инверсионный слой

ИНВЕРСИОННЫЙ СЛОЙ -слой у границы полупроводника, в к-ром знак осн. носителей заряда противоположен знаку осн. носителей в объёме полупроводника. Образуется у свободной поверхности полупроводника или у его контакта с диэлектриком, металлом или др. полупроводником (см. Гетеропереход ).Образование И. с. обусловлено воздействием на поверхность нормального к ней электрического поля, к-рое, согласно зонной теории, приводит к изгибу зон вблизи поверхности (см. Поля эффект ).Если, напр., в полупроводнике р-типа искривление таково, что уровень Ферми E_F становится ближе к дну зоны проводимости E_c, чем к потолку валентной зоны E_v, то вблизи поверхности образуется И. с., в к-ром концентрация электронов больше концентрации дырок (рис. 1, а). И. с. всегда изолирован от осн. объёма полупроводника запорным слоем. И. с. у границы раздела полупроводник-диэлектрик (вакуум) изолирован с обеих сторон и аналогичен тонкой полупроводниковой плёнке, в к-рой в качестве осн. носителей выступают неосн. носители в объёме. В случае гетеропереходов И. с. изолирован запорными слоями с обеих сторон - один из них в "своём", а другой - в "чужом" полупроводнике.

Рис. 1. а - Зонная диаграмма полупроводника р-типа (р-Si) вблизи границы с диэлектриком (SiO₂); инверсионный слий толщиной d имеет проводимость n-типа; E_с - дно зоны проводимости, E_v, - вершина валентной зоны, j_s - поверхностный потенциал электрич. поля, Е_F- уровень Ферми; б - Потенциальная яма для электрона при j_s>0; E₀, E₁ - уровни энергии электрона.

С помощью внеш. электрич. поля можно управлять концентрацией носителей в И. с. на единицу площади поверхности и его эфф. толщиной d. Источники этого поля - заряды, внедрённые в диэлектрич. слой, нанесённый на полупроводник или заряд спец. полевого электрода, изолированного от полупроводника тонким диэлектрнч. слоем (см. МДП-структура; рис. 2). Приближённое условие образования И. с. для рис.1, a имеет вид:

где E_s - напряжённость электрич. поля на поверхности, E_g - ширина запрещённой зоны, l_D - дебаевский радиус экранирования в объёме полупроводника, T - темп-pa, e - заряд электрона.

Pис. 2. МДП-структура.

Типичные толщины И. с. с вырожденным газом носителей d~40-100 Е. (толщины запорного слоя 10³-10⁴ Е). В случае гетероперехода часть носителей из объёма одною полупроводника проникает через барьер в другой, уравнивая E_F в объёме обоих. В результате переноса заряда создаётся внутр. электрич. поле, приводящее к изгибу зон и образованию потенциальной ямы.
Электрическое квантование. Ограниченность И. с. в направлении нормали к поверхности приводит к квантованию энергии движения носителей:

где i=0, 1, ...-целые числа, k- волновой вектор в плоскости И. с., т* - эффективная масса носителей заряда (для простоты изотропная в плоскости И. с.). Из (*) видно, что каждое E_i является дном i-й электрич. подзоны. Переходы между разл. электрич. подзонами наблюдаются по резонансному поглощению излучения в дальнем ИК-диапазоне. При высоких концентрациях носителей в И. с. n_s, т. е. при iд1, а также для И. с. с большой протяжённостью в глубь полупроводника уровни Ei сближаются до расстояния, к-рое меньше их собств. ширины или kT, и свойства И. с. становятся классическими. Электроны в И. с., если заселена только ниж. подзона i=0, ведут себя как идеальный двумерный электронный газ; плотность состояний в i-й подзоне на единичный интервал энергии (рис. 1, б):

Здесь E₀ - дно подзоны, g_v - число эквивалентных энергетич. зон в импульсном пространстве. Для И. с. в кристаллографич. плоскости (100) p-Si g_v-2, для И. с. в p-GaAs g_v=l. При малых поверхностных концентрациях n_s, когда заполнена лишь осн. подзона (i=0):

Прямое доказательство двумерности электронного газа в тонких И. с. было впервые получено в экспериментах А. Б. Фаулера (А. В. Fowler), Фэнга (Fang), Хауарда (Howard) и Стайлса (Stiles), обнаруживших в 1966 квантовые осцилляции магнитосопротивления И. с. в Si, периодичные по концентрации, с периодом, зависящим только от нормальной компоненты Н (см. Шубникова-де Хааза эффект, Квантовые осцилляции в магнитном поле).
Кулоновское взаимодействие носителей в И. с. характеризуется отношением потенциальной энергии e²(pn_s)^1/2 к ср. кинетической, к-рая при низких темп-рах для носителей в И. с. равна энергии нулевых колебаний . Предсказывалось, что при малых концентрациях носителей в И. с. возможен фазовый переход в упорядоченное состояние (см. Вигнеровский кристалл ).Эксперим. сведений о возникновении в И. с. вигнеровской кристаллизации пока (1987) не получено.
Применение. И. с. является осн. элементом полевого МДП-транзистора, запоминающих устройств и др. приборов микроэлектроники .На мн. характеристики И. с., в частности на электропроводность, существенно влияет рассеяние носителей заряж. примесями, фононами и шероховатостью поверхности полупроводника. И. с. служит также важным объектом исследований свойств двумерных проводников. Осн. физ. явления, изучаемые в И. с.: активационное поведение электропроводности (см. Андерсеновская локализация), отрицательное магнитосопротивление (см. Магнитосопротивление), эффект Шубникова - де Хааза, циклотронный резонанс и др. Лит.: Andо Т., Fowler А. В., Stern F., Electronic properties of two-dimensional systems, "Revs Mod. Phys.", 1982, v. 54, p. 437; см. также лит. при ст. Контактные явления в полупроводниках .3. С. Грибников, В. М. Пудалов.

   <<      Предметный указатель      >>