Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
1 Здесь автор допускает ошибку. Результаты эксперимента Шокли, трактуемые
в рамках модели, которая учитывала наличие поверхностного заряда, были
опубликованы в статье Schockley W., Pearson G. L., Physical Review, 1948,
74, 232. - Прим. ред.
2 Понятие поверхностных состояний было введено несколькими годами раньше
И. Таммом в СССР (удостоенным впоследствии Нобелевской премии за работы в
области испускания электромагнитного излучения частицами, быстро
движущимися в веществе), а затем изучено многими исследователями, в
первую очередь Шокли.
179
водника и его поверхностью, необходимое для выпрямления, является
свойством полупроводника и его поверхности независимо от наличия контакта
с металлом".
Это предположение не только объясняло независимость выпрямляющего
действия контакта от природы металла. Оно объясняло также неудачу
исследователей при попытке объяснить эффект воздействия поля эффективной
экранировкой внутренней части полупроводника электронами в поверхностных
состояниях.
Рис. 9 3 Схема уровней энергии для состояний на и вблизи поверхности
полупроводника, учитывающая поверхностные состояния [Phys.
Rev., 71 (1947), стр. 722, рис. 3].
Основные качественные черты теории помогает понять рис. 9.3.
"Низшее состояние (дно) зоны проводимости и высшее состояние (потолок)
заполненной валентной зоны полупроводника разделены энергетической щелью
е?. Предполагается, что распределение поверхностных состояний таково, что
они не дают суммарного заряда, если они заполнены до уровня е0,
находящегося ниже зоны проводимости. Поскольку уровень Ферми пересекает
поверхность выше уровня ео, поверхность будет заряжена отрицательно.
Соответствующий заряд обусловлен электронами, находящимися в состояниях
между е0 и уровнем Ферми. Рисунок относится к полупроводнику с избытком
электронов. [Сноска авторов к этой фразе гласит: "Такой полупроводник,
по-видимому, проще рас-
180
сматривать, чем полупроводник, обедненный электронами. Впрочем, все
результаты, полученные для одного случая, применимы и для другого при
соответствующем изменении знаков носителей зарядов".] В объеме
полупроводника уровень Ферми равен энергии ? и располагается ниже зоны
проводимости. Область объемного заряда простирается в глубь
полупроводника примерно на расстояние I и приводит к росту потенциальной
энергии на поверхности на величину <р0.
Величина и протяженность объемного заряда внутрь от свободной поверхности
определяется плотностью поверхностных состояний. При нулевом внешнем поле
положительный объемный заряд повышает потенциал поверхности на величину,
достаточную для компенсации отрицательного поверхностного заряда. Чем
больше область положительного объемного заряда, тем выше <ро и тем меньше
отрицательный заряд поверхностных состояний. При некотором значении фо
обе величины сравняются, и это значение будет равновесным".
Хотя в пользу этой теории свидетельствовали некоторые уже известные
факты, желательно было иметь новые экспериментальные подтверждения. Один
из экспериментов основывался на предположении о том, что число
поверхностных состояний на единицу энергии должно быть примерно
пропорционально концентрации донорных или акцепторных состояний;
следовательно, равновесное значение фо, а следовательно, и контактный
потенциал проводника также должны зависеть от концентрации доноров или
акцепторов. Это предположение было проверено в работе Браттейна и Шокли,
результаты которой были опубликованы в письмах'в редакцию журнала The
Physical Review.
"Были измерены контактные потенциалы некоторых поверхностей кремния п- и
p-типов. Число донорных и акцепторных примесей в каждом образце
определялось по измерениям электрической проводимости и постоянной Холла
h Была обнаружена корреляция между концентрацией примеси и контактным
потенциалом. Каждая
1 Постоянная Холла - это коэффициент пропорциональности между величиной
поперечного электрического поля, возникающего в эффекте Холла (см. прим.
на стр. 170), и произведением плотности тока и магнитного поля, Е - Ян\Н.
Величина Ян обратно пропорциональна концентрации носителей.
181
поверхность обрабатывалась так, что была плоской, я затем слегка
шлифовалась порошком карбида кремния при помощи пескоструйного аппарата.
Контактный потенциал измерялся в воздухе, в вакууме после отжига при
400°С, в азоте высокой чистоты и затем снова в воздухе. Результаты
приведены в табл. [9.1]. Электрод сравнения был сделан из платины,
величина работы выхода которой, по-видимому, находится между 4 и 5 эВ. В
таблице приведены средние данные по нескольким измерениям, имеющие
точность порядка 0,02 В.
Таблица 91 Контактные потенциалы (В) для некоторых кремниевых
полупроводниковых образцов после различной обработки их поверхности
[Phys. Rev., 72, стр. 345, табл. 1 (1947)]
Тип полупроводника Концентрация прн-месеп ,V/cMf В воздухе посте
очистки песком В вакууме после термообработки После пребывания в
атмосфере азота После пребывания в воздухе
