Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
состояний локализованы непосредственно на дефекте и убывают при удалении
от него в любую сторону.
Поверхностные электронные состояния
81
Особый тип электронных состояний, которые условно можно назвать
"квазиповерхностными", соответствует дефектам, локализованным не на самой
поверхности кристалла, а глубже - в ОПЗ. Такие состояния обычно гораздо
меньше подвержены влиянию физико-химических процессов, происходящих на
поверхности (например, адсорбции и десорбции), но, как и обычные ПЭС,
могут перезаряжаться при изменении изгиба зон. Идентификация состояний
этого типа облегчается их генетической связью с объемными дефектами
определенного типа. Если волновые функции "квазиповерхностных" состояний
проникают в приповерхностные атомные слои, их параметры могут достаточно
сильно отличаться от параметров соответствующих объемных дефектов.
При адсорбции на поверхности кристалла инородных атомов или молекул могут
возникать "несобственные" ПЭС. До тех пор, пока заполнение поверхности
адсорбированными атомами или молекулами значительно меньше монослойного и
их распределение по поверхности случайно, несобственные ПЭС будут
локализованными.
Иногда хемосорбция на поверхности кристаллов бывает упорядоченной - тогда
сохраняется периодичность потенциала в плоскости поверхности и в принципе
могут образовываться двумерные зоны несобственных ПЭС. В некоторых
случаях энергетические зоны несобственных ПЭС "вытесняются" в область
энергий, соответствующую разрешенным зонам в объеме кристалла и их
обнаружение на фоне высокой плотности объемных состояний становится
затруднительным. Так происходит, в частности, при взаимодействии с
кислородом поверхности полупроводников IV группы.
В процессе контакта с окисляющей средой на поверхности ряда кристаллов
образуется макроскопический слой оксида и в результате формируется
двухфазная (слоистая) система со своим энергетическим спектром
электронных состояний границы кристалл-оксид. В роли ПЭС в слоистых
структурах кристалл-оксид, помимо собственных и несобственных состояний
границы раздела фаз, может выступать определенная часть дефектов окисного
слоя - ловушки диэлектрика (ЛД). Хотя электронный обмен с такими
дефектами обыч-
а б
Рис.3.4. Идеальная поверхность (а), сверхструктура с удвоенным периодом
(б), кристаллическая ступенька (") и граница между доменами по оси У (г)
82
Глава 3
но затруднен, при высокой концентрации именно ЛД могут контролировать
положение уровня Ферми на границе раздела.
3.2. Заряд поверхностных электронных состояний
Как и в случае локализованных электронных состояний в объеме, принято
классифицировать ПЭС по их возможным зарядовым состояниям: донорные ПЭС
могут быть электронейтральными и положительно заряженными (N%,N})),
акцепторные - электронейтральными и отрицательно заряженными ()V(r), N~a).
Иногда по причинам, которые станут понятными несколько позже, термины
"донорный" или "акцепторный" заменяют на "донороподобный" или
"акцептороподобный".
В этом разделе мы рассмотрим статистику заполнения только простых
(однозарядных) доноров и акцепторов, поскольку они обычно играют
определяющую роль в электрофизических процессах на поверхности.
Рассмотрим сначала ПЭС, которые характеризуются моноэнергетическим
уровнем в запрещенной зоне Е, и концентрацией Nt (на единицу
поверхности). Будем считать, что N, не слишком велика и эффектами
взаимовлияния соседних ПЭС можно пренебречь, поэтому величина Е, не
зависит ни от концентрации, ни от степени заполнения ПЭС электронами.
В термодинамическом равновесии вероятность заполнения ПЭС подчиняется
статистике Ферми-Дирака:
Здесь п! - концентрация захваченных электронов (в расчете на единицу
поверхности), g, - "фактор вырождения", который позволяет учесть, что
простой акцептор может захватить, а простой донор отдать только один
электрон (в отличие от "зонных" состояний, способных принять
личество элекгронейтральных доноров и отрицательно заряженных акцепторов.
Если, например, энергетический уровень акцепторного состояния находится
значительно выше уровня Ферми (Е, - F > ЗкТ), концентрация отрицательно
заряженных акцепторов равна
В дальнейшем для удобства мы будем пользоваться функцией Ферми-Дирака
(3.2) в более привычной форме (gf = 1), но при этом будем иметь в виду,
что истинное положение энергетического уровня
(3.2)
на себя два электрона). Для простых акцепторов и доноров g,<о) = 2 и
g,{d) = 1/2, соответственно. Формула (3.2) описывает относительное ко-
Поверхностные электронные состояния
83
Буш - ?t +/(? ¦ in^,. Для простых доноров и акцепторов величина АГ1п g,
составляет всего = 0,7 кТ.
Специфика поверхностных состояний по сравнению с объемными состоит в том,
что положения энергетических уровней ПЭС относительно уровня Ферми
зависят от величины заряда поверхности. Если напряженность электрического
поля, создаваемого этим зарядом, значительно меньше внутриатомного,
положение Et в запрещенной зоне кристалла остается неизменным, и
