Поверхностная проводимость

Поверхностная проводимость полупроводников представляет собой протекание электрического тока вдоль поверхности кристалла, где свойства существенно отличаются от объемных. Причиной возникновения поверхностной проводимости служат поверхностные состояния, адсорбированные заряды, изгиб энергетических зон и наличие специфических дефектов.

Электронные процессы на поверхности полупроводника формируются под действием взаимодействия с окружающей средой (адсорбция газов, влаги, примесей), а также вследствие структурных особенностей поверхности, приводящих к образованию локализованных энергетических уровней в запрещённой зоне. Эти уровни могут быть как донорными, так и акцепторными, создавая избыточные или недостаточные концентрации носителей заряда в приповерхностном слое.

Механизм возникновения поверхностной проводимости

Поверхностная проводимость появляется в результате того, что равновесное распределение носителей вблизи поверхности отличается от объемного. В зависимости от положения уровня Ферми относительно энергетических уровней поверхностных состояний происходит:

Обогащение поверхности электронами – образование так называемого инверсионного слоя, если в приповерхностной области наблюдается смещение уровня Ферми ближе к зоне проводимости.
Обогащение поверхности дырками – формирование обогащенного слоя, если уровень Ферми смещается к валентной зоне.
Обеднение носителей – когда поверхностные состояния захватывают основные носители заряда, уменьшая их концентрацию в приповерхностной области.

Таким образом, поверхностная проводимость определяется балансом между плотностью поверхностных состояний, зарядом адсорбированных молекул и электростатическим изгибом зон.

Роль поверхностных состояний

Поверхностные состояния играют ключевую роль в регулировании проводимости на поверхности. Их плотность D_ss (число состояний на единицу площади и энергии) определяет способность поверхности компенсировать изменения заряда. При высокой плотности поверхностных состояний уровень Ферми «закрепляется» на определённом энергетическом уровне, и поверхностная проводимость становится менее чувствительной к внешнему воздействию.

В случае низкой плотности поверхностных состояний поверхностная проводимость может резко изменяться под действием даже слабых внешних факторов — например, при адсорбции малых концентраций газа или при воздействии слабого электрического поля.

Уравнения, описывающие поверхностную проводимость

Поверхностная проводимость σ_s может быть выражена через концентрацию носителей в приповерхностном слое:

σ_s = q ⋅ (n_sμ_n + p_sμ_p),

где

q — заряд электрона,
n_s, p_s — поверхностные концентрации электронов и дырок соответственно,
μ_n, μ_p — подвижности электронов и дырок.

Формирование n_s и p_s определяется граничными условиями для уравнений Пуассона и статистики Ферми–Дирака с учетом поверхностных состояний и зарядов адсорбированных молекул.

Влияние адсорбции и окружающей среды

Поверхностная проводимость сильно зависит от атмосферы, в которой находится полупроводник:

Кислород и окислители обычно действуют как акцепторы электронов, уменьшая концентрацию электронов на поверхности и увеличивая поверхностное сопротивление.
Восстановительные газы (например, водород) могут отдавать электроны поверхности, повышая её проводимость.
Влага изменяет электрические свойства за счет образования тонких адсорбированных слоев воды, в которых возможен ионный перенос.

Таким образом, поверхностная проводимость является важным механизмом в работе газовых сенсоров и чувствительных элементов электроники.

Толщина приповерхностного слоя

Поверхностная проводимость сосредоточена в узкой приповерхностной области толщиной порядка десятков нанометров. Эта толщина определяется глубиной проникновения изгиба зон и характером поверхностных состояний. При сильной инверсии или обогащении формируется двумерный электронный или дырочный газ, обладающий особыми транспортными свойствами.

Температурная зависимость

Поверхностная проводимость демонстрирует сложную температурную зависимость. При низких температурах вклад поверхностных состояний становится доминирующим, и носители в основном локализованы. При повышении температуры активируются термические процессы: носители могут высвобождаться из поверхностных ловушек, увеличивая проводимость.

Зависимость поверхностной проводимости от температуры может носить как активационный характер (рост с увеличением температуры), так и обратный (уменьшение за счет ионизации ловушек и снижения подвижности).

Практическое значение поверхностной проводимости

Газовые сенсоры: чувствительность к составу окружающей атмосферы делает поверхностную проводимость основой для разработки полупроводниковых газоанализаторов.
Полевые транзисторы: в МОП-структурах инверсионный слой на поверхности полупроводника является проводящим каналом, управляемым внешним электрическим полем.
Электронные приборы памяти: использование локализованных поверхностных состояний для управления проводимостью лежит в основе некоторых типов энергонезависимой памяти.
Фотоприемники: освещение поверхности изменяет баланс носителей в приповерхностном слое, что используется для регистрации света.