Поверхностные состояния и свойства полупроводников

В настоящее время накоплены данные о плотностях, энергиях и времени релаксации поверхностных состояний некоторых полупроводников при различных условиях обработки поверхности (см. разделы III, 5 и IV, 8). Однако очень мало получено сведений относительно атомистических свойств поверхностных состояний. Так, например, в достаточной степени известны [37] плотности, энергии и времена релаксации поверхностных состояний на травленных поверхностях германия, однако химические особенности (состав и пространственное расположение), приводящие к возникновению специфических поверхностных состояний, неизвестны. [c.413]

От поверхностных состояний зависят очень важные свойства полупроводника контактные разности потенциалов и эффекты выпрямления, тока, химические реакции и адсорбция, поверхностная рекомбинация электронов и дырок, поверхностная проводимость, нестабильность характеристик полупроводниковых приборов, шумы и пр. [c.251]

Считается, что атом на поверхности, не имеющий соседа с одной стороны, обладает иным сродством к электрону, нежели эквивалентный атом в объеме. Состояния, возникшие в результате неодинакового сродства к электрону, называются таммов-скими состояниями. Поверхностные атомы — катионы в кристаллах типа АВ — имеют свободные орбитали и обладают донорными свойствами. Видимо, эти явления будут происходить у кристаллов-диэлектриков более сложного состава. Если атомные орбитали валентной зоны — анионные, то возникающие поверхностные состояния будут обладать донорными свойствами (кислород). Таким образом, таммовские состояния могут представлять кислотные или основные центры Льюиса, т. е. акцепторные или донорные ионные поверхностные состояния . Иногда могут проявляться и донорные, и акцепторные состояния, в зависимости от условий, причем донорные и акцепторные свойства поверхностных атомов диэлектрика будут выражены сильнее, чем у полупроводников. [c.42]

В настоящей работе рассматриваются некоторые особенности адсорбционных и каталитических свойств полупроводника, обладающего большой плотностью поверхностных состояний. Отметим три типа таких состояний [c.146]

Тамм [158], очевидно, первым предположил, что еще возможны электронные состояния, эффективно локализованные на поверхности кристалла. Такие состояния, называемые поверхностными состояниями, также представляют собой перемещающиеся волны, но они ограничены областью, которая простирается лишь на несколько атомных слоев на поверхности. Существование поверхностных состояний трудно подтвердить экспериментально. Основное подтверждение их существования поступает из поведения выпрямляющих контактов металл — полупроводник [159, 160]. Теоретические расчеты условий, при которых имеют место поверхностные состояния, были проведены лишь для упрощенных моделей, и в лучшем случае они позволили сделать качественные выводы [131, 158, 161]. Эти выводы будут суммированы после краткого обсуждения свойств поверхностных состояний. [c.166]

Как уже отмечалось, концепция поверхностных состояний оказалась полезной при объяснении выпрямляющих свойств контактов металл — полупроводник [150, 160]. Шокли [131] отметил, что поверхностные состояния типа Шокли должны появляться на поверхностях алмазов, быть заполнены наполовину и, следовательно, [c.167]

Энергия электронов на поверхностных уровнях полупроводника может сильно зависеть от потенциального барьера на поверхности, наличие которого обусловливает электростатическую разность потенциалов между поверхностью и объемом. Впервые представление о существовании такого потенциального барьера (иногда говорят о барьерном слое или о слое объемного заряда ) ввел Бардин [15] в 1947 г. для объяснения наблюдавшихся поверхностных свойств германия и кремния. Образование поверхностного барьера можно проиллюстрировать моделью, представленной на рис. 1. Электроны захватываются акцепторами, образованными адсорбированным кислородом, ибо, как и указано на рисунке, эти уровни лежат ниже уровней междуузельного цинка. В результате перехода электронов от междуузельного цинка вблизи поверхности к кислороду, адсорбированному на поверхности, остаются в объеме ионы цинка с положительным зарядом, компенсированные отрицательным поверхностным зарядом адсорбированных ионов кислорода. Электрическое поле в области объемного заряда создает падение напряжения между объемом и поверхностными ловушками, так что потенциальная энергия электрона увеличивается при приближении его к поверхности. Таким образом, все разрешенные уровни вблизи поверхности, в том числе и энергии самих поверхностных состояний, повышаются, по мере того как поверхность заряжается отрицательно. [c.292]

Поверхностные состояния и свойства полупроводников [c.17]

Опытные данные по кинетике изменения потенциала металлов в воздухе различной влажности могут трактоваться на основе современных представлений о поверхностных свойствах окисных полупроводников. В исходном состоянии [c.162]

Современная теория хемосорбции на полупроводниках в форме, разработанной Хауффе [14], предполагает, что заряд переносится в твердое тело или из него и, таким образом, хемосорбированная частица существует на поверхности в виде иона. Возникающий поверхностный заряд компенсируется зарядом в твердом теле, создаваемым дискретными электронными уровнями, обусловливающими полупроводниковые свойства тела. Казалось бы, что для этой теории хемосорбции требуется существование локальных состояний в комбинированной системе, состоящей из инородного атома и кристалла, но, как будет показано в разделе V, А, это не всегда необходимо. [c.407]

Настоящее исследование посвящено изучению координационных свойств поверхности окисных полупроводников й выяснению механизма модельной каталитической реакции, дегидратации и дегидрирования муравьиной кислоты. Для получения более широкого представления об элементарных поверхностных процессах была поставлена задача изучить комплексными методами взаимодействие муравьиной кислоты, продуктов ее каталитического разложения — воды, окиси и двуокиси углерода, водорода, а также кислорода с поверхностью окислов. Исследование взаимодействия кислорода и водорода с поверхностью окислов представляет также самостоятельный интерес для изучения, с одной стороны, характера связи молекул кислорода с твердым телом, а с другой стороны, состояния самой поверхности, и поэтому может быть весьма полезно для выяснения механизма каталитического окисления и гидрирования. [c.241]

Эти реакции ускоряются металлами, окислами и сульфидами металлов процессы идут при высоких температурах (300—600°С). Механизм реакций точно не установлен, несмотря на большое количество выполненных исследований. Полагают, что он различен для металлов и полупроводников, но в обоих случаях в значительной мере определяется локальными свойствами катализатора. При трактовке механизма дегидрирования и дегидроциклизации многие исследователи полагают необходимым образование в переходном состоянии поверхностного комплекса с участием атомов металла, а в случае полупроводников — иногда и поверхностных атомов неметалла [26, 27, 44]. [c.84]

В настоящее время в этой области проведено удивительно мало экспериментальных работ (см., однако, [106]). Но тем не менее затрачено много усилий с целью найти корреляцию между каталитической активностью полупроводниковых окисных катализаторов и такими объемными электрическими свойствами, как сопротивление, эффект Холла и термоэлектродвижущая сила. Так, изучалось влияние примесных добавок, которые, как известно, действуют на концентрации электронов и положительных дырок в зоне проводимости. Как ни ценны такие эксперименты, следует иметь в виду, что каталитическая активность — это поверхностное явление, и даже если электронный механизм включает концентрацию носителей в полупроводниковом катализаторе, то существенной оказывается только концентрация носителей в поверхностных слоях. Эти копцентрацип в свою очередь онределяются в рамках зонной структуры катализатора положением уровня Ферми на поверхности. Полную информацию об этом положении можно получить, только если измерить работу выхода или провести такие измерения, которые позволят отделить поверхностную проводимость от объемной. Действительно, при довольно высокой концентрации поверхностных состояний свойства поверхности полупроводника могут стать совершенно не зависящими от объемных свойств (например, примесного уровня и проводилюсти). Таким же образом выводы теории граничного слоя необходимо проверить, измерив работу выхода и поверхностный потенциал. Возможно даже, что приемлемой окажется информация, касающаяся присутствия протона и ионов карбония в катализаторах, близких по свохютвам к диэлектрикам. [c.169]

В случае примесных полупроводников, пока содержание примесных атомов невелико, остаются в силе основные соотношения, полученные для собственно полупроводников. С ростом содержания примесей поведение системы полупроводник— раствор уже не может быть описано приведенными уравнениями и зависит от природы примесных атомов. Так, в пределе для примесного л-полупр6 -водника, особенно ири высокой плотности поверхностных состояний, электрические свойства границы его с раствором приолнжаются к свойствам системы металл — раствор. [c.275]

В отличие от гомогенного для гетерогенного катализа нет единой теории, позволяющей описать все наблюдаемые явления. Особенность гетерогенных каталитических реакций заключается в образовании на твердой поверхности катализатора хемосорбирован-ных (на активных центрах) комплексов, которые не способны существовать индивидуально и не могут быть названы промежуточными соединениями. Хемосорбционные комплексы одного из реагентов в дальнейшем вступают во взаимодействие с компонентами реакционной смеси, образуя продукты реакции и освобождая активные центры поверхности. Характер взаимодействия в значительной мере зависит от электронной структуры твердого катализатора. С этой точки зрения активные металлы с их легкоподвижиыми электронами обычно склонны к образованию относительно прочных поверхностных комплексов и поэтому каталитически малоактивны. Диэлектрики с ничтожно малой концентрацией свободных электронов плохо образуют поверхностные комплексы и потому также не отличаются каталитической активностью. А на поверхности полупроводников и малоактивных металлов, которые характеризуются промежуточными значениями электронной концентрации, хорошо образуются метастабильные ассоциаты, чем и определяется их высокая каталитическая активность. Эти представления позволяют связать каталитические свойства полупроводников с другими их параметрами электрической проводимостью, энергией активации электрической проводимости, особым состоянием поверхности и т. и. Так, например, промотирование сульфатами щелочных [c.236]

Это повлечет за собой уменьшение концентрации вакансий в подрешетке серы, которые занимаются атомами кислорода, и понижение проводимости сульфида. Однако при достаточно высокой температуре и достаточном вакууме сера и кислород улетучиваются в виде ЗОг. При этом вновь возникают вакансии, ранее занятые атомами кислорода, и еще у/2 новые вакансии, занятые атомами серы. В результате увеличиваются концентрация вакансий в анионной подрешетке и проводимость. От поверхностных состояний зависят очень важные свойства полупроводника контактные разности потенциалов и эффекты выпрямления тока, химические реакции и адсорбция, поверхностная рекомбинация электронов и дырок, поверхностная проводимость, нестабильность характеристик полупроводниковых приборов, щумы и пр. [c.312]

Обнаруживаемые в ряде случаев расхождения между теорией и экспериментом связаны, скорее всего, с недостаточно полными сведениями о спектральных характеристиках взаимодействующих тел. При этом возникает важный вопрос о соответствии спектральных свойств массивных образцов и их поверхностных слоев, вносящих тем больший вклад в силы молекулярного взаимодействия, чем меньше толщина прослойки между телами. Как известно, спектральные характеристики малых частиц заметно отличаются от соответствующих свойств массивных образцов [101, 102]. В особенности это касается металлов и полупроводников, где существуют, как известно, особые поверхностные состояния электронного газа, а также могут образовываться окисные (диэлектрические) поверхностные пленки той или иной толщины. Известно также, как сильно меняется структура поверхностных слоев твердых и жидких тел. Все это, кстати говоря, делает спектральные характеристики зависящими от способа их измерений. Например, при отражательной спектроскопии исследуются поверхностные слои толщиной примерно в полдлины йолны, а при просвечивающей — значительно более толстые слои. Это может быть причиной заметного расхождения имеющихся в литературе спектральных данных [38]. [c.111]

При отсутствии адсорбции влияние поверхности следует все-таки иметь в виду, хотя у молекулярных кристаллов оно проявляется совершенно по-другому, чем у металлов [92], в которых свободно движущийся в зоне проводимости электрон, прежде чем оторваться, должен преодолеть потенциальный барьер. Существование поверхностных состояний в некоторых полупроводниках, например германии и кремнии, хорошо известно [71 было показано, что эти состояния могут оказывать влияние на различные свойства, в том числе на контактные потенциалы. Пикус [115] изучал фотоэмиссию с поверхностных слоев полупроводников и диэлектриков. Он установил, что в случае заполненных или полузаполненных поверхностных зон поверхностный фототок составляет значительную часть общего фототока полупроводника. [c.686]

Переход от идеальной поверхности полупроводника к реальной поверхности вносит свою специфику. При достаточной плотности поверхностных состояний поверхностные свойства полупроводника могут оказаться не зависящими от его объемных свойств (случай квазиизолированной поверхности, см. 7,6). [c.176]

Положение уровня Ферми в объеме (Ф ) и на поверХ ности (Ф различно. На диаграмме энергетических уровней это отображено изгибом зон у поверхности полупроводника. Величина изгиба зон и, следовательно,, различие между ф и Ф зависит от плотности поверхностных состояний. Если их плотность очень велика, то поверхностные свойства могут не зависеть от объемных (так называемая квазиизолированная поверхность). [c.9]

Следует отметить, что попытки связать каталитические свойства полупроводников с их электропроводностью уже предприиимались в ряде работ > , но в этих работах не учитывалось влияние поверхностных электронных состояний. [c.180]

Для объяснения действия бифункционального катализатора можно предположить, что хотя и Pt, и RuOj образуют на поверхности полупроводника кластеры достаточно большого размера (данные электрон-но-микроскопического исследования), но фактическим катализатором служат не они, а более мелкие образования, включающие лишь по нескольку атомов благородного металла. Этим образованиям нельзя приписать свойства отдельной фазы, в частности, определенное значение уровня Ферми, но можно рассматривать их, как поверхностные состояния. Тогда неосновные носители вступают в реакцию при электрохимическом потенциале, равном значению квазиуровня F , независимо от электрохимического потенциала реакции, в которой участвуют основные носители. Другими словами, катализ реакции неосновных носителей протекает на атомном, а не на фазовом уровне. [c.132]

Метод осно ван на изменении оптических свойств твердого тела под действием сильного локального электрического поля, в случае границы полупроводник/электролит — поля ъ области пространственного заряда. Измеряется интенсивность света, отраженного от поверхности электрода, как функция различных параметров, характеризующих как падающий свет (длина волны, поляризация), так и состояние поверхности электрода (потенциал). Для повышения чувствительности потенциал электрода модулируется переменным током, и сигнал с фотоумножителя, на который падает свет из ячейки, усиливается узкополосным усилителем на частоте модуляции. На германиевом электроде этот метод был применен для измерения поверхностного потенциала Гобрехтом с сотр. [26, 27] и [c.10]

В связи с этим мне хотелось бы обратить внимание на возможную роль локальных свойств поверхности в катализе на примере германия и кремния. Такая постановка вопроса может показаться парадоксальной, поскольку каталитические свойства германия и кремния обычно рассматривались в прямой связи с их полупроводниковыми свойствами Между тем полученный экспериментальный материал показывает, что, хотя германий и кремний действительно оказались очень активными катализаторами ряда окислительновосстановительных реакций, их каталитическая активность крайне мало чувствительна к изменению типа проводимости и концентрации носителей тока. Имеются и другие экспериментальные данные, которые нельзя объяснить в рамках существующих представлений полупроводникового катализа. Так, вопреки принятой точке зрения, согласно которой в изоэлектронном ряду катализаторов — полупроводников каталитическая активность уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны, удельная каталитическая активность кремния оказалась соизмеримой с активностью германия. Не находит также объяснения высокая активность германия по отношению к реакциям с участием соединений, содержащих в своем составе электронодонорные элементы — кислород и азот (дегидрирование спиртов, разложение муравьиной кислоты и гидразина). Представляется целесообразным искать причину высокой каталитической активности германия и кремния в особенностях химии поверхности этих катализаторов. Экспериментальный материал, накопленный химией кремний-, германий- и оловоорганических соединений, указывает на существеннзгю роль в стабилизации химической связи этих элементов с электронодонор-ными элементами или группами так называемого — р -взаимодействия, при котором используются вакантные -орбитали соответствующего элемента 1У-й группы. Сильные доноры электронов могут легко связываться за счет отдачи электронов этим орбиталям даже в том случае, когда - и р-электроны кремния, германия или олова уже использованы для образования связей. Теоретическое рассмотрение показывает, что прочность взаимодействия, характеризуемая интегралом перекрывания, для случая, когда -орбитали относятся к самой внешней электронной оболочке (кремний, германий и олово), должна слабо зависеть от главного квантового числа соответствующего атома. Такая слабая зависимость связана с более диффузным характером -орбиталей последней электронной оболочки по сравнению с р-орбиталью той же оболочки. В настоящее время имеется ряд экспериментальных работ, подтверждающих этот вывод теории. Сходство каталитических свойств германия и кремния и их высокая активность в реакциях соединений, содержащих в своем составе электронодонорные элементы, наводит на мысль об участии в элементарных стадиях катализа вакантных -орбиталей поверхностных атомов. В таком случае — р -взаимодействие может оказаться дополнительным фактором стабилизации переходного состояния. Например, в случае дегидрирования спиртов на германии таким переходным состоянием может быть поверхностное алкоксипроизводное германия. Известно, что для алкоксипроизводных эффект — р -взаимодействия имеет место. Заметим, что с точки зрения предлагаемого гипотетического механизма локальных эффектов [c.164]