Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
сравнительно
1 Точное значение энергии Ферми Ер - Ер^ -f- - kT In (яг/"й)> где ЕРо -
энергия Ферми для беспримесного (собственного) полупроводника, 1п -
натуральный логарифм.
174
короткой длиной волны. Следует, однако, заметить, что при комнатных
температурах практически все акцепторные уровни уже заполнены, а все
донорные уровни пусты, так что почти все акты фотовозбуждения приводят к
появлению пар электрон - дырка.
Таким образом, данная модель весьма успешно объясняет те черты поведения
полупроводника, которые связаны с его объемными свойствами, однако, по
существу, ничего не говорит о поверхностных явлениях. Один из возможных
подходов к объяснению таких явлений состоит в том, чтобы связать их с
существованием на поверхности металла двойного электрического слоя. Об
этом было известно уже в начале нашего столетия; наличие такого слоя
необходимо для объяснения скачка потенциала (обнаруживаемого, например,
по термоионной работе выхода) между внутренней и внешней областями
металла. В 1917 г. Я- Френкель из Петроградского (теперь Ленинградского)
университета дал в The Philosophical Magazine следующее качественное
объяснение существованию такого слоя.
"Представим себе поверхность, проходящую через самые внешние ядра и
назовем ее для краткости поверхностью тела. Половина электронов,
обращающихся вокруг этих ядер, будет находиться вне этой поверхности; то
же справедливо и для многих других электронов, принадлежащих ядрам,
расположенным от поверхности на расстоянии, не превышающем радиуса
наибольшей электронной орбиты. Этот радиус, соответствующий "валентным"
электронам, можно отождествить с радиусом атома г. Таким образом, слой
толщиной г вблизи поверхности будет заряжен положительно вследствие того,
что часть электронов, продолжая принадлежать своим ядрам, остается вне
поверхности и образует при этом по другую сторону поверхности
отрицательно заряженный слой той же толщины г". В результате развития -
квантовой теории расчеты Френкеля и позднее Бардина получили более
твердую количественную основу.
Согласно принятой концепции, когда два разнородных металла приводятся в
эффективный контакт, заряды двойного слоя перераспределяются, вследствие
чего возникает поток электронов от одного металла к другому, который
прекращается после выравнивания уровней
Г75
Ферми (рис 9 2, а) Оставшийся двойной электрический слой объясняет
существование характерной разности потенциалов. Следует отметить, что,
поскольку электроны проводимости в металле, по существу, свободны,
описанное перераспределение и поток зарядов не приводят к заметному
изменению состояния внутри металлов.
Зона .
Etтгд гтА проВоаимрсгц
Ш77/77
Залснтная/ / зала, h
Ж
у////
////А
Ф,
'ШГЬ
т
До равновесия
в состоянии равновесия
УГП/Т/
¦ - --fp
¦Ф~ *-
Дшюрные У T-r,rr,rTTi уровни 7Ж Ш,
^ЖТЖ,
ш
Ж'//,'
У.Ж/7//
Рис 9.2. Схема уровней энергии при контакте между двумя металлами (а) и
между металлом и примесным полупроводником (б) (Ф - работа выхода)
Однако в случае контактов металла и полупроводника или двух
полупроводников следует ожидать совершенно других результатов.
Рассмотрим для определенности контакт между металлом и донорным
полупроводником, показанный на рис. 9.2,6. До того как установилось
равновесие, электроны в донорных состояниях имеют энергии, равные или
превосходящие энергии вакантных уровней в мс талле, так что в процессе
установления равновесия внутри полупроводника (в области, близкой к
поверхности) создается суммарный положительный заряд.
176
В этом случае, однако, не происходит существенного пополнения электронами
изнутри, так что соответствующие уровни энергии остаются неизменными.
Суммарный эффект, как показано, сводится к возникновению слоя объемного
заряда, образующего барьер, препятствующий переходу электронов мржду
зонами проводимости двух веществ.
Разумеется, в случае контакта двух металлов также возникает подобный
барьер, однако вследствие его малой ширины (~10-8 см) и благодаря
туннельному эффекту он не создает значительного сопротивления для тока.
Напротив, при контакте металл - полупроводник толщина барьера достигает1
1(Н4 см и сколько-нибудь заметный туннельный ток становится невозможным2.
Однако при обычных температурах существует достаточное число термически
возбужденных электронов, обеспечивающих заметную проводимость через
барьер. Барьер имеет несимметричную форму, и его высота различна в
зависимости от направления приложенного напряжения. Н. Ф. Мотт в Англии,
Б. Давыдов в СССР и особенно Вальтер Шоттки в Германии с учетом этих
соображений сформулировали в 1939 г. теорию выпрямляющего действия такого
контакта.
Примерно в 1940 г. Расел С. Оль, работавший в лаборатории компании "Белл
телефон", обеспокоенный нестабильностью свойств кремния в применявшихся
тогда радиодетекторах типа "кошачьи усы", обратился к химикам и
металловедам, попросив их попытаться сделать материал более однородным,
используя для этого дополнительную очистку. Это задание рассматривалось