Электропроводность твердых тел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Новосибирский государственный технический университет

Реферат

«Электропроводность твердых тел»

по дисциплине «Электрические и электронные аппараты»

Группа: ЗФ-108а

Выполнила: Отрощенко Н.В.

Новосибирск, 2014

Оглавление

1. Физические процессы на контакте «металл-полупроводник»

2. Термоэлектронная эмиссия

3. Поверхностные состояния

4. Образования режимов обеднения, обогащения и инверсии в приповерхностном слое полупроводника. Зонные диаграммы, соответствующие этим режимам

5. Поверхностная проводимость полупроводников

Список литературы

1. Физические процессы на контакте «металл-полупроводник»

В случае контакта «металл-полупроводник» возможны различные комбинации (p- и n-типы полупроводника) и соотношения термодинамических работ выхода из металла и полупроводника. В зависимости от этих соотношений в области контакта могут реализоваться три состояния. Первое состояние соответствует условию плоских зон в полупроводнике, в этом случае реализуется нейтральный контакт. Второе состояние соответствует условию обогащения приповерхностной области полупроводника (дырками в p-типе и электронами в n-типе), в этом случае реализуется омический контакт. И, наконец, в третьем состоянии приповерхностная область полупроводника обеднена основными носителями, в этом случае в области контакта со стороны полупроводника формируется область пространственного заряда ионизованных доноров или акцепторов и реализуется блокирующий контакт, или барьер Шоттки.

В полупроводниковых приборах наибольшее применение получили блокирующие контакты металл - полупроводник или барьеры Шоттки. Рассмотрим условие возникновения барьера Шоттки. Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности любого твердого тела определяется уравнением Ричардсона:

(1)

Для контакта металл - полупроводник n-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Ф_п/п была меньше чем термодинамическая работа выхода из металла Ф_Ме. В этом случае согласно уравнению (1) ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника j_п/п будет больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:

При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из полупроводника в металл будет превышать обратный ток из металла в полупроводник и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды - отрицательные в металле и положительные в полупроводнике. В области контакта возникнет электрическое поле, в результате чего произойдет изгиб энергетических зон. Вследствие эффекта поля термодинамическая работа выхода на поверхности полупроводника возрастет. Этот процесс будет проходить до тех пор, пока в области контакта не выровняются токи термоэлектронной эмиссии и соответственно значения термодинамических работ выхода на поверхности.

На рисунке 1 показаны зонные диаграммы различных этапов формирования контакта металл - полупроводник. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выровнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: ц_к = Ф_Ме - Ф_п/п.

Для контакта металл - полупроводник p-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Ф_п/п была больше, чем термодинамическая работа выхода из металла Ф_Ме. В этом случае ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника j_п/п будет меньше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла согласно уравнению (1).

При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из металла в полупроводник p-типа будет превышать обратный ток из полупроводника в металл, и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды - положительные в металле и отрицательные в полупроводнике.

В дальнейшем картина перехода к равновесному состоянию и формирования потенциального барьера для контакта металл - полупроводник p-типа аналогична рассмотренной выше для контакта металл - полупроводник n-типа.

Рис. 1. Зонная диаграмма, иллюстрирующая образование барьера Шоттки

2. Термоэлектронная эмиссия

Испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те электроны, энергия которых больше энергии покоящегося вне эмиттера электрона. Число таких электронов (обычно это электроны с энергиями 1 эВ относительно ферми-уровня в эмиттере) в условиях термодинамического равновесия в соответствии с Ферми-Дирака распределением ничтожно мало при температурах T300К и экспоненциально растёт с T. Поэтому ток T. э. заметен только для нагретых тел. Вылет электронов приводит к охлаждению эмиттера. При отсутствии "отсасывающего" электрического поля (или при малой его величине) вылетевшие электроны образуют вблизи поверхности эмиттера отрицательный пространственный заряд, ограничивающий ток T. э.

3. Поверхностные состояния

Одной из принципиальных особенностей, характеризующих поверхность полупроводников или границу раздела полупроводника с каким-либо веществом, является изменение энергетического спектра для электронов на поверхности по сравнению с объемом полупроводника. Это различие объясняется наличием на поверхности полупроводников поверхностных состояний (ПС).

Под поверхностными состояниями будем понимать электронные состояния, пространственно локализованные на границе раздела полупроводника с какой-либо средой (диэлектрик, металл, газ, электролит, вакуум), имеющие энергетическое положение в запрещенной зоне полупроводника и изменяющие свое зарядовое состояние в зависимости от положения уровня Ферми на поверхности полупроводника.

По зарядовому состоянию ПС, так же как и объемные состояния в запрещенной зоне полупроводника, бывают двух типов - донорные и акцепторные. Состояния донорного типа положительно заряжены, если расположены выше уровня Ферми, и нейтральны, если расположены ниже уровня Ферми. Состояния акцепторного типа нейтральны, если расположены выше уровня Ферми, и отрицательно заряжены, если расположены ниже уровня Ферми. Многочисленные эксперименты показали, что обычно на поверхности полупроводников в верхней половине запрещенной зоны расположены ПС акцепторного типа, а в нижней половине - ПС донорного типа. На рисунке 2 в качестве примера приведены зонные диаграммы полупроводника при различных значениях поверхностного потенциала, иллюстрирующие это заполнение поверхностных состояний.

Из рисунка 2 видно, что знак заряда ПС Q_ss совпадает со знаком заряда основных носителей на поверхности. Из этого факта следует, что, по-видимому, ПС амфотерны по своей природе и могут захватывать как электроны, так и дырки. Преобладание носителей определенного типа на поверхности в ОПЗ обуславливает их преимущественный захват на ПС и определяет соответствующий знак заряда ПС.

Рис. 2. Зонная диаграмма ОПЗ полупроводника p-типа, показывающая заполнение поверхностных состояний при различных изгибах зон

В зависимости от энергетического положения уровней поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводника различают моноэнергетические ПС, имеющие дискретный уровень, и ПС, квазинепрерывно распределенные по энергии в запрещенной зоне по определенному закону, образующие континиум ПС.

По физической природе поверхностные состояния разделяются на четыре основных типа:

1) поверхностные состояния типа Тамма;

2) поверхностные состояния типа Шокли;

3) поверхностные состояния, обусловленные дефектами кристаллической решетки на поверхности;

4) поверхностные состояния, обусловленные примесью на поверхности полупроводника.

Таммовские поверхностные состояния обусловлены обрывом периодической решетки кристалла. Рассматривая модель Кронига - Пенни, с учетом обрыва хода потенциала на поверхности, Тамм получил, что решение уравнения Шредингера дает в этом случае для спектра энергии дискретные значения, при выполнении определенных условий лежащие в запрещенной зоне полупроводника. Волновая функция, описывающая состояние электрона на этих уровнях, оказывается локализованной вблизи поверхности полупроводника. Концентрация таммовских ПС равна поверхностной концентрации атомов в кристалле, т.е. величине порядка 10¹⁵ см^-2. При такой высокой концентрации состояний в поверхностной зоне, если эта зона заполнена частично, возможно появление металлической проводимости вдоль поверхности кристалла.

Шокли, рассчитывая энергетический спектр цепочки атомов конечных размеров, показал, что наличие границ приводит к отщеплению от разрешенных зон по одному объемному состоянию и возникновению состояний в запрещенной зоне, локализованных вблизи границы. Концентрация шоклиевских состояний, так же как и таммовских, по порядку равна концентрации поверхностных атомов. Шоклиевские ПС можно трактовать как ненасыщенные химические связи атомов, находящихся на поверхности.

Поверхностные состояния за счет дефектов кристаллической решетки на поверхности (вакансии, междоузлия, дислокации) имеют аналогичную с локальными уровнями природу за счет этих же дефектов в объеме. Локализованные состояния на поверхности могут быть обусловлены также примесью в кристаллической решетке вблизи поверхности, абсорбцией атомов и молекул на поверхности полупроводника.

металл полупроводник эмиссия

4. Образование режимов обеднения, обогащения и инверсии в приповерхностном слое полупроводника

Зонные диаграммы, соответствующие этим режимам.

В зависимости от направления и величины внешнего электрического поля и типа полупроводника различают 4 состояния поверхности полупроводника: обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия.

Обогащение -- состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация основных носителей больше, чем концентрация основных носителей в квазинейтральном объеме.

Таблица 1 Режим обогащения

Обеднение -- состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация основных носителей меньше, чем концентрация основных носителей в квазинейтральном объеме, но больше, чем поверхностная концентрация неосновных носителей.

Таблица 2 Режим обеднения

Переход от состояния обогащения к состоянию обеднения происходит при значении поверхностного потенциала шs = 0, получившем название потенциала плоских зон. При этом концентрации основных и неосновных носителей на поверхности и в объеме совпадают.

Слабая инверсия -- состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация неосновных носителей больше, чем поверхностная концентрация основных, но меньше, чем концентрация основных носителей в квазинейтральном объеме.

Таблица 3 Режим слабой инверсии

Переход от области обеднения к области слабой инверсии происходит при значении поверхностного потенциала |ш_s| = ?₀, когда поверхностные концентрации носителей заряда совпадают с собственной концентрацией: n_s = p_s = n_i.

Сильная инверсия -- состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация неосновных носителей больше, чем концентрация основных носителей в квазинейтральном объеме.

Переход от области слабой инверсии к области сильной инверсии происходит при значении поверхностного потенциала ш_s = 2?₀, получившем название порогового потенциала. При этом концентрация неосновных носителей на поверхности равна концентрации основных носителей в объеме полупроводника: n_s = p₀, p_s = n₀.

Таблица 4 Режим сильной инверсии

Часть области пространственного заряда, где суммарная концентрация свободных носителей электронов и дырок меньше, чем концентрация ионизированной примеси, называют областью обеднения. Часть области пространственного заряда, где концентрация свободных неосновных носителей больше, чем основных, получила название инверсионного канала.

Рис. 4 - Зонные диаграммы приповерхностной области полупроводника n-типа: а -- при обогащении; б -- при обеднении; в -- при слабой инверсии; г -- при сильной инверсии

5. Поверхностная проводимость

На рис. 5.1 показано схематическое изображение пластины полупроводника для измерений поверхностной проводимости.

Рис. 5.1. Схематическое изображение образца для исследования поверхностной проводимости.

Если в любой точке этого однородного образца , то через образец при наличии приложенного напряжения V будет протекать только объемный ток

,(5.1)

где - объемная проводимость образца. Она связана с удельной объемной проводимостью известным соотношением

, (5.2)

где . (5.3)

Если вблизи одной из поверхностей образца концентрация электронов вырастет от значения в объеме до на поверхности, то полный ток через образец удобно разделить на две части

, (5.4)

где - объемный ток, величина которого определяется постоянной до самой границы концентрацией и - поверхностный ток, величина которого на расстоянии х от поверхности определяется разностью .

Рис. 5.2. Зависимость концентрации и поверхностного избытка электронов от координаты.

Проинтегрировав эту разность, мы найдем уже известный нам поверхностный избыток электронов

(5.5)

на единицу поверхности и можем заменить распределение объемной концентрации на рис. 4.2 (а) распределением поверхностной () и объемной концентраций, как показано на рис. 4.2 (б). В этом случае можно считать, что ток, обусловленный приповерхностным избытком электронов , течет по самой поверхности.

Очевидно, что поверхностный ток, как и объемный, должен быть пропорционален приложенному напряжению V

,(5.6)

где - полная поверхностная проводимость. Удельную поверхностную проводимость можно ввести с помощью соотношения

,(5.7)

где b - ширина и l - длина образца.

,(5.8)

,

где и - подвижности электронов и дырок в ОПЗ, которые в принципе могут отличаться от объемных подвижностей. Обычно считается, что величины подвижностей не зависят от изгиба зон. Если Y = 0 (плоские зоны), то = 0. Подставляя в (4.8) найденные ранее выражения для и , получим

,(5.9)

где

,(5.10)

.(5.11)

Видно, что размерности удельной и полной поверхностной проводимости совпадают. Чтобы их все же различать без дополнительных пояснений иногда размерность обозначают [Ом^-1/квадрат]. Если n(x) < n₀, то следует считать I_S<0 и, следовательно, <0. Таким образом, при обеднении поверхности поверхностная проводимость в отличие от объемной может быть отрицательной величиной. Это просто означает, что концентрация носителей в приповерхностной области меньше объемной.

Мы видим, таким образом, что поверхностная проводимость есть проводимость ОПЗ и обусловлена наличием приповерхностного избытка электронов и дырок в ОПЗ в результате поверхностного искривления зон.

металл полупроводник эмиссия

Список литературы

1. Мамедов Р.К. Контакты металл-полупроводник с электрическим полем пятен.-Баку, БГУ, 2003, 231 с.;

2. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов/Т.И. Трофимова. - 8-е изд., стер.- М: высш. шк., 2004.-544с.: ил.

3. Материалы лекции В.Г. Шинкаренко 20010/2011 год// Московский физико-технический институт.

5. Контакт металл-полупроводник. Барьер Шоттки// Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

Размещено на Allbest.ru