Лекции для студентов

Физика полупроводников. Лекция 5

§5. Поверхностная рекомбинация в полупроводниках.

Нарушение периодического потенциала кристаллической решетки (вызванное ее дефектами) приводит к образованию в запрещенной зоне примесных дискретных уровней. Свободная поверхность кристалла также является дефектом, потому что на ней обрывается кристаллическая решетка. Это приводит к образованию в запрещенной зоне вблизи поверхности так называемых уровней Тамма (таммовские уровни). Появление таких уровней можно понять на примере обрыва химической связи на поверхности у кристаллов типа алмаза (тэтраидрическая ковалентная). Каждый атом в таких кристаллах связан с соседними атомами путем попарного обобществления электронов (смотри рисунок). На поверхности кристалла AB из-за обрыва кристаллической решетки одна связь становится неукомплектованной. В связи с этим атомы поверхности захватывают электроны атомов основного вещества. В результате такого захвата поверхность заряжается отрицательно, а в близи поверхности появляются свободные дырки. Значит, неукомплектованная связь на свободной поверхности играет роль примесного состояния акцепторного типа. Вблизи поверхности образуется двойной электрический слой, его электрическое поле приводит к загибу зон полупроводника вблизи поверхности вверх (смотри рисунок). Плотность электронного заряда на поверхности , тогда электрическое поле двойного слоя:

(1)

Опыты показывают, что энергия двойного электрического слоя меньше, чем это следует из (1). Она соответствует . Дело в том, что на реальной поверхности полупроводника новые состояния формируются в основном чужеродными атомами, абсорбированными на поверхности кристалла. Эти атомы создают в запрещенной зоне полупроводника в близи поверхности новые уровни как акцепторного, так и донорного типов. Примесные уровни делятся на быстрые и медленные. Уровни, которые образованны чужеродными атомами на поверхности кристалла являются медленными. Время установления равновесия у таких уровней .

На поверхности реальных кристаллов помимо адсорбируемых атомов чужеродных атомов образуется слой окислов толщиной ~ 10 A⁰ (слой диэлектрика). Чужеродные атомы, адсорбированные на поверхности окислов будут являться медленными примесными центрами. Время установления равновесия между такими центрами и объемом кристаллической решетки варьируется от 10^-3 до 10² сек. Это связано с тем, что слои окислов являются диэлектриками и электронам из кристалла достаточно трудно подойти к примесному центру на поверхности окислов.

В рекомбинационных процессах играют роль быстрые поверхностные уровни. Такие уровни располагаются вблизи середины запрещенной зоны. Только такие электроны достаточно хорошо захватывают как электроны, так и дырки. Рекомбинационные процессы на поверхностных уровнях характеризуются скоростью поверхностной рекомбинации S. Предположим, что концентрация избыточных неравновесных электронов и дырок равна и соответственно. Чем больше энергия фотонов, тем больше в узком слое будет поглощаться свет. Толщина поглощающего слоя: ,  — коэффициент поглощения. Неравновесные электроны и дырки будут направляться (диффундировать) к поверхности, чтобы срекомбинировать на новых рекомбинационных центрах. В стационарных условиях потоки электронов и дырок должны быть равны, т.е. нет тока через поверхность в стационарных условиях. Поток электронов и дырок:

, .

Обозначим через число электронов ежесекундно рекомбинируемых на единице поверхности кристалла. Тогда, очевидно:

,

S имеет размерность скорости и получила название скорости поверхностной рекомбинации. Величина S сильно зависит от величины изгиба зон на поверхности полупроводника (смотри рисунок).

Видно, что с ростом величина скорости поверхностной рекомбинации уменьшается. Действительно, при увеличении изгиба вверх уменьшалась бы концентрация электронов, способных участвовать в рекомбинации, следовательно, уменьшалась бы. При увеличении изгиба вниз уменьшалась бы концентрация дырок, способных участвовать в рекомбинационном процессе на поверхности, следовательно, уменьшалась бы , а с ней и S. К процессам рекомбинации на поверхности очень чувствительны тонкопленочные приборы, у которых отношение поверхности к объему велико. Такие приборы, как правило, изменяют свои параметры и характеристики со временем эксплуатации. Это связано с испарением иммиграцией примесных чужеродных атомов на поверхности. Поэтому надо делать корпуса, чтобы уменьшить сообщение со средой. Для полупроводников, у которых толщина d значительно меньше и , эффективное время жизни неравновесных носителей заряда можно определить по формуле:

 — время жизни в объеме полупроводника.