МОДИФИКАЦИЯ ДИАГРАММЫ УРОВНЕЙ, СВЯЗАННАЯ С НАЛИЧИЕМ ДВОЙНЫХ СЛОЕВ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Рис. 2.7. Видоизмененная диаграмма электронных уровней в металле при наличии на поверхности двойных слоев.

Возникновение двойного электрического слоя на поверхности образца может быть обусловлено адсорбцией атомов. Двойной слой образуется также потому, что он способствует сохранению электрической квазинейтральности на поверхности кристалла, где периодичность поля нарушается. Медленные электроны, движущиеся из глубины кристалла и вылетающие наружу, не могут удалиться на большое расстояние от поверхности и образуют вблизи нее облако заряда. В этом случае также возникает дипольный слой. Какова бы ни была причина образования двойного электрического слоя, с ним всегда связан скачок потенциала на поверхности кристалла. Этот скачок может быть как положительным, так и отрицательным. Таким образом, макропотенциал внутри кристалла отличается от макропотенциала в окружающем вакууме, т. е. от «уровня вакуума». Видоизмененная диаграмма уровней показана на рис. 2.7.

Макропотенциал в кристалле отличается от макропотенциала в окружающем вакууме.

Если металл поместить в электрическое поле, то кривая потенциала во внешней области будет иметь некоторый наклон, но в остальном схема уровней на рис. 2,7 при тех небольших полях, которые обычно встречаются в эксперименте (т. е. когда эффект Шоттки мал), не изменится.

В случае же полупроводника или диэлектрика электрические силовые линии проникают в кристалл на некоторую глубину; в результате создается пространственный заряд, и зоны и внутренние уровни несколько искривляются, как показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Видоизмененная диаграмма уровней полупроводника или диэлектрика при наличии электрического поля, когда образуется пространственный заряд и происходит искривление электронных уровней.

Электрическое поле, с которым связан этот эффект, обусловлено контактным потенциалом (потенциалом Вольта) между полупроводником или диэлектриком и стенками контейнера или любым другим материалом, от которого полупроводник (диэлектрик) отделен вакуумом. При уменьшении расстояния между двумя материалами электрическое поле возрастает; это приводит к искривлению энергетических уровней. Однако контактный потенциал при этом уменьшается, и в предельном случае, когда оба материала приводятся в контакт друг с другом, потенциал Вольта становится равным нулю.

Изменение макропотенциала в этом случае обусловлено искривлением энергетических уровней; оно приблизительно равно величине контактного потенциала при бесконечно большом удалении двух поверхностей друг от друга, т. е. составляет обычно несколько десятых электронвольта. Именно с такой ситуацией мы имеем дело при наличии контакта двух разных материалов в полупроводниковых приборах.

Если образец используется как источник электронов в методе ЭСХА, ситуация будет иной. Толщина образца обычно достаточно велика, и электроны, которые вылетают из атомов, находящихся на границе раздела между образцом и подложкой, не дают никакого вклада в электронный спектр. Следовательно, искривлением уровней на этой границе можно пренебречь. В общем случае следует, однако, учитывать искривление уровней в поверхностном слое на границе между образцом и вакуумом. Так как пластины входной щели спектрометра находятся на расстоянии около 5 мм от этой поверхности, электрическое поле, обусловленное контактной разностью потенциалов, мало и вызывает незначительное искривление уровней на границе образец – вакуум.

Бардин в 1947 г. ввел понятие поверхностных состояний. Они могут существовать в запрещенной зоне полупроводника и могут быть заполнены вплоть до уровня Ферми. В последнем случае непосредственно у поверхности полупроводника образуется слой, в котором концентрация электронов мала. Поле, созданное электронами, заполнившими поверхностные уровни, и неэкранированными положительными ионами, находящимися в области с малой концентрацией электронов, вызывает искривление уровней в этой области. По величине это искривление не больше, чем разница в энергиях между вершиной валентной зоны и уровнем Ферми. Следует заметить, что в электронной спектроскопии этому эффекту до сих пор уделялось недостаточно внимания.