Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
может быть настолько значительным, что валентная зона окажется ближе к
уровню Ферми, чем зона проводимости. Тогда вблизи поверхности образуется
слой с преобладающей проводимостью p-типа. Если валентная зона окажется
при этом очень близко от уровня Ферми, то концентрация дырок может стать
весьма высокой. Слои такого типа называют инверсными; энергетическая
схема такого слоя изображена на рис. 7.15. Подобные слои играют важную
роль в технологии полупроводников. Например, слой р-типа на поверхности
образца с р-n-переходом существенным образом меняет характеристики
перехода.
Интересно отметить, что именно изучение Бардином [27] поверхностных
состояний привело к открытию транзисторов. Бардин пришел к выводу, что
для объяснения того факта, что выпрямляющие свойства контакта металл -
полупроводник почти не зависят от
7. Диффузия влектронов и дырок
255
свойств металла, но очень сильно зависят от обработки поверхности
полупроводника, необходимо допустить существование поверхностных
состояний. Он показал также, что подобные состояния объясняют результаты,
полученные при исследовании явления, известного под названием эффекта
поля, которое будет рассмотрено ниже. Эти соображения привели к
представлению об инверсном слое, а затем и к понятию об инжекции дырок.
7.11.1. ЭФФЕКТ ПОЛЯ
Если одной из обкладок плоскопараллельного конденсатора является
пластинка из полупроводника n-типа, а другой - металлическая пластинка и
если металлическая пластинка заряжена положительно, то полупроводник
должен зарядиться отрицательно, т. е. в нем должны появиться избыточные
электроны. Можно ожидать, что эти электроны, как и электроны, нормально
заполняющие зону проводимости, будут принимать участие в проводимости.
Таким образом, при зарядке конденсатора должно наблюдаться увеличение
проводимости полупроводника. Эксперимент такого рода был осуществлен в
1948 г. Шокли и Пирсоном [28] в лаборатории фирмы "Белл телефон" (США) и
оказался решающим шагом на пути к изобретению транзистора 1(. Искомый
эффект был обнаружен, но его величина оказалась на порядок меньше
ожидаемой. Чтобы объяснить это, Бардин предположил, что 90% избыточных
электронов захватываются поверхностными состояниями и поэтому лишены
возможности участвовать в проводимости
Эффект поля стал мощным средством исследования поверхностных свойств
полупроводников. Установлено, что изменение проводимости при наложении
перпендикулярного поверхности электрического поля сильно зависит от
поверхностного потенциала <р3 и может быть как положительным, так и
отрицательным. Более того, установлено, что это изменение не остается
постоянным во времени; хотя поле и не выключается, но проводимость
постепенно, с постоянной времени Tf возвращается к первоначальной
величине. Большая часть опубликованных работ, посвященных этому эффекту,
относится преимущественно к исследованию поверхности кристаллов германия
и кремния. Исчерпывающий анализ использования эффекта поля для
определения различных параметров поверхности дан Лоу 129]. Ряд обзорных
статей, относящихся к данной проблеме, вышел под редакцией Кингстона
130]. Обзор результатов исследований эффекта поля составил также Годфрой
131]. Основной результат этих исследований сводится к тому, что, по-
видимому, бывает два
J> Эти эксперименты имели решающее значение для открытия полевого
транзистора.- Прим. ред.
Интересные сведения о роли, которую сыграл эффект поля на ранней стадии
исследования транзисторов, приведены в §2.1 книги Шокли [7].
256
7. Диффузия электронов и дырок
разных типа поверхностных состояний полупроводников; эти состояния
характеризуются совершенно различными значениями Tj. Состояния, известные
под названием "медленных", характеризуются величинами т(, лежащими в
пределах от нескольких секунд до многих минут; они локализованы, по-
видимому, на внешней поверхности слоя окисла полупроводника, и большая
величина т{ обусловлена временем, затрачиваемым электроном на прохождение
через этот слой 1). Эти состояния подробно исследовал Моррисон (см. [30],
стр. 169). Другому типу состояний, известных под названием "быстрых",
соответствуют времена т{ в пределах от нескольких микросекунд до
нескольких миллисекунд. Состояния локализованы, по-видимому-, на границе
раздела между слоем окисла и полупроводником. Именно эти состояния
главным образом и ответственны за рекомбинацию электронов и дырок на
поверхности ?> (см. разд. 9.8). Электрохимия поверхности и влияние
травления на поверхностные состояния рассматривались в ряде работ
различных авторов 134].
Инверсные слои на поверхности полупроводников играют важную роль,
поскольку определяют поведение поверхности в сильных электрических полях
вплоть до пробоя. Этот вопрос изучали Гарретт и Браттейн [35], которые
показали, что пробой обусловлен процессами лавинного размножения
носителей заряда и что он сильно зависит от величины поверхностного
потенциала.
Электрические свойства поверхностей полупроводников, в том числе и эффект
