Влияние обработки поверхности на поверхностную проводимость
Из рассмотрения теории поверхностной проводимости следует, что величина поверхностной проводимости, а также тип проводимости слоя ОПЗ зависит от концентрации, энергетического положения и природы поверхностных состояний.
Любое изменение химического и физического состояния поверхности приведет к изменению поверхностных состояний и, следовательно, поверхностной проводимости. Из-за невоспроизводимости состояния реальной поверхности предсказать знак и величину изменения поверхностной проводимости после той или иной технологической обработки практически нельзя.
Поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому величина относительной влажности является решающим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика. Особенно резко поверхностное сопротивление уменьшается при величинах относительной влажности, превышающих 50-60%.
Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность молекул вещества и чем чище его поверхность. Присутствие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости не смачивающихся водой диэлектриков, но сильно влияет на проводимость смачивающихся диэлектриков.
|
|
|
Все материалы, в зависимости от того, как взаимодействие с влагой меняет их удельное поверхностное сопротивление, можно подразделить на три группы: нерастворимые в воде диэлектрики, частично растворимые в воде диэлектрики и диэлектрики, имеющие пористую структуру.
Нерастворимые в воде диэлектрики в свою очередь делятся на две подгруппы:
а) не смачивающиеся водой - диэлектрики с нейтральными и слабо полярными молекулами (парафин, полистирол, янтарь, сера);
б) смачивающиеся водой - диэлектрики с сильно полярными молекулами и диэлектрики с ионным строением (канифоль, некоторые виды плотной керамики и др.).
Полезным может быть пример на основе экспериментальных результатов изменения поверхностной проводимости построение модели и механизма влияния той или иной обработки на систему поверхностных состояний в данном конкретном случае.
Рассмотрим пример:
Пусть поверхностная проводимость германия р-типа после шлифовки больше, чем после травления. Шлифованная поверхность отличается от- травленой шероховатостью, т.е. большей удельной поверхностью и наличием деформированного слоя. С точки зрения химического состава, поверхности практически идентичны: покрыты слоем аморфного оксида толщиной 30-40Å, который сформирован в одинаковых условиях (при комнатной температуре).
|
|
|
Для атомарно-чистой поверхности анализ экспериментальных результатов зависимости термодинамической работы выхода электрона от степени легирования (работа выхода практически не меняется для материалов n- и p-типов проводимости) и спектральной зависимости поверхностной фотоЭДС показывает, что на чистой поверхности германия имеется зона поверхностных состояний акцепторного типа (пустая зона), которая практически перекрывает всю ширину запрещенной зоны. Зона заполненных (донорных) состояний находится ниже края Eс.
Быстрые состояния, возникающие на границе оксид/полупроводник, также имеют акцепторную природу. Поэтому ОПЗ имеет дырочную проводимость (зоны загнуты вверх). Если предположить, что после шлифовки концентрация акцепторных поверхностных состояний изменяется (возможно появление новых состояний с другими энергиями ионизации из-за дефектности деформированного слоя), то это должно привести к обогащению или обеднению ОПЗ и к изменению поверхностной проводимости в этом слое. Более точно предсказать изменение поверхностной проводимости в поверхностном слое можно, если поместить образец в газовую среду, адсорбция которой дает заведомо известные донорные или акцепторные поверхностные состояния (метод поверхностной проводимости).
|
|
|
Методы определения влияния
Для измерения поверхностной проводимости этим методом образец должен быть выполнен в форме клина. Обозначим поверхностную проводимость образца через ss, а объемную – через so. Направим ось x вдоль длинного ребра клина, а начало координат поместим в вершину клина. Ширина образца постоянна по всей длине и равна В, а угол клина равен a (рис.20).
Р
| a |
| x |
| S1 |
| D U |
| B |
| x |
| D x |
| xi, xi xi,, |
ис.20. Геометрия образца при измерении поверхностной проводимости методом «клина»
Пусть через образец в направлении x течет электрический ток Iобщ, являющийся суммой объемного Iо и поверхностного токов Is:
|
|
|
Поверхностный ток Is течет по четырем граням клина и зависит от поверхностной проводимости ss. Объемный ток Iо зависит от объемной проводимости образца so.
По закону Ома плотности объемного и поверхностного токов можно записать в виде:
Перейдем от плотностей токов к соответствующим токам:
Где: 
S и P - площадь сечения и периметр сечения, соответственно.
Полный ток, протекающий через образец, равен:
Введем обозначение А:
Тогда:
Точное значение градиента потенциала 
в некоторой точке xi можно заменить приближенным:
где DU – напряжение между зондами, В.
Dx – расстояние между зондами, см.
При 
приближенное равенство переходит в точное вследствие непрерывности функции j (x).
Все величины в левой части уравнения можно определить экспериментально. Если уравнение представить графически в координатах A – x, то получим прямую линию, отсекающую от оси ординат отрезок, равный 2ss (при x=0) – рисунок 21. Из угла наклона прямой A = f(x) определяется объемная проводимость so (рис.21).
| a |
| j |
| A, Ом-1 |
| образец |
| l |
| h2 |
| h1 |
|
|
| 2 s s |
| Экспериментальные точки |
Рис. Определение поверхностной проводимости ss из экспериментального графика A = f(x)
Таким образом, определяя градиент потенциала вдоль клина при заданном значении тока Iобщ и обрабатывая результаты по уравнениям и, можно из графика A = f(x) определить объемную и поверхностную составляющую проводимости.
Поверхность германия практически всегда покрыта тонким слоем оксида и, следовательно, собственные поверхностные состояния можно исключить из рассмотрения. Ионная проводимость на поверхности обычно дает малый вклад из-за низкой подвижности ионов. Поэтому с достаточным приближением можно считать, что определяемая поверхностная проводимость обусловлена подвижными носителями в ОПЗ, причем ss представляет собой абсолютную проводимость в ОПЗ:
где zо - точка в объеме полупроводника, где электростатический потенциал обращается в нуль.
Уравнение справедливо при трех условиях:
1. Токовые линии имеют малую кривизну.
2. Контакты металл-полупроводник в местах подвода тока являются омическими.
3. Материал, из которого сделан клин, однороден, т.е. so и ss не зависят от координаты x.
Первое предположение вполне допустимо при малых углах клина 
.
Неомичность токовых контактов приводит к тому, что уравнения становятся справедливыми на некотором расстоянии от контактов, где уже сказываются энергетические барьеры и инжекция носителей.
Третье условие редко выполняется на практике. Но оно усредняется на поверхности и им можно пренебречь.
Вопросы к допуску:
1. Название лабораторной работы.
2. Цель работы.
3. Что измеряем в данной лабораторной работе и для чего?
4. Описать основы экспериментальной установки.
5. Что такое поверхностное состояние?
6. Кто из первых исследовал поверхностные состояния?
7. Перечислите слои в приповерхностной области полупроводника.
8. Определение поверхностной проводимости.
9. Определение объёмной проводимости.
10. В чём измеряется удельная объёмная проводимость?
11. Напишите формулу удельного поверхностного сопротивления.
Контрольные вопросы:
1. От чего зависит величина поверхностной проводимости?
2. Объясните, что такое инверсионный слой?
3. Чем отличается принцип Шокли от Тамма?
4. Объясните метод Клина. Для чего он нужен?
5. В каком случае поверхностная проводимость равна 0?
6. Чему равна полная проводимость твёрдого диэлектрика?
7. Отличие обеднённого слоя n-типа и p-типа.
8. Поясните определение обогащённого слоя.
9. Что понимается под понятием- поверхностные избытки?
10. Формула эффективная длина экранирования для обеднённого слоя.
11. Что такое обеднённый слой?
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 251; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!