4. Ефект поля в напівпровідниках
4.1. Зміна поверхневого потенціалу напівпровідника під дією зовнішнього електричного поля
Визначення ефекту поля. При прикладанні перпендикулярно до поверхні напівпровідника через діелектричну прокладку зовнішнього електричного поля відбувається зміна електростатичного потенціалу його поверхні. При цьому напівпровідниковий зразок, виготовлений у вигляді тонкої пластинки, служить однією з обкладинок плоского конденсатора. Інша обкладинка конденсатора – металева пластинка (рис.4.1).
Рис.4.1. Схематичне зображення конденсатора для дослідження ефекту поля у напівпровідниках: 1 – напівпровідникова обкладинка, 2 – діелектрик, 3 – металева обкладинка.
Пластинки розділені діелектриком з великою діелектричною проникністю. Наявність поля призводить до перерозподілу заряду в приповерхневій області зразка і, отже, до зміни його провідності. Зміну електропровідності напівпровідникового кристалу під дією зовнішнього електричного поля, прикладеного перпендикулярно до його поверхні, називають ефектом поля.
Зміна поверхневого потенціалу. Змінюючи величину і напрям поля можна в широких межах змінювати величину поверхневого потенціалу зразка. Для з’ясування процесу зміни заряду на поверхневих рівнях, що викликає зміну поверхневого потенціалу, розглянемо зразок р-типу, який характеризується відсутністю вигину енергетичних зон до накладання поля (рис.4.2,а). Накладання поля за допомогою з’єднання напівпровідникової обкладинки конденсатора з позитивним, а металевої з негативним полюсом батареї Б, призводить до вигину енергетичних зон уверх (рис.4.2,б).
Рис. 4.2. Енергетична схема напівпровідника в ефекті поля: а – до ввімкнення електричного поля; б – після ввімкнення електричного поля; М – металевий електрод (обкладинка конденсатора); 1 і 2 – поверхневі енергетичні рівні.
При цьому вся система поверхневих рівнів, розташування яких є фіксованим відносно країв зон на поверхні, зміщується вверх, що призводить до зміни енергетичної віддалі між цими рівнями і рівнем Фермі. Отже, накладання поля призводить до зміни заповнення поверхневих рівнів електронами. Наприклад, зменшується заповнення електронами рівня 1, якщо на напівпровідник подано заряд “+” від зовнішнього джерела. У цьому випадку в приповерхневій області збільшується концентрація дірок у порівнянні з об’ємом зразка.
Зміна провідності в ефекті поля істотньо залежить від наявності на поверхні локальних рівнів. Поверхневі рівні захоплюють носії заряду з об’єму кристалу і таким чином зменшують експериментально вимірювану величину ефекту поля. Але саме цей факт дозволяє використовувати ефект поля для одержання інформації про параметри поверхневих рівнів і величину поверхневого потенціалу.
Релаксація електропровідності. Зміна електропровідності напівпровідника під дією зовнішнього поперечного поля характеризується наявністю декількох стадій (рис.4.3). У першу мить після ввімкнення поля зміна провідності максимальна max,
Рис. 4.3. Релаксація зміни поверхневої провідності напівпровідикового зразка в ефекті поля.
а потім вона релаксує до деякого сталого значення. На першій стадії процес релаксації швидкий, а через 10-6 – 10-5 с сповільнюється.
Величину max експериментальо виміряти важко. Виміряти вдається лише величину о, яка встановлюється через 1 мкс після ввімкнення електричного поля. У подальшому протягом короткого проміжку часу (~ 1 мкс) провідність зменшується до величини 2, а потім повільно протягом 1 – 10 с зменшується до значення 3 (повільна релаксація), яке залишається сталим десятки хвилин. Наведений характер релаксації величини зумовлений наявністю на поверхні напівпровідника двох типів локальних рівнів. Рівні одного з них заповнюються носіями заряду швидко, протягом 10-8 – 10-4 с. Рівні цього типу називають “швидкими”. Інші рівні заповнюються носіями заряду повільно, протягом секунд і хвилин, і тому їх називають “повільними”.
Експериментальні дослідження ефекту поля дозволяють одержати інформацію про поверхневий потенціал (вигин енергетичних зон) та визначити параметри поверхневих рівнів. Метод ефекту поля характеризується рядом переваг у порівнянні з іншими методами. Головними його перевагами є відсутність зміни системи поверхневих рівнів у процесі вимірювання, а також можливість здійснювати практично безперервну зміну поверхневого потенціалу в широких межах і одержати будь-який вигин енергетичних зон.