Пространственно-заряженный слой

Если полупроводник п типа находится в контакте с металлом, у которого работа выхода электронов значительно меньше, чем у полупроводника, то в полупроводник переходит часть электронов металла. Поскольку по условию концентрация свободных электронов в объеме полупроводника достаточно велика, то их термодинамическая концентрация на контактной поверхности может приблизиться к единице. Для того чтобы оценить реальность сделанного предполол<ения, следует вычислить необходимый для этого скачок электростатического потенциала в слое пространственного заряда полупроводника, а затем сравнить величину полученного скачка с величиной контактной разности потенциалов между рассматриваемыми телами. Если при этом окажется, что скачок электростатического потенциала меньше контактной разности потенциалов, то сделанное выше предположение должно оправдаться. [c.179]

Таким образом, большая часть избыточных разноименных зарядов располагается вблизи границы контакта и поэтому можно говорить об эффективной толщине слоя пространственного заряда в 39 лой пространствен-каждом из соприкасающихся тел. ного заряда на границе двух [c.155]

Ясно, что эффективная толщина слоя тел с различной работой вы-пространственного заряда зависит от Да электронов, [c.155]

Максимальная концентрация электронов в теле 2 равна, очевидно, сумме исходной концентрации и концентрации избыточных зарядов. В свою очередь, концентрация избыточных зарядов пропорциональна их общему количеству и обратно пропорциональна объему слоя пространственного заряда, который по своему физическому смыслу не может быть меньше объема одноатомного слоя Поэтому [c.155]

Из выражений (130), (131) и (132) следует, что большие значения контактной разности потенциалов, диэлектрической проницаемости и температуры способствуют расширению слоя пространственного заряда, а возрастание общей концентрации носителей заряда приводит к уменьшению эффективной толщины этого слоя. Для правильного понимания сказанного необходимо обратить внимание на двойное влияние температуры, которая, с одной стороны, способствует увеличению толщины слоя пространственного заряда, а с другой стороны может определять концентрацию носителей заряда, как это имеет место у полупроводников. [c.156]

Формула (133) является приближенной и справедлива при Г > 0. Когда температура близка к абсолютному нулю, толщина слоя пространственного заряда приближается к размеру атомов, из которых построено данное тело. Двойной электрический слой в данном случае представляет собой плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого равно межатомному расстоянию в соприкасающихся телах. Такое расположение избыточных зарядов соответствует образованию полярных или ионных химических связей между поверхностными атомами находящихся в контакте тел. [c.156]

Количественные оценки, произведенные по формуле (133), показывают, что при большой концентрации носителей заряда, т. е. у металлов, толщина слоя пространственного заряда близка к толщине одноатомного слоя и составляет несколько ангстрем. [c.157]

При контакте тел с умеренной концентрацией носителей, например, полупроводников или разбавленных электролитов, эффективная толщина слоя пространственного заряда много больше и колеблется в пределах 0,1—10 мк 1 мк = 10 А [c.157]

На основании сказанного можно определить значение равновесной контактной разности потенциалов для случая, когда тол-ш,ина соприкасающихся тел значительно превосходит толщину слоя пространственного заряда. Так как везде за пределами слоя пространственного заряда концентрация носителей заряда в данном теле сохраняет постоянное значение Сэ, то из условий равновесия следует, что величина контактной разности потенциалов Дб к равна разности работ выхода, деленной на величину заряда электрона [см. формулу (29)1 [c.157]

При контакте двух тел, близких по своей химической природе, подавляющая часть контактной разности потенциалов распределяется в слоях пространственного заряда, по обе стороны от границы контакта. Основная часть контактной разности потенциалов распределяется в теле, обладающем большей эффективной толщиной слоя пространственного заряда. [c.159]

При контакте двух тел, весьма различных по своей химической природе, существенная часть контактной разности потенциалов распределяется в очень тонком пограничном слое, толщина которого равна расстоянию между атомами в соприкасающихся телах. Такое распределение контактной разности потенциала соответствует образованию полярных или ионных химических связей между поверхностными атомами рассматриваемых тел. Остальная часть контактной разности потенциалов распределяется в слоях пространственного заряда соприкасающихся тел. [c.159]

На границе инородных тел возникает двойной электрический слой, который состоит из разноименно заряженных слоев пространственного заряда, расположенных по обе стороны от границы контакта. [c.159]

Эффективная толщина слоев пространственного заряда зависит от температуры и концентрации подвижных носителей за- [c.159]

За пределами слоя пространственного заряда концентрация носителей, работа выхода и электростатический потенциал сохраняют постоянные значения. [c.160]

Рассмотрим зависимость плотности протекающего через контакт тока от разности приложенных к нему потенциалов. Такая зависимость называется вольт-амперной характеристикой контакта. Под понятием контакт мы будем подразумевать область, ограниченную слоями пространственного заряда в обоих соприкасающихся телах. [c.160]

В предыдущем параграфе мы видели, что везде за пределами слоя пространственного заряда концентрации носителей в соприкасающихся телах сохраняют постоянное значение и потому являются известными величинами. Отсюда следует, что для определения вольт-амперной характеристики контакта остается выяснить вопрос о высоте и форме потенциального барьера, возникающего на границе соприкасающихся тел. [c.160]

Из сказанного выше следует, что вольт-амперная характеристика контакта должна зависеть от ширины потенциального барьера, т. е. от эффективной толщины слоев пространственного заряда. В том случае, когда ширина барьера не превышает длины свободного пробега электронов, т. е. 0,1 мк ( 10 л , переход электронов через контакт осуществляется в одну стадию и вольт-амперная характеристика описывается формулой (141). При этом нелинейные свойства контакта проявляются, начиная с очень небольших значений разности приложенных потенциалов. В случае, когда ширина потенциального барьера во много раз превосходит длину свободного пробега электронов, вольт-амперная характеристика контакта является линейной вплоть до очень высоких значений разности приложенных потенциалов. [c.168]

Такое явление получило название пробоя (рис. 48). Пробой р—п перехода (или другого контакта) объясняется большой энергией направленного движения, которую приобретают электроны, проходя через слой пространственного заряда. В 28 мы уже видели, что эта энергия может существенно превосходить энергию теплового движения. В том случае, когда энергия направленного движе- [c.176]

Поскольку основное падение потенциала в р—п переходе происходит в слое пространственного заряда, то значения пробивных напряжений определяются эффективной толи иной этого слоя. Действительно, средняя напряженность электрического поля в слое пространственного заряда равна разности приложенных потенциалов, деленной на толщину этого слоя [c.176]

Поэтому значения пробивных напряжений зависят от эффективной толщины слоя пространственного заряда и длины свободного пробега электронов. [c.177]

Согласно сказанному в 26, следует ожидать, что при контакте полупроводника с металлом подавляющая часть контактной разности потенциалов распределяется в слое пространственного заряда полупроводника. При этом на границе раздела должны образоваться два последовательно расположенных потенциальных барьера—электростатический и начальный. Оказывается, что в некоторых частных, но важных случаях, на границе раздела возникает потенциальный барьер простейшей формы и вольт-амперная характеристика такого контакта соответствует вольт-амперным характеристикам р—р + (п—п ) или р—п(п—р) переходов. [c.178]

При выполнении этого условия, т. е. в том случае, когда контактная разность потенциалов между полупроводником и металлом превосходит по величине 0,5—1 в, а по знаку соответствует обогащению полупроводника неосновными носителями, на поверхности последнего возникает так называемый инверсионный слой. Из сказанного понятно, что основные носители в объеме полупроводника и в инверсионном слое на поверхности имеют противоположный знак. Так, в разобранном выше примере основными носителями в объеме кристалла являются дырки, а основными носителями на поверхности — свободные электроны. Отсюда следует, что потенциальный барьер в слое пространственного заряда полупроводника соответствует образованию р—п перехода. Поскольку термодинамическая концентрация носителей заряда на контактной поверхности полупроводника близка к единице, то потенциальный барьер между этой поверхностью и металлом практически отсутствует. Поэтому в рассмотренном случае, так же как и в предыдущем, на границе раздела образуется потенциальный барьер простейшей формы. Вольт-амперная характеристика этого барьера совпадает с вольт-амперной характеристикой р—п перехода. Сказанное поясняется энергетической диаграммой, приведенной на рис. 50. Из диаграммы видно, что равновесная высота потенциального барьера, расположенного в слое пространственного заряда полупроводника, равна расстоянию между уровнем электрохимического потенциала и уровнем наиболее удаленной от него зоны (проводимости или валентной) в объеме полупроводника. [c.181]

Обе эти характеристики связаны с высотой и формой потенциального барьера, существующего на границе раздела кристалл—окисная пленка. Действительно, скачок электростатического потенциала в слое пространственного заряда является высотой потенциального барьера, расположенного в этом слое, а скорость электронного обмена между объемом кристалла и поверхностным окислом определяется высотой потенциальных барьеров, расположенных в слое пространственного заряда и непосредственно на границе раздела. В 31 мы видели, что скорость электронного обмена (ток обмена) с различными ионами водного раствора неодинакова и зависит от их положения в ряду напряжений. Такое же утверждение справедливо и для адсорбированных в окисной пленке частиц, скорость электронного обмена с которыми должна зависеть от их химической природы и степени взаимодействия с окислом. Поэтому обычно говорят, что н а поверхности полупроводникового кристалла присутствуют быстрые и медленные состояния. При этом под быстрыми состояниями подразумеваются те энергетические уровни в окисной пленке, [c.206]

Поверхностный потенциал. Параметры большинства полупроводниковых приборов весьма существенно зависят от концентрации носителей заряда вблизи поверхности кристалла. Из сказанного ранее следует, что эта величина однозначно определяется величиной контактной разности потенциалов в слое пространственного заряда полупроводника и концентрацией носителей в объеме кристалла [см. формулу (149)]. Заметим теперь, что поверхностная концентрация носителей заряда может быть выражена только через один параметр [c.207]

В полученных выражениях положительное значение поверхностного потенциала соответствует избыточной концентрации электронов, а отрицательное — дырок. В случае, когда = О, концентрации дырок и электронов на поверхности становятся равными и такая поверхность называется собственной. На рис. 58 изображена энергетическая диаграмма поверхности полупроводника. Изгиб зон на этой диаграмме соответствует падению контактного потенциала в слое пространственного заряда, а расстояние [c.208]

Падение потенциала на границе электрод—раствор обусловлено тремя областями областью пространственного заряда в приповерхностном слое электрода, плотной частью двойного электрического слоя (ДЭС) в электролите (слой Гельмгольца) и диффузионной частью ДЭС [c.115]

Для полупроводника р-типа, покрытого слоем термического окисла, энергетические зоны также изгибаются вниз вследствие обеднения поверхности дырками (что эквивалентно обогащению поверхности электронами), ч в приповерхностном слое может возникнуть инверсионный слой п-типа (рис. 72, б). Изучение изгиба энергетических зон и области пространственного заряда удобно проводить на МОП-струк-турах (металл—оксид—полупроводник), представляющих собой конденсатор, одной из обкладок которого служит металлический электрод, напыленный на поверхность окисла, другой — полупроводниковая подложка, а слой 5102 служит диэлектриком. Емкость МОП-конден-сатора зависит от полярности и величины приложенного внешнего напряжения, поскольку первоначально существующий в системе изгиб зон может при этом увеличиваться или уменьшаться. [c.125]

Для кремния п-типа (рис. 73, а) положительное смещение на металлическом электроде приводит к возникновению тонкого обогащенного электронами (вплоть до вырождения) приповерхностного слоя в кремнии. Область пространственного заряда в полупроводнике очень узка, емкость МОП-конденсатора максимальна и практически не зависит от величины положительного потенциала (область I). В условиях обогащения, таким образом, [c.125]

С приложением небольшого отрицательного смещения на металлическом электроде наступает обеднение приповерхностного слоя носителями за счет отталкивания электронов в глубь полупроводника, область пространственного заряда расширяется, и емкость МОП-конденсатора, падает (область II). В этом случае структуру можно рассматривать как,два последовательно соединенных конденсатора. Емкость первого из них определяется слоем диэлектрика и постоянна (Со = езю / зю,), а емкость второго все время уменьшается и зависит от диэлектрической проницаемости кремния 51. и изменяющейся толщины области пространственного заряда (1 Б нем [c.126]

При увеличении отрицательного смещения область объемного за-, ряда, расширяясь, достигает максимальной толщины, возникает инверсионный слой, обогащенный дырками (неосновными носителями). Толщина этого слоя практически не зависит от величины приложенного отрицательного смещения, поэтому емкость МОП-конденсатора ъ области инверсии также постоянна, как ив области обогащения, но имеет меньшую величину, так как расстояние между обкладками конденсатора равно сумме толщины окисла ds o, и максимальной толщины области пространственного заряда тах (область III). [c.126]

Качественно аналогичные процессы наблюдаются при изучении С — -характеристик МОП-структур на основе кремния р-типа (рис. 73, б). Разница заключается лишь в том, что обогащенная дырками область с максимальной емкостью наблюдается при отрицательном смещении на металлическом электроде, а область обеднения и инверсионная зона с электронной проводимостью — при положительном. Если бы в пограничном слое не существовала область пространственного заряда, генерируемая вакансиями в окисле, тогда в отсутствие смещения не наблюдался бы изгиб зон в пограничной области кремния (условие плоских зон). Это соответствует идеализированному случаю контакта бездефектного 3102 с кремнием, не содержащим по- [c.126]

Если кислород или другое электроотрицательное вещество химически адсорбируется на поверхности полупроводника л-типа, например на оксиде цинка, на германии и др., то атомы кислорода отбирают электроны от полупроводника и образуют на поверхности отрицательные ионы. Отрицательный заряд ионов кислорода может компенсироваться положительным пространственным зарядом в полупроводнике (в поверхностном барьере). Увеличение адсорбции повышает высоту барьера, из-за чего уменьшается скорость адсорбции и она ограничивается. Поглощение каждого атома кислорода уменьшает поверхностную проводимость полупроводника, так как в нем уменьшается число основных носителей заряда (число электронов). При значительной химической адсорбции кислорода на п-германии в объеме, примыкающем к поверхности, может даже возникнуть р-тип проводимости. Толщина слоя с обращенной проводимостью (инверсионный слой) достигает 1 мкм. [c.251]

Выше мы видели, что если скорость реакции на поверхности твердого тела определяется переносом вещества через соединение МеХ, то после достижения слоем МеХ определенной толщины ш, значительно превышающей толщины Я,(, и областей пространственного заряда на двух поверхностях раздела (см. рис. 192), дальнейший рост будет происходить по параболическому закону. На более ранних стадиях образования этого слоя, когда толщина о) сравнима с или возможны отклонения от параболического закона. [c.477]

Вывод соответствующих уравнений аналогичен уже рассмотренному выше и отличается лишь тем, что слой пространственного заряда в приповерхностных слоях Яо и принимается во внимание при расчете распределения потенциала и его влияния на диффузию дефектов через пленку. [c.478]

Это уравнение называют логарифмическим. Соответственно, график, построенный в координатах у — g t + onst) или у — — Ig t (при t > onst) имеет вид прямой линии. Логарифмическое уравнение, впервые полученное Тамманном и Кестером [11], отражает поведение многих металлов (Си, Fe, Zn, Ni, Pb, d, Sn, Mn, Al, Ti, Та) на начальных стадиях окисления. Вначале справедливость этого уравнения ставилась под сомнение. Были сделаны попытки вывести уравнения на основе предположений о существовании специфических свойств оксидов, таких как наличие диффузионных барьеров и градиентов ионной концентрации и других. Эти предположения не получили экспериментального подтверждения. С другой стороны, было показано, что логарифмическое уравнение можно вывести из условия, 4TQ скорость окисления контролируется переходом электронов из металла в пленку продуктов реакции, причем эта пленка имеет пространственный электрический заряд во всем своем объеме [7, 12]. Преобладание заряда, обычно отрицательного, в оксидах вблизи поверхности металла, подобно электрическому двойному слою в электролитах, было установлено экспериментально. Таким образом, любой фактор, изменяющий работу выхода электрона (энергию, необходимую для удаления электрона из металла), например ориентация зерен, изменения кристаллической решетки или магнитные превращения (точка Кюри), изменяет скорость окисления, что и наблюдалось в действительности [13—15. Когда толщина пленки превышает толщину пространственно-заряженного слоя, определяющим фактором обычно становится скорость диффузии или миграции сквозь пленку. При этом начинает выполняться параболический закон, и ориентация зерен или точка Кюри перестают оказывать влияние на скорость окисления. Исходя из этого, можно сказать, что в начальной стадии оксидная пленка на металлах [c.193]

Приведем теперь форлгулу для вычисления эффективной толщины слоя пространственного заряда [c.156]

Переход каждого из этих электронов сопровождался как выделением работы, равной Дф , так н затратой работы, необходимой для уделения разноименно заряженных частиц, т. е. для образования слоя пространственного заряда. [c.157]

Электрические свойства рассмотренного контакта должны совпадать со свойствами п— + перехода. Действительно, потенциальный барьер, расположенный в слое пространственного заряда, обла,цает вольт-амперной характеристикой именно такого перехода, а потенциальный барьер непосредственно на границе раздела с металлом отсутствует. Последнее соответствует невыпрямляющему контакту к обогащенной поверхности полупроводника. [c.180]

Рассмотрим изменение зарядового состояния поверхности кремния п-типа, покрытого слоем термически выращенного 5102. Окисел, примыкающий к границе раздела 51—510а, сильно дефектен по кислороду, причем концентрация кислородных вакансий достаточно резко убывает к поверхности окисла. Поскольку с кислородными вакансиями ассоциирован положительный заряд, максимальный у границы раздела, то наблюдается обогащение электронами приповерхностного слоя кремния. Это обогащение приводит к изгибу энергетических зон вниз (рнс. 72, а) даже при отсутствии внешнего поля. Поскольку пространственный заряд сконцентрирован в очень небольшом слое вблизи границы 5 1 — Оз, то возникающее при этом собственное электрическое поле весьма значительно, что и приводит к сильному искривлению зон в приповерхностном слое полупроводника. Обычно до п-вырождения дело не доходит, но при наличии в окисле значительного количества положительных ионов примеси (особенно щелочных металлов) искривление зон настолько велико, что иногда может наблюдаться металлизация поверхности. Это, в частности, является причиной тангенциальных (поверхностных) утечек в полупроводниковых приборах. [c.125]

Если толщина слоя ш велика по сравнению с толщиной Хо и кл, то можно принять, что концентрации вакансий и дырок повсюду равны. Однако вследствие различия в подвижностях поток частиц одного типа должен превышать поток частиц другого типа, за счет чего нарушается равномерность в распределении зарядов. Это должно привести к разделению зарядов и постепенному накоплению пространственного заряда в пленке. Но разность потенциалов ф (по толщине пленки), возникающая вследствие разделения зарядов, препятствует дальнейшему протеканию процесса и в действительности величина этой разности потенциалов достигает значения, соответствующего равенству двух потоков в стдционарных условиях (783) и наличию относительно небольшого слоя пространственного заряда в пленке. [c.476]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология