Поверхностные явления в полупроводниках.

Физические явления, возникающие у поверхности полупроводникового кристалла, существенно влияют на энергетическое состояние носителей заряда вблизи поверхности. Это объясняется тремя основными причинами: нарушением распределения потенциала кристаллической решетки полупроводника вследствие его обрыва у поверхности; наличием нескомпенсирован-ных валентных связей у поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за возможных поверхностных дефектов структуры кристалла. В результате потенциальный барьер пограничных атомов отличается от потенциального барьера атомов внутри кристалла.

Наличие на поверхности металла поверхностных энергетических уровней способствует переходу электронов из валентной зоны на эти уровни или с поверхностных уровней в зону проводимости.

В зависимости от вероятности тех или иных переходов поверхностные уровни могут быть отнесены к категории донорных или акцепторных уровней, а на поверхности кристалла возникают электрические заряды той или иной полярности.

Например, при появлении на поверхности полупроводника п - типа зарядов положительной полярности у поверхности возникает обогащенный электронами слой, поскольку последние будут притягиваться из глубинных слоев полупроводника к его поверхности. Если же на поверхности возникают электрические заряды отрицательной полярности, то приповерхностный слой полупроводника обедняется носителями заряда, поскольку электроны этого слоя будут выталкиваться в глубь кристалла.

Рассмотрим процессы в приповерхностной области полупроводника, когда перпендикулярно к поверхности приложено внешнее электрическое поле с помощью металлического электрода, отделенного от полупроводника слоем диэлектрика (рис. 9.2.1,а). Такая структура получила название МДП (металл–диэлектрик–полупроводник). Она представляет собой своеобразный конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводниковая. На этой обкладке будет наведен такой же по величине заряд, как и на металлической. Однако в отличие от металла заряд в полупроводнике не сосредотачивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние вглубь кристалла. Знак заряда в полупроводнике зависит от полярности приложенного напряжения. При отрицательной полярности напряжения на металлической обкладке (рис. 9.2.1,б) наведенный в полупроводнике заряд положительный.

В дырочном полупроводнике положительный заряд обусловлен дырка-ми, которые притянулись к поверхности, а в электронном – ионами доноров, от которых оттолкнулись электроны, компенсировавшие их заряд. Следовательно, в первом случае происходит обогащение, а во втором – обеднение приповерхностного слоя полупроводника. Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля из-за наличия зарядов между объемом и поверхностью. Разность потенциалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом и обозначают φ_s (рис. 9.2.1).

Рассмотренное выше явление изменения концентрации носителей (а значит и проводимости) в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля называют эффектом поля. Этот эффект находит широкое практическое применение в так называемых полевых транзисторах.

На рис. 9.2.2 изображена конструкция полевого МОП (металл – оксид – полупроводник) транзистора.

Гетеропереходы.

Гетеропереходом называют переход, образующийся на границе кон-такта двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Существуют два типа гетеропереходов: переход между полупроводни-ками р- и n- типа или между двумя полупроводниками одинакового р- или n- типа (n⁺– n или p⁺–p переходы). Подбор таких материалов представляет сложную задачу, ибо необходимо выполнение многих условий «совмести-мости», важнейшими из которых являются наличие одинаковых постоянных решеток и одинаковых коэффициентов расширения контактирующих ве-ществ. Гетеропереходы могут быть образованны совершенно различными материалами либо один из материалов представляет собой полупроводнико-вое соединение, а другой – его сплав с родственным соединением, величины запрещенных зон которых существенно отличаются друг от друга.

Запишем параметры нескольких полупроводников, образующих гетеро-переходы:

Таблица 1

Гетеропереход	Ширина запрещенной зоны, Еg (эВ)	Периметр решетки,α (эВ)
GaAs – Ge	1,43 – 0,67	0,5653 – 0,5658
GaAs – AlAs	1,43 – 2,15	0,5651 – 0,5653

Идеальный р-n переход

Рассмотрим идеальный р- n переход, у которого материал р- типа имеет более широкую запрещенную зону, чем полупроводник n- типа, т.е. E_gn > E_gp.

Структура такого р- n гетероперехода в случае термодинамического равновесия, когда энергия уровня Ферми F одинакова по обе стороны пере-хода, показана на рис. 9.3.1,а (структура I).

Предположим, что к идеальному р- n гетеропереходу приложено внеш-нее напряжение U в прямом направлении (плюс источника подключен к р- области). В этом случае, как следует из рис. 9.3.1,а (структура II), потен-циальный барьер, который должны преодолеть дырки при переходе из р- области в n- область, заметно снижается. И если приложенное напряжение U достаточно велико, барьер может быть понижен до нуля. Следовательно, дырочный ток в прямом направлении сильно возрастает. Но потенциальный барьер, который должны преодолеть электроны при переходе из n- области в р- область, остается достаточно высоким. А поэтому электронный ток в прямом направлении будет довольно мал.

ВАХ такого р-n гетероперехода в прямом направлении описывается уравнением (9.3.1), но значение плотности тока насыщения отличается от I₀ для р-n перехода (9.3.2). В обратном направлении ток не насыщается, как в обычном р-n переходе, а растет с увеличением – U_обр оставаясь много меньше «прямого» тока.

, (9.3.1)

, (9.3.2)

где n_p – концентрация (неосновных носителей заряда) электронов в р- облас-ти,

p_n – концентрация дырок в n- области,

L_n и L_р – длина диффузии электронов и дырок,

τ_n и τ_p – время жизни электронов и дырок,

е – заряд электрона.

В том случае, когда два полупроводника имеют различную ширину запрещенной зоны E_g, различную относительную диэлектрическую проницаемость ε_r, различную работу выхода Ф и различное электронное сродство χ, то равновесная диаграмма такого резкого р-n перехода будет такая, как изображено на рис. 9.3.1,б (структура I). Электрическое поле, обусловливающее наклон зон на границе раздела, терпит разрыв вследствие различия в величинах ε_r, это обусловит и разрыв краев энергетических зон на границе раз-дела. В этом случае барьер для электронов значительно меньше, чем для дырок, поэтому доминирующими носителями будут электроны.

Гетеропереходы р-n находят широкое применение в качестве эффективных инжекторов дырок в материал n- типа. Это устраняет необходимость в сильно легированной области р- типа. Они используются при создании полупроводниковых лазеров.

Область р- типа (рис. 9.3.2), имеющая более широкую запрещенную зону, прозрачна для рекомбинационного излучения. Кроме того, в области р- типа отсутствует поглощение света свободными носителями заряда, поскольку она не сильно легирована.

В случае различия в значениях постоянной решетки на границе двух полупроводников гетероперехода будет существовать механическое напряжение. Это приводит к появлению в переходном слое дефектов, которые будут являться ловушками как для дырок, так и для электронов. Эти ловушки удерживают уровень Ферми в переходном слое посередине запрещенной зоны обоих полупроводников и вызывают подъем зон со стороны n- типа и их понижение со стороны р- типа, так же как и в случае контакта металл – полупроводник. В результате вид энергетических зон р-n гетероперехода станет таким, как на рис. 9.3.2.

9.3.2. n⁺ – n и p⁺ – p переходы.

Большое практическое значение имеют переходы, образованные между двумя областями полупроводника с одинаковым типом электропроводности, но обладающие различными значениями удельной проводимости. Могут быть созданы электронно- электронные переходы или n⁺ – n переходы (рис. 9.3.4), в которых n⁺ область содержит большее число легирующей примеси – доноров N_d2 > N_d1 (рис. 9.3.4,а). Могут быть созданы дырочно – дырочные переходы или p⁺ – p переходы, в которых одна часть перехода легирована акцепторами значительно сильнее, чем другая. n⁺ – n и p⁺ – p переходы, получившие название изотипных переходов, практически не обладают выпрямляющими свойствами (рис. 9.3.3).

На рис. 9.3.3 изображена вольтамперная характеристика n⁺ – n перехода. По мере увеличения напряжения, как прямого, так и обратного, возрастает нелинейность вольтамперной характеристики.

Для n⁺ – n перехода существенным является то, что область пространственного заряда, в которой сосредоточено электрическое поле, простирается в основном в слаболегированную n область (рис. 9.3.4), она обогащена электронами. А контактная разность потенциалов будет равна:

,

где Nd₁ и Nd₂ концентрация доноров n⁺n области соответственно.

В случае n⁺– n и p⁺ – p перехода, наличие механического напряже-ния на границе слоев, и как следствие наличие дефектов в переходном слое, могут служить источником ловушек как для дырок, так и для электронов. С учетом этого, энергетическая диаграмма n⁺ – n гетероперехода будет иметь вид (рис.9.3.5).

Омический переход.

Как для исследования полупроводниковых материалов, так и для со-здания полупроводниковых приборов. Необходим физический контакт, электрическое сопротивление которого мало и не зависит от направления тока в заданном рабочем диапазоне токов. Такие электрические контакты называют омическими переходами. В качестве омического перехода может быть использован переход металл – полупроводник с антизапорным слоем, при этом у металла термоэлектронная работа выхода должна быть меньше, чем у полупроводника n– типа, или больше чем у полупроводника р– типа.

Приконтактный слой полупроводника с повышенной удельной прово-димостью (обогащенный основными носителями заряда) принято называть антизапорным.

Однако комбинаций металл – полупроводник с такими свойствами очень мало. (Кроме того, такой переход обладает заметной инжекцией неос-новных носителей заряда, чему способствует повышенная генерация их через дефекты на поверхности полупроводника и направление приконтактного электрического поля, выталкивающего эти носители заряда в объем полупро-водника. Ряд металлов, пригодных по своим электрофизическим свойствам, для изготовления омических контактов не смачивают поверхность полу-проводника, скатываясь в шарики при нагреве, обладают плохой адгезией, химически активны, вступают в реакцию с полупроводником и с кислородом воздуха окисляясь при этом.

Большинство омических переходов создаются на основе n⁺ – n или p⁺ – p переходов. Концентрация легирующей примеси в сильно легирован-ном слое должна быть настолько высока, чтобы между металлом и n⁺ – полу-проводником создавалась обедненная область такой толщины, при которой носители заряда, благодаря туннельному эффекту беспрепятственно перехо-дили через потенциальный барьер и в силу этого сопротивление перехода будет малым. Из-за низкой концентрации дырок в вырожденном n⁺ – слое, инжекция их в слабо легированную n⁺ – область практически отсутствует.

Создание качественных омических переходов, не смотря на относи-тельную простоту рецептов их изготовления, представляет собой сложную технологическую задачу.

Вопросы для повторения:

1. Нарисуйте зонную диаграмму контакта металл – полупроводник n- типа для случая, когда работа выхода из металла выше.

2. Может ли контакт металл – полупроводник обладать выпрямляющими свойствами, если работа выхода из металла меньше работы выхода из полупроводника?

3. Какой эффект называется эффектом поля? Что такое поверхностный потенциал?

4. Дайте определение гетероперехода и приведите примеры.

5. Нарисуйте зонную диаграмму идеального р-п гетероперехода в условиях термодинамического равновесия и при положительном смещении (прямое включение).

6. Нарисуйте ВАХ n⁺ - n перехода. Может ли такая структура обладать выпрямляющими свойствами? Почему?

7. Какие переходы мы называем омическими? Где они применяются?

Резюме:

В процессе изучения данной темы мы ознакомились со свойствами контактов металл – полупроводник и гетеропереходов.