Роль электрогромов и дырок при адсорбции

При движении в полупроводнике электроны и дырки выходят на его поверхность, где встречаются с адсорбированными молекулами газа. При этом адсорбированные молекулы и атомы играют ту же роль, что и примесные атомы, т. е. они захватывают свободные электроны и дырки.

Подобно объемной примеси, адсорбированные атомы и молекулы могут выполнять функции акцепторов или доноров. Так, например, адсорбированные атомы или молекулы кислорода или хлора являются типичными акцепторами. Углеводородные молекулы (например, С₂Н₄) могут служить примером доноров. В роли доноров выступают, как правило, и атомы водорода.

Адсорбированная молекула (или атом), которая захватила электрон или дырку, оказывается электрически заряженной. Чем больше в полупроводнике электронов или дырок, тем большая доля всех адсорбированных частиц будет находиться в заряженном состоянии, в результате поверхность полупроводника заряжается. При адсорбции акцепторов поверхность заряжается отрицательно, при адсорбции доноров — положительно, т. е. знак поверхностного заряда, образующегося при адсорбции, зависит от природы адсорбирующихся частиц.

Таким образом, в каждый момент времени некоторая доля адсорбированных частиц находится в заряженном состоянии (каждая адсорбированная частица за время жизни в адсорбированном состоянии определенную долю времени проводит в заряженном состоянии). Иначе говоря, всегда существует некоторая вероятность того, что нейтральная адсорбированная частица сделается заряженной, а заряженная, наоборот, нейтрализуется. Переход адсорбированной частицы из нейтрального состояния в заряженное и обратно свидетельствует о локализации и делокализации свободного электрона или дырки на адсорбированной частице [1].

Электрон или дырка, захваченные адсорбированной частицей, нарушают характер ее связи с поверхностью — эта связь упрочняется, адсорбированная молекула в заряженном состоянии прочнее привязана к поверхности, чем в электрически нейтральном. Такой молекуле, прежде чем уйти в газовую фазу, надо передать полупроводнику ее электрон или дырку, что требует затраты некоторой энергии.

Различают два типа связи адсорбированной частицы с поверхностью, которые условно называются слабой и прочной связью [1]. В случае слабой связи свободные электроны и дырки полупроводника не принимают участия в связи. Связь осуществляется в этом случае собственными элекгронами, принадлежащими адсорбированной молекуле (атому), или собственными электронами, принадлежащими атому кристаллической решетки полупроводника. Эти электроны затягиваются в большей или меньшей степени с адсорбированной частицы в решетку или с решетки на адсорбированную частицу, чем и осуществляется связь. В случае прочной связи в нее вовлекается свободный электрон или дырка полупроводника, пойманные адсорбированной частицей.

Слабая связь является электрически нейтральной, прочная — электрически заряженной. Средняя прочность связи адсорбированной частицы с поверхностью определяется относительным содержанием на поверхности слабой и прочной форм или, иначе говоря, относительной вероятностью пребывания частицы в состоянии слабой или прочной связи. От этого зависит адсорбционная способность поверхности. В свою очередь относительное содержание слабой и прочной форм определяется концентрацией свободных электронов и дырок на поверхности полупроводника. Таким образом, свободные электроны и дырки полупроводника управляют его адсорбционными свойствами.

Адсорбционная способность поверхности, но отношению к акцепторным молекулам тем больше, а по отношению к донорным тем меньше, чем больше концентрация свободных электронов (или, чем меньше концентрация свободных дырок) в плоскости поверхности. Говоря о поверхности полупроводника, мы имели дело до сих пор с идеализированной картиной. Мы представляли себе эту поверхность как плоскость со строго периодической структурой. Реальная поверхность отличается от идеальной наличием нарушений ее периодической структуры. Такая поверхность содержит ступеньки, пики, атомы, выброшенные из узлов кристаллической решетки на поверхность, вакансии, и другие макрои микродефекты структуры. Они служат местами для адсорбции газовых молекул: адсорбция происходит преимущественно на этих дефектах, которые называются центрами адсорбции, или адсорбционными центрами. На таких центрах, как и на идеальной поверхности, адсорбция может идти с участием или без участия свободных электронов и дырок (прочная и слабая связь). Очевидно, природа и концентрация адсорбционных центров на поверхности зависит от «биографии» поверхности, т, е. от той обработки, которой она подвергалась [1].

Таким образом, дефекты поверхности, в частности поверхностные примеси, играют при адсорбции двоякую роль. С одной стороны, ими регулируется концентрация свободных электронов и дырок, которой, в свою очередь, регулируются адсорбционные свойства поверхности. С другой стороны, поверхностные дефекты сами по себе могут выступать в роли центров адсорбции.