может резко повлиять на значение S. Кроме того, механическая обработка поверхности (шлифовка, полировка и т. д.), нарушающая кристаллическую структуру поверхностного слоя, ведет к возникновению большого числа поверхностных рекомбинационных центров, увеличивающих скорость поверхностной рекомбинации. При химическом или электрохимическом травлении такой поверхности нарушенный слой удаляется, при этом величина S, как правило, уменьшается.
Процесс поверхностной рекомбинации в полупроводнике обычно сопровождается объемной рекомбинацией.
При этом эффективное время жизни носителей заряда, эф, рассчитывается по формуле
1/эф=1/v+1/s, (2.57)
где v - объемное время жизни; s - время жизни при поверхностной рекомбинации носителей заряда, с.
Время жизни носителей заряда при поверхностной рекомбинации определяется из выражения
s=d/2S, (2.58)
где d - толщина приповерхностного слоя, м.
Различают быстрые и медленные поверхностные состояния.
Природа быстрых поверхностных состоянийсвязана с адсорбцией атомов и молекул непосредственно на поверхность полупроводника и сказанное выше относится к этому виду поверхностных состояний. Адсорбированные частицы находятся в хорошем контакте с поверхностью и объемом полупроводника. Быстрые поверхностные состояния характеризуются малыми временами жизни носителей заряда s, составляющими 10-4...10-8 с.
Медленные поверхностные состоянияхарактеризуются временами жизни носителей от 10-3 с до нескольких суток. Природа медленных поверхностных состояний связана с тем, что в нормальных условиях поверхность полупроводника покрыта тонким (1 нм) слоем окисла (SiO, GeO). При этом посторонние поверхностные атомы сорбируются на внешней поверхности окисла. Большие времена жизни носителей заряда при появлении медленных поверхностных состояний обусловлены тем, что вероятность прохождения электронов сквозь диэлектрический окисный слой очень низка. Естественно, что с увеличением толщины окисной пленки возрастает и время жизни носителей заряда при поверхностной рекомбинации. Процесс заполнения приповерхностных уровней носителями заряда называется перезарядкой уровней.
Оценить длительность времени перезарядки уровней (времени жизни носителей заряда) повдля медленных поверхностных состояний можно по следующей приближенной формуле:
 , (2.59)
где d - толщина слоя окисла, м; vдр = E - дрейфовая скорость носителей заряда, м/c; - подвижность носителей в окисле, м2/Вc; Е - напряженность электрического поля в окисле, В/м; W - энергия ионизации поверхностного уровня, эВ.
Медленные поверхностные состояния находят практическое применение при создании полупроводниковых элементов памяти, позволяющих сохранять информацию даже при выключенном напряжении питания. Для этого на поверхность полупроводникового прибора специально наращивается тонкий слой окисла или другого диэлектрика, позволяющий за счет перезарядки поверхностных уровней с помощью внешних электрических потенциалов, подаваемых на затвор, управлять процессами записи или считывания информации. Примером таких элементов памяти являются транзисторы со структурой металл-нитрид-окисел-полупроводник (МНОП-транзисторы).
Контрольные вопросы и упражнения
1. Выполните расчет концентраций электронов и дырок в собственном полупроводнике.
2. Выполните расчет концентрации электронов и положения уровня Ферми в электронном полупроводнике.
3. Приведите определение скорости генерации и скорости рекомбинации.
4. Приведите определение времени жизни носителей заряда.
5. Объясните природу процессов непосредственной рекомбинации носителей заряда в полупроводниках.
6. На примере энергетических зонных диаграмм объясните, чем отличаются рекомбинационные ловушки от ловушек захвата.
7. Выведите формулу Шокли-Рида.
8. Проведите анализ зависимости времени жизни носителей от концентрации примесей и температуры.
9. Объясните причины появления поверхностных состояний в полупроводниках. Нарисуйте зонные диаграммы собственного полупроводника при наличии приповерхностных акцепторных и донорных уровней.
10. Выведите выражение для скорости поверхностной рекомбинации. Какую зависимость называют рекомбинационным колоколом ?
Закон
- равновесия масс 109
Ловушки
- захвата 117, 118
- рекомбинационные 117
Носители заряда
- неосновные 102, 106
- неравновесные 111
- основные 102, 106
- равновесные 110
Плотность состояний
- эффективная 98
Рекомбинация
- безизлучательная 114
- излучательная 112
- поверхностная 124, 125, 126
- через локальные уровни 116
Среднее время жизни носителей 115, 116
Температура
- истощения 103
- собственной проводимости 104
Уравнения
- Шокли-Рида 120
Эффективная масса 101
|
Скачать 0.99 Mb.