Влияние облучения на поверхностные свойства полупроводников - Бару В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Остальные оказались
104
ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
[ГЛ. 8
фотопроводящими. В то же время на них наблюдался фото-каталитический
эффект.
Важной характеристикой фотокаталитического эффекта является так
называемый квантовый выход у фотореакции. Мы определяем у как число
прореагировавших молекул, отнесенное к числу поглощенных квантов за
единицу времени:
У =8/1, (22.4)
где I - интенсивность света заданной частоты v и g -
= g (v, I)-
В дальнейшем мы подробно рассмотрим механизм следующих фотореакций:
1. Реакции дейтеро-водородного обмена (гл. 9):
II2 ~г D 2 ->- 2HD.
2. Реакции окисления окиси углерода (гл. 10):
2СО + Оа 2С02.
3. Реакции синтеза перекиси водорода (гл. 11):
2НгО + 02 ^ 2Н202.
• К этим реакциям добавим еще список фотореакций, которым посвящены
отдельные экспериментальные работы:
4. Фотоокислепие водорода на MgO, исследованное Лисаченко и Вилесовым
[74].
5. Фотоокисление метана на MgO, исследованное теми же авторами [74].
6. Фотоокисление этилена и пропилена па ТЮ2, исследованное Маклинток и
Ритчи [75].
7. Фотоокисление метилового спирта на ZnO, изученное рядом авторов
[45, 47, 76].
8. Фотоокислепие алканов на ТЮ2 - работа Тешнера с сотрудниками [77].
9. Фотоокисление изопропанола на ТЮ и роль адсорбированной воды,
изученные Биклей и Жайанти [78].
10. Фоторазложение закиси азота на MgO, исследованное Лисаченко и
Вилесовым [79].
11. Фоторазложение метилового спирта на селикаге-лях, изученное
Бобровской и Холмогоровым [80].
12. Фоторазложение гидрозина на Ge - работа Ляшен-ко и Гороховатского
[81].
§ 23] ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ НА ПОВЕРХНОСТИ Ю5
13. Фотовосстановление метиловой сини на ZnO, исследованное Борщевским
и Николаевым [82].
Этот список фотокаталитических реакций, протекающих па полупроводниках,
не является исчерпывающим.
§ 23. Фотокаталитический эффект па реальной поверхности
В предыдущих главах, говоря о реальной поверхности полупроводника, мы
ограничивались рассмотрением идеализированной модели реальной
поверхности: плоская поверхность с вкрапленными в нее микродефектами,
которые предполагаются равномерно размещенными по поверхности и не
взаимодействующими между собой. В энергетическом спектре кристалла они
изображаются поверхностными локальными уровнями, которые могут быть
акцепторными или донорными.
В этом параграфе мы обозначим через ns поверхностную концентрацию
электронов, локализованных па акцепторных уровнях, а через р3 -
поверхностную концентрацию дырок, локализованных па донорных уровнях.
Очевидно, величина
о = e(ps - ns), (23.1)
где е - абсолютная величина заряда электрона, представляет собой
плотность поверхностного заряда. При заданной системе поверхностных
уровней величины ps, its и, следовательно, о фиксируются положением
уровня Ферми па поверхности кристалла es:
Ps = Ps(zs), ns = ns(es), a = a(es). (23.2)
В свою очередь положение уровня Ферми па поверхности кристалла es
определяется, вообще говоря, его положением в глубине кристалла г" (через
в" мы обозначаем расстояние от уровня Ферми до собственного уровня Ферми
в глубине кристалла, где энергетические зоны можно считать
горизонтальными). Связь между е3 и е" может быть получена из условия
электрической нейтральности всего кристалла в целом. В случае
полупроводника, занимающего полупространство х ^ 01 это условие
106
ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
!ГЛ. 8
имеет вид
оо
<х 4- [ р (х) dx = 0, (23.3)
о
где р(х) - плотность объемного заряда в плоскости х. Интеграл в (23.3)
является функцией es и е". Как можно показать [1, 2J:
оо /~ eS
j р (a:) da: = ± 1/ ^ j р (е) de = R (в,, е"), (23.4)
и Г е"
гДе X - диэлектрическая постоянная кристалла, а е = = е(х) - расстояние
от уровня Ферми до собственного уровня Ферми в плоскости х. Очевидно, е"
= е(оо). В (23.4) следует брать верхний знак, если ст < 0, и нижний знак,
если ст > 0. Согласно (23.2) и (23.4) уравнение
(23.3) можно переписать так:
cx(es) + R(es, eD) = 0, (23.5)
откуда е3 может быть найдено как функция ev, a ev может быть определено
из условия нейтральности в глубине кристалла:
р(е") = 0. (23.fi)
Величину (см. рис. 1)
Vs = ev-es (23.7)
мы условились называть поверхностным потенциалом
(потенциальная энергия электрона в плоскости поверхности). Эта величина
характеризует приповерхностный изгиб зон. Если У3>0 - зоны загнуты вверх
(поверхность заряжена отрицательно); если Vs < 0 - зоны загнуты вниз
(поверхность заряжена положительно).
В большинстве реальных случаев полупроводник обладает большой
плотностью поверхностных состояний.
При этом концентрации электронов и дырок, локализованных на поверхности,
могут быть значительными. Если, однако, разность этих двух концентраций
мала по своей абсолютной величине по сравнению с их суммой, т. е. если
|6|<14 (23.8)
§ 23] ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ НА ПОВЕРХНОСТИ Ю7
где
(23.9)
то такая .поверхность называется "квазиизолированной". Такая поверхность
обладает рядом специфических свойств
Это значит, что в случае "квазиизолированной" поверхности величины е" и
