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 EF становится ближе к дну зоны проводимости Ec, чем к потолку валентной зоны Ev, 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; Eс - дно зоны проводимости, Ev, - вершина валентной зоны, js - поверхностный потенциал электрич. поля, ЕF- уровень Ферми; б - Потенциальная яма для электрона при js>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 Es - напряжённость электрич. поля на поверхности, Eg - ширина запрещённой зоны, lD - 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 EF
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 Ei 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. ns, 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, gv - число эквивалентных энергетич. зон в импульсном пространстве. Для И. с. в кристаллографич. плоскости (100) p-Si gv-2, для И. с. в p-GaAs gv=l. При малых поверхностных концентрациях ns, 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(pns)1/2 к ср. кинетической, к-рая при низких температурах 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.
3. С. Грибников, В. М. Пудалов
|
|
 |
