ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Поверхностные состояния и свойства полупроводников из "Люминесценция и адсорбция" Строение поверхности твердого тела и ее энергетическое состояние одинаково интересуют исследователей, работающих в самых различных областях физики и химии (технология полупроводниковых материалов и приборов, люминесценция, хемосорбция, гетерогенный катализ и т. д.). Бурное развитие полупроводниковой электроники, химии и других отраслей требует углубления наших знаний о структуре поверхности и ее взаимодействии с окружающей средой. Однако наши знания о строении поверхности твердого тела и характере процессов, протекающих на ней, еще в значительной степени скудны и часто получены косвенными методами. [c.17] НОВЫХ методов, среди которых важное место занимают экзоэлектронная эмиссия, дифракция медленных нейтронов и электронный парамагнитный резонанс. С помощью этих методов уже получены интересные результаты в обнаружении теоретически предсказанных состояний и измерении их спектра. [c.18] Некоторые данные о поверхности дает люминесценция, например катодо-, электро- и радикалолюминесценция. Известно, что и на фотолюминесценцию твердых тел состояние их поверхности оказывает значительное влияние [9, 10]. [c.18] Впервые вопрос о вкладе поверхности в энергетический спектр кристалла был рассмотрен И. Е. Таммом [11], который показал, что даже в идеальном кристалле поверхность, являющаяся обрывом кристаллической решетки, приводит к появлению в энергетической диаграмме кристалла уровней энергии, лежащих в запрещенной зоне (уровни Хамма). Им была рассмотрена одномерная модель периодического потенциала решетки типа Кронига и Пени. В дальнейшем эти результаты были обобщены на случай более сложных моделей. [c.18] Гудвин [12] рассмотрел трехмерную решетку с видом потенциала, приближающегося к реальному, и показал, что в этом случае можно ожидать появления поверхностных зон разрешенных энергий электронов, расположенных в запрещенной зоне вблизи краев разрешенных зон бесконечного кристалла. Возникновение состояний этого типа связано с отличием потенциала в элементарных ячейках кристалла, лежащих непосредственно у его поверхности, от потенциала внутри кристалла и особенно характерно для кристаллов с большой шириной запрещенной зоны [11,13]. [c.18] Результаты экспериментальных работ, проведенных с очень чистыми поверхностями германия и кремния [14], подтверждают реальность существования таммовских уровней и их роль в поверхностных процессах. [c.18] Вопрос о дефектности твердого тела и его поверхностных состояниях нас интересует в связи с люминесценцией. Поэтому, говоря о твердом теле, мы в дальнейшем будем иметь в виду в основном кристал-лофосфоры. При формировании кристаллофосфоров примеси вводятся в них искусственно как активаторы. При этом часто для введения примеси используют процесс ее диффузии в основное вещество при прокалке. Естественно, что в этом случае примесью наиболее обогащается поверхностная область кристалла. [c.19] Приготовление так называемых самоактивированных фосфоров (ZnS, ZnO, aO) связано с прокалкой основного вещества при определенной температуре в вакууме или газовой атмосфере. При этом с поверхности обычно улетучивается металлоид и образуется избыток металла, который и является в этом случае активатором. В работе [19] показано прямыми измерениями, что в приготовленном таким образом сульфиде цинка 95% свободного цинка расположено на поверхности. [c.20] Таким образом, поверхность кристалла является сложным объектом. Часть дефектов поверхности может быть заряжена, т. е. на них локализован электрон или дырка. В случае хемосорбированных частиц знак заряда определяется не только свойствами этих частиц, но и положением уровня Ферми на поверхности полупроводника [8, 20]. Суммарный поверхностный заряд определяет многие равновесные поверхностные свойства полупроводников, в том числе работу выхода электронов и поверхностную проводимость. С другой стороны, при отклонении тем или иным способом концентрации носителей заряда в полупроводнике от равновесных значений поверхностные дефекты, наряду с объемными, будут участвовать в процессах релаксации избыточных носителей заряда. [c.21] В обычных условиях на поверхности некоторых полупроводников, в частности германия и кремния, образуется слой окисла. При этом, кроме состояний, расположенных на поверхности самого полупроводника (внутренние, или быстрые, состояния), имеются и другие поверхностные состояния — на внешней стороне окисла (внешние, или медленные, состояния). Термины быстрые и медленные связаны с тем, что времена перехода электронов из объемных энергетических зон на них резко различны и составляют менее 10 сек для быстрых и более сек для медленных состояний. Энергия и концентрация медленных состояний изменяются в широких пределах при изменении окружающей газовой среды. Обычно их концентрация порядка Ю см 2. Концентрация быстрых состояний значительно меньше, причем имеется несколько типов быстрых состояний. [c.21] Изменение концентраций дырок и электронов в области пространственного заряда, однозначно определяющее величину ф5, приводит к изменению проводимости приповерхностного слоя. Так, у поверхности полупроводника п-типа при фв 0 скапливаются электроны (обогащенный слой) и проводимость образца увеличивается. При фв 0 концентрация электронов вблизи поверхности уменьшается и проводимость образца падает (обедненный слой). Одновременно в приповерхностном слое растет концентрация дырок. При некотором значении фз концентрация дырок у поверхности начинает превышать концентрацию электронов в объеме и проводимость начинает расти (инверсионный слой). При этом изгиб зон оказывается столь большим, что валентная зона становится ближе к уровню Ферми, чем зона проводимости. [c.22] В большинстве полупроводников рекомбинация электронов и дырок происходит главным образом через примесные центры. Поэтому на поверхности, где сконцентрировано большое число дефектов, рекомбинация происходит очень интенсивно. Изменяя фв, можно влиять на скорость поверхностной рекомбинации. [c.23] Особенностью поверхности полупроводника является тесная связь происходяших на ней физических процессов с химическими концентрация и положение поверхностных уровней изменяются при адсорбции чужеродных атомов на поверхности и химических реакциях на ней. Б то же время скорость самих реакций и адсорбции определяются в значительной степени концентрацией носителей у поверхности и поверхностными состояниями. [c.23] Вернуться к основной статье