Полупроводника вследствие

Обедненная область появляется в случае, когда на поверхности полупроводника возникает заряд, по знаку совпадающий с основными носителями заряда, а по значению не настолько большой, чтобы вызвать пересечение кривой, соответствующей середине запрещенной зоны $it с уровнем Ферми SF ( 2.12, а). Вызванный зарядом на поверхности изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике п-типа и до потолка вален-тнбй. зоны в полупроводнике р-типа. Увеличение этого расстояния сопровождается обед-

Инверсная область в приповерхностном слое полупроводника возникает при высокой плотности поверхностного заряда, по знаку совпадающего с основными носителями заряда ( 2.12, б). Кривая, соответствующая середине запрещенной зоны Si, в этом случае пересекает уровень Ферми и располагается выше его в полупроводнике n-типа и ниже — в полупроводнике р-типа. Расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости. Вследствие этого концентрация неосновных для полупроводника n-типа носителей заряда — дырок в приповерхностном слое оказывается выше концентрации основных носителей заряда — электронов, и тип электропроводности в нем изменяется. В полупроводнике /э-типа расстояние от уровня SF до дна зоны проводимости оказывается меньше расстояния до потолка валентной зоны, вследствие чего концентрация неосновных носителей заряда — электронов в приповерхностном слое оказывается выше концентрации основных носителей заряда — дырок, и тип электропроводности в нем изменяется. Описанное явление называется инверсией, а слои, в которых оно имеет место,— инверсными.

Если излучение полупроводника возникает в результате непосредственной рекомбинации электрона с дыркой или рекомбинации через локальный центр, то излучение называют рекомбинационным. Вещества, обнаруживающие ре-комбинационную люминесценцию, называют кристаплофорами или просто фосфорами. Практически все типичные фосфоры являются полупроводниками.

Характер распределения примесных ионов в значительной степени зависит от присутствия каналированных пучков. Обычно на большой глубине от поверхности полупроводника возникает второй максимум, оказывающий нежелательное влияние на свойства формируемого профиля. Исключение или ослабление эффекта ка-налирования достигается путем соответствующей разориентации подложки или выбором необходимого угла падения пучка относительно главных кристаллографических направлений.

Поверхностная емкость определяется поверхностными состояниями полупроводника, которые могут отдавать в его объем электроны и захватывать дырки или, наоборот, захватывать электроны и отдавать дырки. В первом случае на поверхности полупроводника возникает положительный заряд, во втором — отрицательный. В обоих случаях поверхностный заряд индуцирует в приповерхностной области полупроводника заряд противоположного знака. Этими слоями зарядов и обусловлено возникновение поверхностной емкости полупроводниковой подложки Cs, которая определяется соотношением

С точки зрения зонной теории, собственная электропроводность полупроводника возникает при переходе части электронов из валентной зоны в зону проводимости ( 1.4, а).

знака носителей, или правилом левой руки, относящимся к техническому направлению тока. В результате смещения движущихся электронов между боковыми гранями пластинки полупроводника возникает ЭДС Холла.

Поверхностная емкость определяется поверхностными состояниями полупроводника, которые могут отдавать в его объем электроны и захватывать дырки или, наоборот, захватывать электроны и отдавать дырки. В первом случае на поверхности полупроводника возникает положительный заряд, во втором — отрицательный.

Обедненная область появляется в том случае, когда на поверхности полупроводника возникает поверхностный заряд, по знаку совпадающий со знаком основных носителей тока ( 8.31, а, г). Вызванный таким зарядом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике и-типали до вершины валентной зоны в полупроводнике р-типа. Увеличение этого расстояния сопровождается обеднением

Изменять заряжение поверхностности полупроводника можно посредством внешнего электрического поля. На 8.34, а приведена принципиальная схема прибора, предназначенного для этой цели. На одну сторону полупроводниковой пластины Я напыляется омический контакт Э, второй электрод М прижимается к противоположной стороне пластины через тонкий слой диэлектрика Д. На электроды подается внешняя разность потенциалов от источника V. Меняя величину и знак потенциалов на электродах Э и М, можно в широких пределах изменять величину и знак заряда, индуцируемого-на поверхности полупроводника, прижатой к электроду М. На 8.34, б показан изгиб зон у поверхности n-полупроводника и. обогащение приповерхностного слоя электронами, вызванное внешним полем и приводящее к повышению поверхностной проводимости полупроводника. При противоположной полярности поля в приповерхностном слое полупроводника возникает обеднение ( 8.34, в) и инверсия ( 8.34, г).

В состоянии обогащения ( 8,34, б) в тонком приповерхностном слое полупроводника возникает заряд Qs притянутых электронов, по величине равный индуцирующему заряду QM, локализованному на металлической пленке М (нижняя часть 8.34, б). С увеличением напряжения толщина заряженного слоя сохраняется практически неизменной и рост заряда Qs происходит в основном за счет повышения объемной плотности, которая может меняться фактически неограниченно. Поэтому емкость структуры почти не зависит от приложенного напряжения.

Под электронными (га-полупроводниками) понимают полупроводники типа германия, кремния, селена, карбида кремния, арсенида галлия и т. д., в которые искусственно введены атомы донорных примесей, имеющих валентность большую, чем валентность полупроводника. При этом атомы примеси отдают один из валентных электронов, который становится электроном проводимости и способен переносить электрический ток. В дырочных (р-проводниках) атомы примеси (акцепторы) имеют валентность меньшую, чем атомы полупроводника, вследствие этого отбирают у них один из валентных электронов, образуя дырку — свободное место, вакансию, способную перемещаться по полупроводнику и тем самым переносить электрический ток. Преимущество полупроводников с примесной проводимостью — возможность сделать электропроводимость любой (от самой низкой до самой высокой) изменением числа вводимых в полупроводник атомов примеси.

Под действием светового потока, проникающего через полупрозрачный электрод и тонкий слой n-полупроводника, вследствие фотоэффекта в /^-полупроводнике образуется повышенная концентрация электронно-дырочных пар. Электроны увлекаются потенциальным барьером на границе р—п перехода и беспрепятственно проникают в слой n-полупроводника, заряжая его отрицательно, а дырки, оставшиеся в /^-полупроводнике, заряжают его положительно. В результате этого процесса между электродами возникает разность потенциалов, значение которой зависит от интенсивности светового потока и интегральной чувствительности фотоэлемента.

Поверхностная рекомбинация является разновидностью рекомбинации через ловушки. На поверхности кристалла полупроводника вследствие нарушения кристаллической структуры образуются .так называемые поверхностные состояния с энергетическими уровнями, лежащими в запрещенной зоне. Поверхностные состояния возникают также в'результате окисления поверхности и адсорбции атомов посторонних веществ. Эти атомы могут играть роль доноров или акцепторов. Присоединяя и ли отдавая электроны,

заны пунктиром. Разность потенциалов на р-п переходе изменяется от нуля у области истока до напряжения — ?/си вблизи стока. Таким образом, р-п переход почти на всем его протяжении находится под обратным напряжением и движение основных носителей через переход отсутствует. Это условие остается справедливым для любой полярности напряжения на затворе, изолированном пленкой диэлектрика от кристалла полупроводника. Вследствие этого МДП транзистор со встроенным каналом может работать как при отрицательном, так и при положительном напряжении на затворе, в то время как в транзисторе с управляющим р-п переходом напряжение между затвором и кристаллом (на р-п переходе) должно всегда быть обратным. В соответствии •с этими отличиями видоизменяются и характеристики прибора ( 13-9).

В re-полупроводнике такая зона перекрывается с зоной проводимости, а в р-полупроводнике — с валентной зоной ( 9-5). Вследствие этого уровень Ферми в д-полупроводниках с высокой концентрацией примесей лежит выше уровня Ес, а в р-полупро-водниках ниже уровня Ev. В результате этого в пределах энергетического интервала ДЯ = = Е„ — Ес ( 15-12) любому энергетическому уровню в зоне проводимости ге-полупроводника может соответствовать такой же энергетический уровень за потенциальным барьером, т. е. в валентной зоне р-полупроводника. Вследствие высокой концентрации примесей электронно-дырочный переход получается очень узким (I ss: 0,02 мкм). Таким образом, частицы в п- и р-полупроводника х с энергетическими состояниями в пределах интервала &Е разделены узким (/) и высоким (<рк) потенциальным барьером. В валентной зоне р-полупроводника и в зоне проводимости п-полупроводника часть энергетических состояний в интервале АЕ свободна. Следовательно, через такой узкий потенциальный барьер, по обе стороны которого имеются незанятые энергетические уровни, возможно туннельное движение частиц. Понятно, что при приближении к барьеру частицы испытывают отражение и возвращаются в большинстве случаев обратно, но вс& же вероятность обнаружения частицы за барьером в результате туннельного перехода отлична от нуля и плотность туннельного тока /( Ф- 0. Токи в туннельном диоде. В состоянии равновесия (в отсутствие внешнего напряжения) суммарный ток "через переход равен нулю. Но вместо условия равновесия для обычного р-n перехода (10-5).

Физические явления, возникающие у поверхности полупроводникового кристалла, существенно влияют на энергетическое состояние носителей заряда вблизи поверхности. Это объясняется тремя основными причинами: нарушением распределения потенциала кристаллической решетки полупроводника вследствие его обрыва у поверхности; наличием нескомпенсированных валентных связей у поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за всевозможных поверхностных дефектов структуры кристалла. В результате потенциальный барьер пограничных атомов отличается от потенциального барьера атомов внутри кристалла.

Поверхностная рекомбинация является разновидностью рекомбинации через ловушки. На поверхности кристалла полупроводника вследствие нарушения кристаллической структуры образуются .так называемые поверхностные состояния с энергетическими уровнями, лежащими в запрещенной зоне. Поверхностные состояния возникают также в'результате окисления поверхности и адсорбции атомов посторонних веществ. Эти атомы могут играть роль доноров или акцепторов. Присоединяя и ли отдавая электроны,

заны пунктиром. Разность потенциалов на р-п переходе изменяется от нуля у области истока до напряжения — ?/си вблизи стока. Таким образом, р-п переход почти на всем его протяжении находится под обратным напряжением и движение основных носителей через переход отсутствует. Это условие остается справедливым для любой полярности напряжения на затворе, изолированном пленкой диэлектрика от кристалла полупроводника. Вследствие этого МДП транзистор со встроенным каналом может работать как при отрицательном, так и при положительном напряжении на затворе, в то время как в транзисторе с управляющим р-п переходом напряжение между затвором и кристаллом (на р-п переходе) должно всегда быть обратным. В соответствии •с этими отличиями видоизменяются и характеристики прибора ( 13-9).

В re-полупроводнике такая зона перекрывается с зоной проводимости, а в р-полупроводнике — с валентной зоной ( 9-5). Вследствие этого уровень Ферми в д-полупроводниках с высокой концентрацией примесей лежит выше уровня Ес, а в р-полупро-водниках ниже уровня Ev. В результате этого в пределах энергетического интервала ДЯ = = Е„ — Ес ( 15-12) любому энергетическому уровню в зоне проводимости ге-полупроводника может соответствовать такой же энергетический уровень за потенциальным барьером, т. е. в валентной зоне р-полупроводника. Вследствие высокой концентрации примесей электронно-дырочный переход получается очень узким (I ss: 0,02 мкм). Таким образом, частицы в п- и р-полупроводника х с энергетическими состояниями в пределах интервала &Е разделены узким (/) и высоким (<рк) потенциальным барьером. В валентной зоне р-полупроводника и в зоне проводимости п-полупроводника часть энергетических состояний в интервале АЕ свободна. Следовательно, через такой узкий потенциальный барьер, по обе стороны которого имеются незанятые энергетические уровни, возможно туннельное движение частиц. Понятно, что при приближении к барьеру частицы испытывают отражение и возвращаются в большинстве случаев обратно, но вс& же вероятность обнаружения частицы за барьером в результате туннельного перехода отлична от нуля и плотность туннельного тока /( Ф- 0. Токи в туннельном диоде. В состоянии равновесия (в отсутствие внешнего напряжения) суммарный ток "через переход равен нулю. Но вместо условия равновесия для обычного р-n перехода (10-5).

Примеси внедрения. Структуры типа алмаза. Тип электропроводности определяется размерами и электроотрицательностью примесных атомов, внедряющихся в междоузлия решеток полупроводников IV группы периодической системы. Эксперимент показывает, что, в противоречие с указанным выше правилом валентности, литий (I группа), внедряясь в междоузлия решетки германия, будет донором, а кислород (VI группа) — акцептором. Внедрение большого по размерам атома лития в тесные междоузлия решетки германия оказывается возможным только после его ионизации вследствие слабой связи валентного электрона, легко отрывающегося от своего атома в среде с большой диэлектрической проницаемостью (ел германия-16). Образовавшийся ион лития меньших размеров может уже внедряться в тесные междоузлия решетки, а освободившийся электрон обусловливает электропроводность n-типа. Внедрение в междоузлия решетки полупроводника атомов кислорода, имеющих сравнительно небольшие размеры и большую электроотрицательность, приводит к захватам электронов из атомов полупроводника, вследствие чего возникает электропроводность /7-типа. Если атом Ge или Si под влиянием энергетического воздействия перебрасывается в междоузлие, то образуются два примесных уровня: донорный внедренного атома и акцепторный пустого узла.

Пробой р- й-перехода. Характеристикой, чувствительной к •состоянию поверхности полупроводника, является и величина про-•бивного напряжения. На 8.37, б показан несимметричный р — л-переход с высокоомной р-областыо. При отрицательном заряжении поверхностных состояний у поверхности р-области образуется ^обогащенный слой, вызывающий уменьшение толщины перехода dUOE в приповерхностном слое. При приложении к переходу обратного смещения напряженность поля у поверхности, где переход сужен, окажется выше, чем в объеме полупроводника, вследствие чего более вероятным становится поверхностный пробой. Таким -образом, заряжение поверхности может вызывать понижение пробивного напряжения.