Мордовский государственный университет имени Н.П.Огарёва

Факультет электронной техники

Лабораторная работа №8

по физики твердого тела

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ».

ЛР – 02069964 – 200400 – 10 – 12

ВЫПОЛНИЛ: ПРОВЕРИЛА:

Студент 321 группы Шестеркина А.А.

Евишев А. В.

Саранск 2012

Цель работы: экспериментальное определение поверхностной проводимости германия на основе измерения полной проводимости клиновидного образца. Измерение проводится двухзондовым методом при комнатной температуре.

Идеальная и реальная поверхность полупроводника.

Поверхностные энергетические состояния.

В зонной теории твёрдых тел первоначально рассматривается идеальный кристалл, т.е. кристалл, бесконечный во всех направлениях. Влияние дефектов в кристалле, приводящих к нарушению периодичности потенциала, может быть учтено с помощью изменений в решениях, полученных для идеального кристалла [1]. Подобные дефекты приводят к появлению локальных электронных состояний, которые могут находиться в разрешённой или запрещённой зонах.

Реальные кристаллы ограничены в геометрических размерах, и это обстоятельство позволяет рассматривать поверхность как неустранимый дефект. Имеется два подхода к определению поверхности. Поверхность твёрдого тела можно определить как плоскость, разделяющие две объёмные фазы, а поверхностные параметры (рассчитанные на единицу площади) – как отклонения от соответствующих значений в объёме. В действительности взаимодействие двух фаз не ограничивается плоскостью и поверхность в общем случае должна рассматриваться как область, в пределах которой данная величина отличается от своего значения в объёме. В зависимости от материала и характера взаимодействия двух фаз, размеры такой поверхностной области могут значительно изменяться. При описании физических явлений используются оба эти определения поверхности, и необходимо достаточно чётко представлять себе, какое из них подразумевается.

Поверхность твёрдого тела классифицируется на идеальную и действительную. Идеальную поверхность можно представить как кристаллографическую плоскость, на которой атомы или ионы расположены так же, как на соответствующих плоскостях, лежащих внутри кристалла. Как правило теоретические исследования начинаются с рассмотрения именно таких поверхностей. Действительные (реальные) поверхности, которые получаются экспериментально, можно разделить на следующие группы :

1. атомарно - чистые поверхности, создаваемые в сверхвысоком

вакууме испарением поверхностных загрязнений, ионной бомбардировкой, скалыванием кристалла и другими методами. Эти поверхности не являются совершенно плоскими, отличаются от идеальной, но они в значительной степени свободны от адсорбированных примесей и могут быть сохранены и исследованы только в сверхвысоком вакууме.

2. реальные поверхности, получаемые в результате обработки, применяемой в производстве полупроводниковых приборов -резки, шлифовки, полировки химического и электрохимического травления и т.д. Такие поверхности содержат принеси и заг­рязнения за счет обработки в химических реактивах, а также в результате адсорбции газов из окружающей кристалл атмос­феры.

3. Поверхность (граница) раздела между двумя твердыми фазами образующаяся при контакте двух твердых тел, в результате длительной обработки поверхности кристалла в соответствующих средах, в процессе нанесения на поверхности различных пленок (металлических и диэлектрических).Данная поверхность состоит из поверхностных областей двух твердых фвз.

Поверхность есть естественное нарушение периодичности потенциала и, следовательно, можно ожидать появления особенностей в спектре разрешенных состояний электрона кристалла. Таммом было показано, что обрыв периодичности потенциала на поверхности приводит к появлению локализованных состояний, энергетические уровни которых располагаются в закрещенной зоне. Эти состояния называют состояниями или уровнями Тамма. Поскольку обрыв потенциала происходит в каждой цепочке атомов, нормальной к поверхности, то, оче­видно, плотность таммовских уровней равна плотности поверхностных атомов, т.е... 10¹⁵ см^-2.

К такой же плотности состояния приводят поверхностные уровни, теоретически предсказанные Шокли и интерпретирующиеся как насыщенные валентности поверхностных атомов кристалла.

Оба типа состояний относятся к идеализированной модели поверхности и могут рассматриваться лишь применительно к так называемой атомарно-чистой поверхности. Однако даже в случае атомарно - чистой поверхности структура поверхности существенно отличается от идеализированной модели из-за перегруппировки поверхностных атомов, вызванной взаимным насыщением свободных валентных связей поверхностных атомов кристалла.

Реальная поверхность полупроводника, с которой приходится иметь дело, весьма далека от идеальной, ибо на ней практически всегда имеет место различного рода макроскопические и микроскопические структурные дефекты, связанные, с условиями обработки (резка, полировка, шлифовка и т.д.) и роста кристалла (огранка кристалла и другого рода особенности рельефа поверхности макроскопических и микроско­пических размеров). Кроме того, реальная поверхность полупроводника находится постоянно в контакте с окружающей средой, различного рода химическими соединениями, применяемыми в качестве травителей, в ре­зультате чего на поверхности возможна адсорбция посторонних атомов и молекул из этих источников, появление окисных пленок как результат окислительно - растворительных реакций при травлении и т.д. Все это приводит к появлению локализованных на поверхности полупроводника состояний, которые в зависимости от степени сродства к электрону и дырке, положения уровня Ферми на поверхности могут проявлять себя как донорные или акцепторные центры захвата или рекомбинационные ловушки, электронно - дырочных пар. При наличии, например, донорных состояний на поверхности, которые, как известно, могут быть либо нейтральными, либо заряженными положительно при отдаче электрона в зону проводимости, поверхность полупроводника будет заряжена положительно. При наличии, акцепторных состояний поверхность полупроводника будет заряжена отрицательно, поскольку акцепторные состояния могут быть либо нейтральны (когда пусты) либо отрицательно заряжены (когда заполнены электронами). Величина заряда Q_пов на поверхности зависит от концентрации поверхностных состояний N_S и функций рас­пределения для ловушек захвата, которые определяются значением электрохимического потенциала на поверхности полупроводника по отношению к энергетическому положению уровня ловушки захвата [2] .

В условиях термодинамического равновесия полупроводник в целом электронейтрален. В приповерхностной области в присутствии заряда в поверхностных состояниях электронейтральность обеспечивается тем, что электрическое поле вблизи поверхности, вызванное зарядом Q_пов, приводит к перераспределению подвижных носителей заряда в припо­верхностной области полупроводника, в результате чего в ней возникает пространственный заряд Q_{пр. зар} ,равный по величине и противоположный по знаку заряду в поверхностных состояниях. Таким образом, возника­ет двойной электрический слой, экранирующий объём полупроводника от действия поля.

В металле, где концентрация свободных электронов составляет

10²² см^-3, нейтрализация поверхностного заряда происходит на рас­стоянии

10^-8 – 10^-7 см и такой тонкий слой пространственного заря­да не может существенно сказываться на свойствах всего кристалла. У полупроводников концентрация свободных носителей заряда значи­тельно меньше, поэтому область пространственного заряда достаточно обширна. Например, для германия у которого концентрация поверхност­ных уровней составляет

10¹¹ см^-2, при концентрации носителей заряда 10¹⁵ см^-3 нейтрализация поверхностного заряда происходит на расстоянии 10^-4 см, а в собственном германии (n₀≈10¹³ cм^-3)- уже на расстоянии

0,1 мм. Наличие у полупроводников поверхност­ного заряда изменяет его энергетическую схему в приповерхностной области.

Рассмотрим образование приповерхностного слоя объемного заряда на примере электронного полупроводника, на поверхности которого имеются акцепторные уровни E_s, как это показано на рис.1.

Энергетическая диаграмма (а) и распределение концентрации электронов (б) и дырок (в) в приповерхностной области полупроводника n-типа

Рис.1.

I – область обеднения;

II – область инверсии.

При заполнении акцепторных поверхностных состояний электронами на поверхности полупроводника возникает отрицательный заряд, а в его приповерхностном слое при этом появится обеднений электронами слой, обладающий положительным пространственным, зарядом. Наличие двойного электрического слоя приводит к появлению электрического поля, направленного к поверхности полупроводника, которая вызывает в приповерхностном слое полупроводника изгиб его энергетически зон вверх. Если через eφ_s обозначить значение изгиба зоны проводи­мости в поверхностной области, то φ_s - электростатический поверх­ностный потенциал. В приповерхностном слое такого полупроводника в зависимости от положения границы его энергетических зон относи­тельно уровня Ферми в общей сложности может быть область обеднения, для которой проводимость меньше, чем в объеме полупроводника, и область, в которой имеет место изменение типа проводимости, так называемый инверсионный слой

(рис.1., а, области I и II соответственно). Образование инверсионного слоя зависит от степени легирования образца.

В том случае, если у электронного полупроводника на поверхности имеются донорные состояния, то его энергетические зоны в приповерхностной области изгибаются вниз и образуется область обогащения. В приповерхностном слое такого полупроводника концентрация основных носителей заряда больше, чем в объеме (рис.2.).

Энергетическая диаграмма (а) и распределение концентрации электронов (б) и дырок (в) в приповерхностной области полупроводника в случае обогащения

рис.2.

У акцепторных полупроводников обеднение наблюдается в том случае, когда поверхностные состояния захватывают дырки и зоны изгибаются вниз, а при захвате электронов имеет место обогащение, при котором зоны изгибаются вверх (рис.З.).

Энергетическая диаграмма приповерхностной области полупроводника р-типа в случае обогащения (а) и обеднения (б).

рис.3.