Электронные процессы на поверхности полупроводников

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ [c.78]

Современная физика полупроводников все больше и больше интересуется сложными молекулярными и электронными процессами, протекающими на поверхности твердого тела. С раскрытием механизма этих процессов тесно связан ряд проблем физики тонких пленок и пленочной микроэлектроники. Большое число исследований последних лет указывает на превалирующую роль электронных процессов на поверхности в явлениях гетерогенного катализа и хемосорбции, что весьма интересует специалистов смежных областей — химиков и биофизиков. В связи с этим следует признать весьма актуальным начатое М. Грином издание серии книг по физике поверхности твердого тела. Настоящая книга является первой в этой серии. Этот том состоит из пяти обзорных глав, написанных ведущими исследователями в области физики поверхности, представляющими крупные научно-исследовательские школы в Англии, США и Японии. [c.5]

Наиболее часто методы ЛТ применяются при исследованиях плазменных процессов, воздействий лазерных и электронных пучков на поверхность, эпитаксиального роста пленок. Неожиданным представляется то, что при проведении ионной имплантации полупроводников методы ЛТ совсем не используются. Вероятно, более существенным является температурный режим при отжиге имплантированного кристалла, чем в ходе самой имплантации. [c.197]

Когда адсорбция молекулы (или атома) приводит к возникновению локализованного электронного уровня энергии на поверхности полупроводника, будет иметь место перенос заряда между адсорбентом и адсорбатом. Этот вид адсорбции мы будем называть адсорбцией с переносом заряда. Странно то, что существует множество экспериментальных фактов, подтверждающих существование этого вида адсорбции [39], но нет простой системы, которая могла бы проиллюстрировать это явление. Нас здесь не интересуют ни вид изотермы адсорбции [40], ни анализ реакций, определяющих скорость различных каталитических процессов [41]. Мы интересуемся энергией адсорбции, природой поверхностного комплекса и энергетическими уровнями поверхностных состояний. [c.176]

Различные варианты ЭТХ, имеющиеся в литературе, далеки от хотя бы качественного описания электронных явлений, протекающих на реальных поверхностях полупроводников. Не ставя перед собой задачу ревизии этих теорий, отметим, что сама идея рассматривать свободные электроны и дырки полупроводника, как единственные потенциальные центры адсорбции, не подтверждается уже многочисленными теперь экспериментальными данными. Адсорбция, ответственная за образование ПЭС, протекает исключительно на дефектах поверхности — либо биографических, либо образующихся в процессе адсорбции. Энергетический спектр биографических состояний существенно изменяется при адсорбции — см., например, рис. 6.15 и 6.16. [c.247]

Электрофотография (ксерография) — процесс, в котором используются фотопроводящие свойства селенового стекла. Остававшийся долгое время без объяснения этот процесс сейчас в основном понят. Для получения копии сначала заряжают верхнюю поверхность пленки из селенового стекла, распыляя по, ней положительные ионы. При этом на металлической подложке, на которую нанесено стекло, образуется отрицательный заряд изображения. Затем пленку освещают отраженным от копируемого оригинала светом. Там, где на оригинале была буква, свет поглощается, где буквы не было, свет отражается от листа и после попадания на стекло его энергия поглощается электронно-дырочными парами вблизи верхней поверхности. Сильное электрическое поле внутри полупроводника разделяет пары. Электроны поднимаются наверх и нейтрализуют положительные ионы на верхней поверхности дырки движутся к металлической подложке и нейтрализуют на ней отрицательный заряд. В результате этого поверхность селенового стекла становится электронейтральной там, где не было букв на оригинале, и остается положительно заряженной там, где буквы были. Затем к положительно заряженным областям притягиваются отрицательно заряженные черные частицы красителя. Краситель переносится на лист положительно заряженной бумаги и закрепляется нагреванием. На этом процесс копирования заканчивается. [c.369]

Полупроводники в качестве активного вещества. На возможность использования полупроводниковых материалов в оптических квантовых генераторах было указано Н. Г. Басовым и его сотрудниками еще в 1959 г. Причем уже тогда отмечалось, что применение полупроводников позволит непосредственно преобразовать энергию электрического тока в энергию когерентного излучения. Это свойство полупроводников объясняется тем, что они позволяют создавать высокую концентрацию активных частиц. При этом процесс преобразования потока электронов в поток фотонов отличается высоким коэффициентом полезного действия, достигающим 80—100%, в то время как у кристаллических и стеклянных активных веществ он составляет всего 1—3%. В качестве материала в полупроводниковых оптических генераторах используются мышьяковистый галий и индий, сурьмянистый индий и др. (табл. 2.3). Из этих материалов изготовляют полупроводниковый диод в форме куба размерами не более одного квадратного миллиметра. Две противоположные грани куба делают строго параллельными и полируют для того, чтобы их поверхности образовали зеркальный резонатор. [c.30]

Под действием света, падающего на поверхность полупроводника, в нем образуются пары л-р-носителей (электрон-дырка). Неосновные носители (дырки в полупроводнике л-типа и электроны в р-полупроводнике) диффундируют в область п-р-перехода, втягиваются в него и образуют пространственный заряд по другую сторону перехода. Таким образом, происходит накопление носителей тока разных знаков в двух противоположных частях полупроводника. Однако этот процесс не может продолжаться сколь угодно долго, так как в результате накопления зарядов возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшим переходам. Таким образом, наступает динамическое равновесие между переходами электр01 0в (дырок) в одну и другую сторону. В результате образуется постоянная разность потенциалов (фото-э. д. с. ), не превьппающая ширины запрещенной зоны в полупроводнике, выраженной в вольтах. [c.443]

Следует также отметить, что поверхность имеет свои специфические особенности не только на уровне атомарной, но и электронной подсистемы [385-391]. Последнее особенно ярко проявляется на полупроводниках и диэлектриках и выражается в наличии дебаевского радиуса экранирования, обусловленного энергетическими уровнями Тамма или Шокли [385-387], а также уровнями, связанными с примесями, дефектами и адсорбционными процессами на поверхности кристалла [388—391]. В полупроводниках с концентрацией носителей п = 10 см глубина дебаевского радиуса Lp — 10 см, при этом = (е kTjlne n) , где е — диэлектрическая постоянная кристалла, е — заряд электрона. М.А. Кривоглаз [427] показал, что изменение потенциала и концентрации дефектов (примесей, вэ, . кий и пр.) в приповерхностном слое толщиной порядка дебаевского радиуса оказывает весьма существенное влияние на некоторые термодинамические и кинетические свойства кристаллов и тонких пленок (изменение термодинамического потенциала, растворимость примесей, скорость диффузии, температурный сдвиг кривых фазового равновесия и др.). [c.133]

Предлагаемая читателю книга написана на основе лекций по отдельным разделам физики поверхностных явлений, прочитанных авторами для студентов, аспирантов и научных работников Московского Университета им. М.В. Ломоносова, а также ряда университетов России, Армении, Болгарии. Германии, Нидерландов и Украины. Книга выходит за рамки конспекта лекций и задумана как учебное пособие, ставящее своей целью ввести читателя в курс современных представлений о природе и механизме протекания разнообразных явлений на свободных поверхностях твердых тел и на границах между ними. Как мы покажем ниже, эти проблемы касаются самых различных областей естественных наук. Ввиду ограниченности объема учебного пособия в качестве ключевого направления мы выбрали рассмотрение основных особенностей электронных и молекулярных процессов, разыгрывающихся на поверхностях, а также взаимосвязей между этими процессами. В связи с бурным развитием микро- и наноэлектроники определенное предпочтение отдано явлениям, происходящим на поверхностях полупроводников. Это соответствует и научным интересам авторов книги. В книгу не включены явления на границе полупроводник-электролит, процессы, протекающие на поверхности при высоких (лазерных) уровнях фотовозбуждения поверхностной фазы, процессы на поверхностях ферроэлектриков, модельные теоретические расчеты и некоторые другие вопросы. [c.3]

Уже в конце прошлого века было известно, что межфазные фаницы оказывают сильное влияние на электрические свойства тонких пленок и нитей (Дж. Томсон), а также на параметры контакта полупроводник-металл (нобелевский лауреат К. Браун). Интерес к электронным процессам на межфазных фаницах резко возрос после открытия транзисторного эффекта (Дж. Бардин, В. Браттайн, В. Шокли, 1948—1949 гг.). С этого времени зародилось новое самостоятельное направление науки о поверхности — электроника поверхности, которая начала бурно развиваться в связи с возникновением [c.7]

Образование комплекса с переносом заряда при нулевом покрытии можно представить при помощи энергетического цикла. Стадии образования акцепторного поверхностного комплекса из нейтральной частицы X показаны на фиг. 3.6. Процесс происходит так электрон переносится из полупроводника в бесконечность, проделанная работа равна работе выхода АФ электрон соединяется с атомо [Х, соответствующая работа эквивалентна энергии электронного сродства атома Дтц затем ион Х адсорбируется на поверхность полупроводника, с которой он взаимо- [c.176]

Существует класс полупроводниковых приборов, выполненных на основе смешанных окислов переходных металлов, которые известны под общим названием термисторов. Термин термистор происходит от слов термочувствительный резистор . Толчком к разработке термисторов послужила необходимость компенсировать изменение параметров электронных схем под влиянием колебаний температуры. Первые термисторы изготавливались на основе двуокиси урана ПОг, но затем в начале 30-х годов стали использовать шпинель MgTiOз. Оказалось, что удельное сопротивление MgTiOз и его температурный коэффициент сопротивления (ТКС) легко варьируются путем контролируемого восстановления в водороде и путем изменений концентрации MgO по сравнению со стехиометрической. Использовалась также окись меди СиО. Современные термисторы [60, 61] почти всегда представляют собой нестехиометрические смеси окислов и изготавливаются путем спекания микронных частиц компонентов в контролируемой атмосфере. В зависимости от того, в какой атмосфере происходит спекание (окислительной или восстановительной), может получиться, например, полупроводник п-типа на поверхности зерна, переходящий в полупроводник р-типа в глубине зерна, со всеми вытекающими отсюда последствиями для процессов проводимости. Помимо характера проводимости в отдельном зерне, на проводимость материала оказывают существенное влияние также процессы на границах между спеченными зернами. Высокочастотная дисперсия у термисторов, например, возникает вследствие того, что они представляют собой сложную структуру, образованную зонами плохой проводимости на границах зерен и зонами относительно высокой проводимости внутри зерен. [c.243]

Наиб, чувствительностью в видимой и ближней ИК-областях спектра обладают Ф. с отрицат. электронным сродством (ОЭС). Они представляют собой сильнолегированные полупроводники /1-типа, работа выхода к-рых снижена так, что уровень вакуума оказывается ниже дна зоны проводимости в объёме полупроводника. Такие Ф. изготавливаются на основе полупроводниковых соединений GaP, GaAs, InP и их твёрдых растворов, а также на основе Si. В процессе изготовления Ф. поверхность полупроводника очищается прогревом в сверхвысоком вакууме, после чего работа выхода снижается адсорбцией цезия и кислорода. Наиб, высокую чувствительность имеют Ф. с ОЭС, изготовленные на основе совершенных полупроводниковых эпитаксиальных плёнок, обладающих большими диффузионными длинами (см. Эпитаксия). Длинноволновая П)аница Ф. с ОЭС определяется шириной запрещённой зоны используемого полупроводника (рис. 2) i-oss 1,24/ , [c.349]

Ф. э. может быть представлена как результат трёх после-доват. процессов поглощение фотона и появление электрона с высокой по сравнению со средней) энергией движение этого электрона к поверхности, при к-ром часть его энергии может рассеяться за счёт взаимодействия с др. электронами или дефектами и колебаниями кристаллич. решётки (фононами) выход электрона в вакуум или др. среду через потенц. барьер на границе раздела. В металлах Ф. э. в видимой и УФ-областях спектра связана с поглощением фотонов электронами проводимости. В полупроводниках и диэлектриках Ф. э. в этой области спектра определяется в осн. возбуждением электронов из валентной зоны. Важной количеств, характеристикой Ф. э. является квантовый выход Y—число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Вели-тана Y определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов. [c.365]

Взаимодействие плазмы с поверхностью складывается из следующих процессов [20] бомбардировки поверхности вторичными. электронами, ионами инертного газа, нейтральными атомами инертного газа, а также облучения квантами вакуумного ультрафиолетового диапазона. В коммерческих источниках для диодного распыления до 10 % катодой мощности переносится на подложку при высокочастотном распылении и до 30 % —-в реткиме постоянного тока. В обоих случаях очевидно, что более половины мощности связано со вторичными электронами. Роль остальных факторов в распределении подводимой мощности менее выражена. Прямое следствие бомбардировки вторичными электронами — это нагрев подложки, а также появление дефектов электронной структуры в случае полупроводников и диэлектриков. [c.425]

При химическом никелировании получаются равномерные покрытия даже на поверхностях сложной конфигурации. Присутствие фосфора или бора в покрытиях (прн восстановлении гипофосфитом или борогидридом) придает им высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, поэтому никелевые покрытия получили широкое распространение. С 1952 г. в США, а позже и в других странах в промышленном масштабе используется процесс Каниген для химического никелирования металлических изделий. В 1957—1958 гг. разработан способ химического никелирования с борогидридом или его производными в качестве восстановителя — Нибодур (фирма Байер , ФРГ). В последнее время химическое никелирование все шире применяют и для металлизации диэлектриков как в функциональных целях (изделия электронной промышленности, резисторы, электромагнитные экраны, контакты на полупроводниках, металлизированные кварцевые резонаторы, покрытия для облегчения пайки и др.), так и для получения электропроводного подслоя при декоративной металлизации пластмасс. [c.129]

Реконструкция поверхности крайне чувствительна к присутствию на ней как структурных дефектов (макроскопических и точечных), так и химических примесей. Появление ничтожного количества ионов Li+, Na+, К+, Ni " и др. в ряде случаев приводит либо к исчезновению существующих, либо к появлению новых сверхструктур. Многие из ранее вошедших в справочник по сверхрешеткам структур были впоследствии отвергнуты из-за их примесного происхождения. Ныне каждое измерение спектров ДМЭ обязательно сопровождается измерениями спектров оже-электронов. Однако чувствительность ЭОС невысока, не более 10 атомов примеси на см . Такие поверхности теперь часто называют оже-чистыми". Эксперименты последних лет убедительно показывают, что даже появление примеси в количествах, меньших числа элементарных ячеек, сопровождается перестройкой всей наблюдаемой при ДМЭ поверхностной сверхструктуры. Так, следы Ni (менее 1 % монослоя) на поверхности Si (100) приводили к разнообразным фазовым перестройкам типа 2 х а, где а принимает значения от 6 до 10. Число перестроенных в этих фазах ячеек составляло = 5—8 % от числа неперестроенных. Следовательно, даже малые концентрации примесей могут инициировать фазовые переходы в отдельных доменах поверхностной сверхструктуры. В этом нет ничего удивительного — фазовый переход является коллективным эффектом. Заметим, что ЭОС дает лишь среднюю концентрацию примесей. На вицинальных поверхностях примеси могут сегрегировать на ступеньках и выходах дислокаций (рис.5.1). Не исключено, что белые "дыры" в области атомной ступеньки на изображении СТМ (рис.4.7) являются атомами примесей. Заметим, что доминирующей примесью на поверхности многих металлов и полупроводников (Si, Ge) является диффундировавший из объема углерод, который попадает в материал в процессе роста кристаллов ). [c.151]

Межфазные границы. Электронные процессы, разыгрывающиеся на реальных поверхностях полупроводников и в структурах ДП, в значительной мере определяются строением межфазной границы полупроводника с его оксидной пленкой. Мы, как и прежде, ограничимся системами 81-5102 и 0е-0е02. Трудно представить возможность образования достаточно упорядоченной границы двух различающихся по своей структуре твердых фаз (полупроводник и его оксид), контактирующих с помощью строго направленных химических связей. Такое сочленение должно привести к появлению дислокаций "несоответствия" и деформации валентных углов и длин связей в переходной области. Неизбежные при окислении флуктуации диффузионных потоков реагирующих веществ, присутствие в них воды и связанные с этим процессы гидратации будут способствовать образованию структурно и химически неоднородной межфазной области. [c.182]

Еще в 30-х годах Френкель показал, что колебательная энергия, вьщелившаяся при захвате свободного электрона решетки на дефект, может стимулировать его перестройку или рождение нового дефекта. Основываясь на электронно-колебательном механизме захвата, Емельянов и Кашкаров (1982) предложили электронно-деформацион-но-тепловую модель поверхностного дефектообразования при фотовозбуждении полупроводника. Она учитывает понижение энергии активации Ет чисто термофлуктуационного процесса образования дефекта благодаря вибронным взаимодействиям фотогенерируемых носителей заряда с решеткой Еэ) и вызванным нагревом поверхности при освещении дГ термоупругим деформациям (Етд)- Концентрация рождающихся дефектов описывается уравнением [c.261]

Стимулированные каталитические процессы. Рост активности ЭА, ЭД и ПД центров при захвате носителей заряда и колебательное возбуждение этих центров может инициировать протекание каталитических реакций. Мы не будем касаться здесь катализа, это сложная и самостоятельная проблема физической химии. Остановимся очень кратко на двух простейших модельных фотореакциях разложения муравьиной кислоты ПСООН). Эти реакции иллюстрируют роль фотовозбуждения электронной подсистемы полупроводника в химических процессах, протекающих на поверхности. [c.263]

Если, с другой стороны, уровень валентного электрона попадает в запрещенную зону полупроводника, то положение усложняется. Переход электрона может произойти либо посредством заброса на пустой уровень в зоне проводимости, либо посредством перехода дырки в валентную зону ни один из этих процессов не имеет такой большой вероятности, как изоэнергетиче-ский переход. Время жизни адсорбированного атома на поверхности имеет в этом случае решающее значение, поскольку только в том случае, когда оно превышает время установления термодинамического равновесия, имеется заметная вероятность, что атом покинет поверхность в виде иона. Если время жизни слишком мало для установления термодинамического равновесия, то вероятность ионизации ничтожно мала. Кроме того, нет полной уверенности в возможности адекватным образом описать процесс ионизации какой-либо модификацией уравнения Саха— Ленгмюра. В этой области еще предстоит большая экспериментальная и теоретическая работа. [c.219]

Основной процесс преобразования оптического сигнала в электри-чаский, используемый в ФЭУ, — это внешний фотоэффект, при котором энергия падающего на фотокатод излучения достаточна, чтобы выбить возбужденный электрон с его поверхности. Этот процесс показан на диаграмме энергетических зон электрона, приведенной на рис. 16.10. Здесь в качестве фотокатода используется полупроводник р-типа, так как этот материал является предпочтительным по ряду причин. Пороговая длина волны для фотоэмиссии с поверхности полупроводника р-типа определяется суммой ширины запрещенной зоны и электронного сродства, т. е. [c.414]

В отличие от процесса импульсного отжига отжиг сканирующим лазерным или электронным лучом представляет очень удобное и хорошо управляемое средство нагрева поверхности полупроводника до заданной температуры, одновременно сохраняющее его объемную температуру на достаточно низком уровне (обычно 350 — 500° С). Осознание этого факта естественно вызьшает желание сравнить механизмы отжига непрерывным пучком и обьиного отжига в печи. [c.166]

РЕКОМБИНАЦИЯ электрона и дырки — исчезновение пары электрон проводи мости—дырка в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону полупроводника РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ—процесс образования и роста структурно более совершенных кристаллических зерен поликристалла за счет менее совершенных зерен той же фазы РЕЛАКСАЦИЯ <есть процесс установления термодинамического равновесия в макроскопической физической системе напряжений — происходящее с течением времени самопроизвольное уменьшение механических напряжений в деформированных телах, не сопровождающееся изменением деформации) РЕНТГЕНОГРАФИЯ—совокупность методов исследования фазового состава и строения вещества, основанных на изучении рассеяния рентгеновского излучения РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ — совокупность методов изучения поверхности твердых тел по отражению ими светового излучения [c.272]

Элементарный акт Ф. в. можно представить себе состоящим из трех процессов ноглощение фотона электроном движопие электрона, обладающего избы-точно11 энергией к поверхности тола прохождение его через поверхностный потенциальный барьер. В металлах Ф. в. в видимой и ультрафиолетовой областях сиектра связан с поглощением фотонов электронами проводимости в полупроводниках и диэлектриках определяющим является возбуждение электронов пз связанных состояний (из валентной зоны, дефектов или поверхностных состояний). Важная характеристика Ф. в. — число фотоэлектронов, пр]тходящееся на 1 падающий фотон, наз. квантовым в ы X о д о м Ф. в. /. Величина J определяется свойствами вещества и длиной волны излучения. [c.363]

Рнс. 27. Схема квантового телеграфа, основанного на использовании эффекта Соколова, Электроны проводимости образца М из чистого металла или полупроводника после взаимодействия с возбужденным атомом А пролетают от поверхности в глубь образца. Там их волновые функции коллапсируют, и одновременно у атома А на расстоянии С -Уот от образца появляется 2Р-амплитуда, Квант Нсо, излучаемый при 2Р —> 18-переходе, измеряется детектором О, "Фантомы" М , М". .. соответствуют запаздывающим по времени копиям образца М и описывают процесс релаксации электронов в металле. [c.275]

Наиболее распространён кремниевый МОП-т ранзистор (металл — окисел металла — полупроводник). На подложке 81 р-типа (рис.) окислением создаётся тонкий диэлектрич. слой двуокиси 8102 (толщиной 1000 А) и наносится металлич. электрод (затвор). Под поверхностью диэлектрика в 81 р-типа создаются на нек-ром расстоянии друг от друга две области с электронной проводимостью, к к-рым подводятся Л1еталлич. контакты (исток и сток). Если к затвору приложить положит, потенциал, то все эл-ны под ним в 81 (р) притянутся к тонкому слою диэлектрика, создав там проводящий инверсионный слой п-типа. В результате между стоком и истоком образуется канал, по к-рому течёт ток. Подобная система эквивалентна вакуумному триоду (исток — катод, сток — анод, затвор — сетка). Она может служить также элементом памяти. Для этого диэлектрик делается двухслойным — тонкий слой 8102 и нитрида кремния. Электрич. заряд, введённый в 81, можно (с помощью нек-рых физ. процессов) перевести из 81 в ловушки на границе окисел — нитрид. В этих ловушках заряд сохраняется длительно после снятия напряжения между затвором и подложкой (запоминание). Это состояние можно считывать по изменению свойств приповерхностной области подложки. М— Д — П-с.— один из базовых элементов твердотельной электроники. Они служат также для изучения поверхностных свойств полупроводников (вблизи его границы с диэлектриком). [c.399]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...