Поверхностные энергетические состояния

Выше мы уже отмечали, что поверхностные дефекты влияют на электрофизические свойства полупроводников, однако при рассмотрении энергетических зон полупроводников это влияние не учитывалось. В действительности (в силу различных причин) на поверхности кристалла возникают так называемые поверхностные энергетические состояния, которые изменяют энергетический спектр носителей заряда на поверхности и под ней.

Эти причины можно разделить на три группы. Нарушения периодичности потенциала решетки вследствие обрыва ее у поверхности приводят к появлению так называемых уровней Тамма. Наличие нескомпенсированных валентных связей у поверхности атомов вызывает появление уровней Шокли. Две первые группы поверхностных уровней существуют на идеальной, атомарно чистой поверхности. Третью группу поверхностных уровней представляют уровни, образованные в результате наличия адсорбированных атомов и прочих поверхностных дефектов кристалла.

Поверхностные уровни Тамма обусловлены тем, что потенциальный барьер поверхностного атома отличается от потенциального барьера глубинного атома. Решение уравнения Шредингера для поверхностных сильно- и слабосвязанных электронов приводит к выводу о существовании помимо обычных энергетических зон поверхностных энергетических состояний электронов. Концентрация таких уровней пропорциональна поверхностной концентрации атомов и может достигать 10¹⁹ м^-3. При такой высокой концентрации уровней Тамма возможно их расщепление в энергетическую зону. Важным является то, что поверхностная зона в полупроводниках находится в запрещенной зоне и может принимать носители из ближайшей объемной зоны.

Еще в 1932 г. И.Е. Тамм предсказал существование поверхностных уровней, которые впоследствии получили его имя. Позже уровни Тамма были экспериментально обнаружены на атомарно чистой поверхности германия. В обычных условиях, когда поверхность покрыта слоем тонкой оксидной или иной пленки, уровни Тамма исчезают, поскольку восстанавливается периодичность потенциала. В этом случае возникают новые поверхностные уровни уже на поверхности пленки.

Поверхностные уровни Шоклиобразуются в результате обрыва части химических связей поверхностных атомов. Нескомпенсированные валентные связи способны принимать и фиксировать носители заряда.

Анализ модели Шокли применительно к одномерной цепочке атомов показал, что в запрещенной зоне образуется два энергетических уровня, один из которых отличается от валентной зоны, другой – от зоны проводимости. Уровни Шокли, как и таммовские уровни, могут существовать только на идеальной поверхности.

Энергетические уровни третьей группыформируются на реальной, т.е. загрязненной или дефектной поверхности, причем адсорбированный атом или ион создает свое поверхностное энергетическое состояние, которое исчезает с удалением адсорбата. Причина формирования этих уровней аналогична уже рассмотренной для уровней Тамма. Это искажение крайней потенциальной ямы.

Энергетическое положение поверхностного уровня, образованного при адсорбции на поверхности стороннего атома или благодаря дефектам поверхности, зависит как от параметров решетки, так и от свойств адсорбата или дефекта. Эти состояния могут играть роль донорных или акцепторных уровней. Плотность таких уровней определяется концентрацией адсорбата или дефектов. Рассмотренные энергетические состояния находятся в контакте с объемом полупроводника, так что обмен носителем между поверхностным уровнем и объемной энергетической зоной осуществляется за время порядка 10^-7 с. Поэтому такие поверхностные состояния называют быстрыми,иливнутренними. Они имеют плотность порядка 10¹⁵ м^-2, которая зависит от характера и степени обработки поверхности, и могут обладать большим сечением захвата как для электронов, так и для дырок, вследствие чего могут служить эффективными центрами поверхностной рекомбинации.

Зачастую поверхность полупроводника покрывается окисной или иной пленкой, толщина которой составляет десятки ангстрем. На внешней поверхности такой пленки адсорбируются примесные атомы, создающиемедленные,иливнешние, поверхностные состояния. Время перехода носителей из объемной зоны на такие состояния, несомненно, много больше и варьируется от микросекунд до минут. Это обусловлено тем, что вероятность перехода изолирующего поверхностного слоя низка и уменьшается с ростом его толщины.