Поверхностной рекомбинации

Последовательное удаление слоев. Обычный способ измерения распределения удельного сопротивления по толщине слоя основан на лоследовательном удалении с исследуемого образца очень тонких параллельных слоев. Рассмотрим этот способ применительно к диффузионному слою, изолированному р-л-переходом ( 1.7). Пусть удельная проводимость слоя зависит от координаты у. На слое выполнены измерения поверхностной проводимости четырех-зондовым методом:

поверхностной проводимости:

гут быть учтены введением соответствующей поправочной функции. Средняя удельная проводимость удаленного слоя Oi=(ani—оП2)/Аш = Ла,11/Аш. Проводя измерения поверхностной проводимости после каждой последующей операции удаления слоя толщиной Дш, можно определить зависимость о (у). Ее можно вычислить по углу наклона зависимости аа(у)'-

измерения поверхностной проводимости и координаты у. Поэтому используют следующий прием. Сначала наносят экспериментальные точки в координатах 1поп(у) от у, затем проводят плавную кривую по методу наименьших квадратов и вычисляют а(у):

Влияние поверхностной проводимости. При измерении удельного сопротивления и других параметров тонких полупроводниковых слоев, толщина которых соизмерима с дебаевской длиной экранирования, необходимо учитывать наличие на их псверхности обедненных или обогащенных слоев, удельная проводимость которых отличается от удельной проводимости объема полупроводника (см. § 5.1). Возникновение этих слоев обусловлено существованием вблизи поверхности полупроводника области пространственного заряда, которая определяется приповерхностным изгибом энергетических зон и характеризуется положением уровкя Ферми на поверхности и в объеме полупроводника. Проводимость слоя объемного заряда вдоль поверхности называют поверхностной проводимостью Дал- Поверхностная проводимость обусловлена избыточной (по сравнению с объемной) концентрацией электронов Ал(у) и дырок Др(у) в приповерхностном слое:

Как известно, поверхностный потенциал реальной поверхности полупроводников мало зависит от типа электропроводности и концентрации легирующей примеси и определяется химическим составом окружающей среды и характером обработки поверхности. Поэтому с течением времени поверхностный потенциал стабилизируется. Например, как показывают результаты исследований, на воздухе в результате роста естественного слоя оксида на свежей поверхности эпитаксиального слоя кремния поверхностный потенциал изменяется: для кремния «-типа первоначальный изгиб зон, не превышающий 4kT, после длительной выдержки на воздухе увеличивается до (18 — 20) kT; толщина обедненной области пространственного заряда приближается к своему максимальному значению; для кремния р-типа изгиб зон от (22 — 25)kT, что соответствует сильному обеднению приповерхностной области основными носителями заряда, уменьшается до значения, не превышающего 2kT. Таким образом, составляющая систематической погрешности при измерении удельного сопротивления после длительной выдержки эпитаксиальной структуры на воздухе, обусловленная влиянием избыточной поверхностной проводимости, невелика для кремния р-типа и возрастает для кремния л-типа. Рассмотренный пример относится к кремнию n-типа с р=0,1-=-16 Ом-см и р-типа с р<50 Ом-см.

где On и — измеренное значение поверхностной проводимости слоя толщиной w. Тогда измеренное значение удельной проводимости слоя

Рассмотрим эксперимент с удалением /-го слоя. Измерение поверхностной проводимости перед и после удаления /-го слоя позволяет найти поверхностную проводимость удаленного слоя:

Если толщина удаленного слоя достаточно мала, то вычисленные по (2.34) и (2.35) значения совпадают с локальными концентрацией и подвижностью носителей заряда. Многократно удаляя поверхностный слой и выполняя измерения ЭДС Холла и поверхностной проводимости, можно определить зависимость концентрации и подвижности носителей заряда от координаты г. В случае полной ионизации доноров и акцепторов концентрация

При приложении внешнего электрического поля перпендикулярно поверхности полупроводника происходит изменение электростатического потенциала поверхности, объемного заряда, поверхностной проводимости и емкости, причем Qn становится отличным от нуля.

Определение распределения концентрации носителей заряда в соответствии с (5.34) и (5.35) совместно с измерением поверхностной проводимости позволяет найти распределение подвижности носителей заряда по толщине образца, т. е. профиль подвижности носителей заряда.

3. Избыточные шумы обусловлены поверхностными явлениями и имеют шумовую мощность, обратно пропорциональную частоте, поэтому их иногда называют шумами типа 1//. С ростом частоты мощность этих шумов падает, и при частоте свыше 5 кГц их влиянием можно пренебречь. При низких (звуковых и инфразвуковых) частотах интенсивность избыточных шумов резко возрастает. В области коллекторного перехода они зависят от флуктуации поверхностной утечки, а следовательно, от толщины перехода и коллекторного напряжения. В области эмиттерного перехода этот шум обусловлен флуктуациями поверхностной рекомбинации инжектированных носителей, поэтому он зависит от тока эмиттера.

Поскольку эффективность работы эмиттера пропорциональна концентрации примесей в его области, а в горизонтальной структуре транзистора наиболее легированная часть эмиттера, а также минимальная ширина базы находятся вблизи поверхности, большая часть носителей, достигающая коллектора, сконцентрирована вблизи поверхности. Вследствие этого при работе в микрорежимах, когда значение поверхностной рекомбинации носителей заряда особенно велико, происходит более резкое снижение коэффициента усиления, чем в обычных вертикальных транзисторах.

скорости поверхностной рекомбинации.

Работа либо в области насыщения, либо в области отсечки присуща импульсным и логическим схемам. При этом оба режима называют ключевыми. Важными параметрами ключевого режима транзистора считаются время нарастания тока коллектора, определяемое конечной скоростью накопления избыточного заряда в толще базы, и время рассасывания, определяемое инерционностью объемной и поверхностной рекомбинации носителей заряда. Для транзисторов широкого применения эти параметры не превышают 200—300 не, но могут быть снижены на один-два порядка специальными технологическими приемами.

Спад спектральной характеристики при малых значениях X обусловлен уменьшением глубины проникновения квантов света и увеличением поверхностной рекомбинации. При больших значениях X энергия квантов меньше ширины запрещенной зоны и недостаточна для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приводит также к уменьшению фототока.

Из (2.25) видно, что Sn и Sp выражают относительную долю избыточных носителей заряда, ежесекундно рекомбинирующих в единице площади поверхности полупроводника, эти коэффициенты имеют размерность скерости и называются скоростями поверхностной рекомбинации электронов и дырок. Связь между скоростью поверхностной рекомбинации и временем жизни т в общем случае установить трудно, найдены решения этой задачи только для частных случаев.

Основное внимание в книге уделено методам измерения удельной электрической проводимости, концентрации носителей заряда и легирующих примесей, подвижности основных и неосновных носителей заряда, коэффициента диффузии, диффузионной длины и объемного времени жизни неосновных носителей заряда, объемного генерационного времени неравновесных носителей наряда, скорости поверхностной рекомбинации, параметров глубоких уровней чл некоторых других параметров.

проводниковые материалы, составляют их электрофизические параметры. К ним относятся концентрации основных и неосновных носителей заряда, подвижности и коэффициенты диффузии основных и неосновных носителей заряда, объемное и поверхностное время жизни неравновесных носителей заряда, диффузионная длина неосновных носителей заряда, скорость поверхностной рекомбинации, концентрации донорных и акцепторных примесей, объемное генерационное время неравновесных носителей заряда, параметры глубоких уровней. Кроме того, все полупроводниковые материалы характеризуют удельным электрическим сопротивлением (удельной электрической проводимостью).

К параметрам неравновесных носителей заряда относятся время жизни, амбиполярная дрейфовая подвижность, амбиполярный коэффициент диффузии, диффузионная длина и скорость поверхностной рекомбинации.

Скорость поверхностной рекомбинации. Условия на поверхности полупроводника влияют на характер распределения неравновесных носителей заряда вследствие процесса поверхностной рекомбинации. В неравновесном состоянии существует диффузионный поток неравновесных носителей заряда к поверхности, которые рекомбинируют на поверхности образца. Этот поток, направленный к поверхности, полагают пропорциональным

где s — коэффициент пропорциональности, называемый скоростью поверхностной рекомбинации. Это соотношение используют в качестве граничного условия совместно с уравнением непрерывности (3.7). Скорость поверхностной рекомбинации зависит от условий обработки поверхности, а также от внешних услозий. Она может изменяться в широких пределах, для кремния, например, ее значение лежит в пределах от единицы до 106 см/с.