Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 10.16. Влияние изгиба зон у поверхности на электронную эмиссию. Ф — термоэлектронная работа выхода, Ф„ — оптическая работа выхода, % — электронное сродство, Хэфф — эффективное электронное сродство.
334
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ
[ГЛ. X
/•-
4-
___
~Г%— ф ____1
'?п
минимальную энергию Ф„ = Eg + % (рис. 10.16). Эта величина называется оптической работой выхода. Она не зависит от поверхностного потенциала и приповерхностного изгиба зон. Минимальная энергия фотонов (красная граница фотоэмиссии) определяется условием hoimm са Ф„ (мы пишем знак «приблизительно равно» вследствие возможного участия фононов в процессах возбуждения электронов, ср. § XVIII.5).
Однако при увеличении степени легирования полупроводника d уменьшается, и в сильно легированных полупроводниках оказывается возможным осуществить условие d <С /. В указанных выше полупроводниках это происходит при концентрации основных носителей — 1018 -т- 1019 см-3, когда уровень Ферми- F приближается
к Ev. В этом случае электроны практически не испытывают соударений в слое объемного заряда и фотоэмиссия происходит так, как если бы вместо истинного электронного сродства %. мы имели некоторое эффективное СРОДСТВО Хэфф = X — «Р* (рис. 10.16). При положительном потенциале поверхности Хэфф < X- Соответственно красная граница фотоэмиссии теперь определяется условием ^o)min Eg + х — еф5 < Ф0 и сдвигается в область более длинных волн.
Вторая важная особенность случая d < I заключается в том, что здесь выйти в вакуум могут все избыточные электроны, которые в процессе диффузии к поверхности не исчезнут вследствие рекомбинации. Поэтому глубина выхода электронов имеет порядок длины диффузии L /, вследствие чего квантовый выход таких фотокатодов сильно увеличивается. Таким образом,-в сильно легированных полупроводниках (d < I) поверхностные состояния могут сильно сказываться на фотоэмиссии электронов, существенно изменяя красную границу и квантовый выход.
При специальной обработке поверхности можно дополнительно понизить уровень энергии вакуума Е0 относительно краев зон и даже сделать уровень Е0 лежащим ниже уровня Ес в объеме полупроводника (рис. 10.17). Это можно осуществить, например, напыляя в вакууме на поверхность кремния или кристаллов соединений A1HBV тонкий слой атомов цезия (один или несколько атомных слоев) и затем окисляя его в атмосфере кислорода. Толщина возникающего при этом потенциального барьера оказывается меньше длины волны де Бройля для электронов, и поэтому значительная часть электронов проходит сквозь этот барьер с помощью туннель-
Рис. 10.17. Полупроводник с отрицательным эффективным электронным сродством.
СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ
335
ного эффекта. В этом случае ХзФФ = Е0 — Ес становится отрицательным. Это значит, что для выхода электрона в вакуум его'доста-точно только перевести на уровень Ес. Соответственно пороговая энергия фотонов еще уменьшается и становится /mmin ~ Eg. Используя полупроводники с отрицательным эффективным электронным сродством, оказывается возможным сильно увеличить квантовый выход фотокатодов (примерно на два порядка) и сделать их чувствительными для близкой инфракрасной области спектра. Таким же способом можно существенно увеличить и эффективность эмиттеров вторичных электронов, в которых возбуждение электронов происходит не под действием света, а в результате бомбардировки эмиттера пучком первичных электронов.
3. Поверхностные уровни могут сильно проявляться в электрических свойствах прижимных контактов металл — полупроводник. В §§ VI. 11, VI. 12 мы видели, что вольтамперная характеристика идеального контакта должна существенно зависеть от контактной разности металл — полупроводник, а следовательно, и от работы выхода металла. Эту «действующую» контактную разность можно определить, исследуя температурную зависимость дифференциального сопротивления контакта при нулевом напряжении (§ VI. 13). Однако, как уже упоминалось, для некоторых полупроводников, например для германия и кремния, на опыте не наблюдается никакой корреляции между работой выхода металла и нулевым сопротивлением контакта. Это объясняется тем, что в таких полупроводниках поверхностная концентрация уровней очень велика и поэтому искривление зон в них обусловлено главным образом зарядом поверхности, а не контактным полем.
§ 5. Скорость поверхностной рекомбинации
Поверхностные уровни энергии, так же как и локальные уровни примесных атомов в объеме, могут участвовать в рекомбинации и тепловой генерации электронов и дырок и поэтому могут сильно влиять на их времена жизни. Влияние поверхности на кинетику электронных процессов принято характеризовать скоростью поверхностной рекомбинации. К этому понятию мы приходим следующим образом.
Пусть Rps есть суммарный темп рекомбинации дырок на поверх,-ности, т. е. разность темпов захвата и обратного теплового выброса, рассчитанных на единицу поверхности и единицу времени'. Обозначим, далее, через ps концентрацию дырок у поверхности в слое объемного заряда (рис. 10.18). В равновесии, когда ps = ps0> Rps = 0. Тогда, аналогично тому как мы поступали, рассматривая темп объемной рекомбинации (§ VII.2), формально можно написать
