Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
источником ионов является металлический электрод. Согласно данным ЭОС,
МСВИ и POP наиболее распространенным типом ионов в кремниевых структурах
являются ионы Na+, обладающие достаточно высокой подвижностью. Большая
часть ионов находится в связанном состоянии, образуя ионные соединения с
мостиковым кислородом (рис.6.8,в) типа Na+ О--Si \. Распределение таких
ионов имеет максимумы у внешней свободной поверхности и на межфазной
границе (Литовченко, Романова, 1978). Примесные атомы
трехкоординированного ?АГ изоморфно замещают атомы Si - рис.6.8,е.
Примесные связанные ионы изменяют пороги оптического заряжения структур
диэлектрик-полупроводник и даже меняют его знак.
Другая часть ионов, особенно легких (Н+, Li+, Na+) сохраняет свою
подвижность в оксиде. Они вносят определенный вклад в перенос заряда при
функционировании приборов на основе МДП-структур, в частности, в
гистерезисные явления.
6.3.2. Медленные электронные состояния межфазной границы (МСГ). Эта
группа состояний наиболее типична для реальных поверхностей
полупроводников, находящихся в контакте с атмосферой. В присутствии
адсорбированных молекул концентрация МСГ (N$s) может достигать 1013-1014
см'2, что на несколько порядков выше концентрации быстрых состояний (БС).
При отсутствии заметного заряда в окисной пленке заряд МСГ часто
определяет суммарный заряд поверхности Qs¦ Как уже упоминалось в п.2.4.2,
характеристическое время релаксации заряда в МСГ колеблется от секунд до
часов и сильно зависит от природы и концентрации адсорбированных молекул.
Многочисленные эксперименты по заряжению различных полупроводников при
адсорбции широкого круга донорных и акцепторных молекул показывают, что
по крайней мере значительная часть МСГ имеет адсорбционное происхождение
(АПЭС).
Большие времена релаксации МСГ ts делают практически невозможным
исследование их энергетического спектра методом равновесного эффекта
поля, поэтому для определения электрофизических параметров МСГ используют
исключительно кинетические методы. С этой целью система МСГ каким-либо
способом - например, приложением поперченного электрического поля -
выводится из равновесия и исследуется кинетика их перезарядки.
Уже первые эксперименты показали, что релаксация избыточного заряда МСГ
AQss после снятия возмущения неэкспоненциальна даже при малых отклонениях
от равновесия и может быть описана эмпирической формулой Коца
Д Qss (0 = Д Qss (0) ¦ ехр|- (t/rs )а J, (6.4)
Природа реальных поверхностей и межфазных границ
193
(6.5)
и-и
Параметр а обычно (для Ge и Si) принимает значения от 0,3 до 0,6.
Постоянная времени т5 уменьшается с ростом температуры по закону:
т5 = iso ехр(Д?т/*:Г).
Эффективная энергия активации Д?, как правило находится в пределах 0,3-
0,6 эВ. Сильная зависимость темпа перезарядки МСГ от температуры и
большие величины xs свидетельствуют о том, что при изменении зарядового
состояния медленной ловушки преодолевается потенциальный барьер. Оставим
пока в стороне вопрос о природе этого барьера.
На однородных участках поверхности кинетика релаксации заряда МСГ при
небольших отклонениях от равновесия экспоненциальна
Д<7(Г,т) = Д<70(т) ехр(- Г/т), (6.6)
где Д<70(т) и Л<7о(Лт) - избыточный заряд МСГ на однородном участке
поверхности в начальный и произвольный моменты времени. При туннельном
или надбарьерном механизме переноса носителей заряда через барьер т = т0
ехр U , где То - константа (ть*1 - т.н. "частотный фактор"), U - W/kT или
d/do при активационном и туннельном переносе; W и d - высота и ширина
потенциального барьера, соответственно. Для барьера прямоугольной формы
d0 = ti/yjSm'iV; h - постоянная Планка, m* - эффективная масса электрона.
На неоднородной поверхности высота и ширина барьера могут флуктуировать.
Предположим, что реализуется гауссово распределение барьеров по U
(рис.6.9,о):
ъю)
Рис.6.9. а. Гауссовские распределения g(U); 6. соответствующие функции
#(т); в. кинетические кривые медленной релаксации заряда. Числа на
графике указывают величину параметра (5 в соотношении (6.7). Пунктирные
линии (а) - распределения g(U), полученные графическим дифференцированием
кинетических кривых (в) [27]
194
Глава 6
--\2
g(U) =
Рл/2тс
exp
[и-и)
2р
(6.7)
Здесь U - средняя величина U, р - стандартное отклонение U. Из
соотношения (6.7) следует, что функция распределения по временам
релаксации имеет вид
g{ т) = g{U{x%dU/dx\ = ^==ехр
1п(т/т)
2р
(6.8)
где х = т0 exp U . Кинетика изменения величины избыточного заряда МСГ на
неоднородной поверхности AQssit) может быть получена суммированием
"элементарных" релаксационных кривых
AQss(0 - jexP(- t/x)g(x)dx. (6.9)
о
Вид функций g(x) и AQssit), соответствующих разным значениям параметра р,
показан на рис.6.9,6 и в. Видно, что чем более не-
Рис.6.10. Кинетические кривые медленной релаксации, соответствующие
гауссовскому распределению g(U). Величина параметра Р в соотношении
(6.7): 0,71 (1); 1 (2); 1,41 (3); 2 (4); 2,5 (5); 3 (6) [27]
