Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Р 5,7 X Ю20 +0,31 -0,27 -0,19 +0,07
Р 1,5 X Ю20 +0,35 -0,18 -0,10 +0,13
Р 6,5 X Ю18 +0,30 -0,10 -0,09 +0,17
Р 3,1 X ю17 +0,34 +0,04 +0,14 +0,28
п 6,9 X Ю18 +0,32 +0,16 +0,27 +0,34
п 2,3 X Ю19 +0,37 +0,27 +0,35 +0,39
п 1,9 X Ю20 +0,37 +0,30 +0,37 +0 37
...На основе картины поверхностных состояний следовало ожидать, что
контактный потенциал между образцами кремния п- и p-типов будет
возрастать по мере увеличения относительной концентрации примесей,
приближаясь к значению 1,2 В (ширина запрещенной зоны кремния) как к
предельному. Данные таблицы показывают, что после термообработки в
вакууме контактная разность потенциалов между двумя типами
полупроводников действительно возрастает и достигает порядка 0,6 В для
случая контакта кремния р-типа (5,7-1020 акцепторов) и п-типа (1,9-1020
доноров). По этим данным можно оценить, что плотность поверхностных
состояний в кремнии равна приближенно 1014/В-см+>.
Теория указала также на важность прямого изучения поверхностных свойств.
Одно из них, называемое фотоэлектрическим эффектом, состоит в изменении
контакт-
182
ного потенциала при освещении. Непосредственно вслед за письмом Браттейна
и Шокли последовало письмо Браттейна, где сообщалось об исследовании
указанною эффекта.
"На основании картины поверхностных состояний следует ожидать наличия
двойного слоя на свободной поверхности полупроводника, причем избыточный
заряд поверхностных состояний будет компенсироваться равным ему по
величине и противоположным по знаку объемным зарядом полупроводника. При
низких температурах требуется значительное время для установления
равновесия между поверхностными состояниями и областью объемного заряда.
Следовательно, электроны или дырки, возбужденные благодаря поглощению
света вблизи поверхности, должны нарушить равновесие. Это нарушение
приведет к тому, что заряд поверхностных состояний станет более
положительным для полупроводников я-типа и более отрицательным - для
полупроводников p-типа; таким образом, при освещении поверхности
изменится контактный потенциал. Предложенный эксперимент проводился на
кремнии п- и p-типов и германии я-типа. Изменение контактного потенциала
под действием света при температуре - 120 К составляло + 0,12 В для
кремния я-типа, -0,08 В для кремния p-типа и +0,02 В для германия я-типа.
Изменения имели предсказанный знак и происходили мгновенно при падении
света на поверхность. С прекращением освещения возврат к равновесным
условиям происходил, как оказалось, в течение времени порядка нескольких
секунд. При комнатных температурах не обнаруживалось никакого изменения
потенциала под действием света'>.
В своей Нобелевской лекции Бардин так описывал использованный в этих
экспериментах метод: "Установка, примененная Браттейном для измерения
контактного потенциала и наблюдения его изменения при освещении, показана
на рис. [9.4]. Электрод сравнения (обычно платиновый) изготовлен в виде
сетки, сквозь которую может проходить свет. Заставив электрод
вибрировать, можно измерить методом Кельвина1
1 Метод Кельвина использовался Милликеном для измерения контактных
потенциалов в связи с его экспериментами по фотоэлектрическому эффекту
(см. Тригг Дж , "Решающие эксперименты", М., "Мир", 1974, гл. 7).
183
контактный потенциал. Если свет подходящей частоты падает на поверхность,
а электрод неподвижен, то изменение потенциала при освещении может быть
измерено по изменению напряжения на конденсаторе".
Следующим шагом, как писал Браттейн позднее, была попытка "измерить
изменение потенциала поверхности кремния или германия как функцию
температуры. Конденсация паров воды из воздуха на холодной поверхности
полупроводника мешала проведению эксперимента. Поэтому было решено
попробовать погрузить
Рис. 9.4. Схема прибора для измерения контактной разности потенциалов и
ее изменения при освещении поверхности [Нобелевские лекции по физике, т.
III, научное изд-во Elsevier, Амстердам, 1964, стр. 335, рис. 2].
систему в непроводящую жидкость. Установка была приспособлена к измерению
контактного потенциала и фото-ЭДС, и при погружении в жидкость
наблюдалось значительное изменение величины последней. Некоторые из
опробованных жидкостей (например, вода) не были хорошими диэлектриками, а
являлись электролитами. Когда я указал на эти явления [другому члену
группы, физикохимику] Р. Б. Гибни, он предположил возможность изменения
потенциала между поверхностью полупроводника и электродом сравнения.
Используя в качестве жидкости электролит, нам удалось сильно увеличить
фото-ЭДС; изменяя знак потенциала, мы смогли также добиться того, что
фото-ЭДС проходила через нуль и даже изменяла знак. Было признано, что
184
это, по существу, и есть эффект, поля, предсказанный Шокли. Используя
электролит, мы можем менять слой объемного заряда и потенциал со стороны
внутренней поверхности полупроводника
С результатами была ознакомлена вся группа. Однажды утром пару дней
спустя Бардин зашел ко мне в кабинет и предложил определенную геометрию
