Поверхностные состояния. Уровни Тамма

Процессы, протекающие на поверхности полупроводников и диэлек-триков, существенно влияют на работу большинства полупроводниковых приборов. При взаимодействии поверхности полупроводника с внешней средой (парами воды, кислородом и другими веществами) образуются различные плёнки, окислы, гидраты и прочие соединения, свойства которых отличаются от свойств полупроводникового кристалла. Различные адсорбционные процессы, протекающие на поверхности кристалла, приводят к возникновению рекомбинационных центров, которые также влияют на работу полупроводниковых приборов.

Таким образом, надёжная и эффективная работа различных радиоэлек-тронных устройств во многом зависит от качества обработки поверхности и степени защиты её от окружающей среды. Очень важно также получить поверхность с заданными свойствами, так как это позволит при создании полупроводниковых приборов и различных функциональных микроэлектронных устройств задавать параметры поверхности, наиболее приемлемые для надёжной работы приборов. Энергетический спектр кристалла имеет зонную структуру: зоны разрешённых значений энергии чередуются с областями запрещённых значений. Однако это справедливо лишь для идеального кристалла при неограниченных размерах. Реальные же кристаллы имеют конечные размеры. Это свидетельствует, прежде всего, о том, что имеется некоторая поверхность раздела «кристалл – внешняя среда», на которой происходит обрыв кристаллической решётки. Поэтому энергетические спектры ограниченного и неограниченного кристаллов существенно различаются. В 1932 г. И. Е. Тамм установил, что разрешённые для неограниченного кристалла уровни энергии разрешены и для ограниченного. Однако в последнем, вследствие обрыва кристаллической решётки, возникают новые дискретные разрешённые уровни (состояния), расположенные в зоне запрещённых значений энергий для неограниченного кристалла. Эти энергетические уровни получили название уровней (состояний) Тамма. Соответствующие им волновые функции электронов имеют максимум на границе кристалла и быстро затухают по мере удаления от поверхности как в глубину кристалла, так и в сторону внешней среды (вакуума). Это означает, что электроны, занимающие уровни Тамма, не могут проникать в глубь кристалла – они локализуются вблизи поверхности. В 1939 г. Шокли показал, что аналогичные поверхностные состояния возникают из-за адсорбции атомов чужеродных веществ.

Обрыв кристаллической решётки происходит в каждой цепочке атомов, нормальной к поверхности кристалла. Поэтому плотность таммовских состояний должна определяться плотностью поверхностных атомов, т. е. составлять 10¹⁴ – 10¹⁵см^-2.. Экспериментально это было подтверждено в 1962 г.

Оба типа поверхностных состояний возникают на совершенно чистой, идеальной поверхности кристалла. Реальная же поверхность значительно отличается от идеальной, так как она всегда содержит различные структурные дефекты, вызванные как условиями роста кристалла, так и условиями его обработки (резка, полировка, шлифовка). Более того, реальная поверхность всегда взаимодействует с внешней средой, поэтому на ней возможна адсорбция посторонних атомов и молекул, образование различных плёнок и т. д. Всё это также вызывает появление на поверхности кристалла локальных состояний, рекомбинационных ловушек, доноров или акцепторов.