Подводится итог 40-летней работы автора и его сотрудников в области физикохимии поверхности полупроводников. Книга носит энциклопедический характер. Автор раскрывает механизм процессов, протекающих на поверхности полупроводников. Даётся сводка экспериментальных результатов в науке о поверхности. Полно и систематически изложена электронная теория хемосорбции и катализа.

Для физиков, работающих в области физики полупроводников, а также для физикохимиков, интересующихся вопросами адсорбции и катализа.

Табл. 5. Ил. 154. Библиогр. 488 назв.

Раскрывая эту книгу, читатель вступает на поверхность полупроводника. Здесь разыгрываются те процессы, которые составляют предмет нашего рассмотрения. Поверхность полупроводника вызывает всё возрастающий интерес исследователей. Притом исследователей двух совершенно разных профилей.

Прежде всего — это физики и инженеры, занимающиеся физикой полупроводников и изготовлением полупроводниковых приборов. Всё современное полупроводниковое приборостроение упирается, если так можно выразиться, в проблему поверхности. Действительно, качество полупроводниковых приборов, использование которых в промышленности возрастает с каждым годом, существенно зависит именно от свойств поверхности. Неустойчивость этих свойств, их неконтролируемые изменения с температурой и под влиянием окружающей среды приводят к нестабильности в работе полупроводниковых приборов. Отсюда — большая доля брака при их промышленном изготовлении. В заводских лабораториях в борьбе с браком такого происхождения используются в основном эмпирические методы. Свойства поверхности, природа физико-химических процессов, протекающих на ней, роль внешних факторов до сих пор ещё не раскрыты. Научиться управлять свойствами поверхности — такова одна из первостепенных задач полупроводниковой промышленности.

Но поверхность полупроводника привлекает к себе также внимание исследователей совсем другого профиля - физикохимиков и химиков, занимающихся адсорбцией и катализом. Поверхность полупроводника — это та арена, на которой разыгрываются адсорбционные и каталитические процессы. Действительно, большинство полупроводников являются катализаторами химических реакций. В каталитических исследованиях мы встречаемся с поверхностью полупроводника чаще, чем это может показаться на первый взгляд. Дело в том, что на многих металлах в большинстве случаев бывает надет полупроводниковый чехол, так что процессы, которые, как кажется, протекают на поверхности металла, в действительности протекают на поверхности полупроводника. Перед промышленной химией стоит проблема приготовления достаточно активных катализаторов для тех или иных конкретных реакций. Однако проблема эта до сих пор, как правило, не выходит за рамки грубой эмпирики. Физический механизм каталитического акта всё ещё не раскрыт до конца. Научиться управлять хемосорбционными и каталитическими свойствами поверхности — одна из первостепенных задач химической промышленности.

Таким образом, поверхность полупроводника представляет двоякий интерес: с точки зрения физики полупроводников и полупроводникового приборостроения и с точки зрения хемосорбции и катализа и химической промышленности, использующей каталитические процессы.

Поверхность полупроводника — это граница двух фаз. На этой границе встречаются основные действующие лица нашей книги. Одни из них приходят на поверхность из газовой фазы, это — газовые молекулы; другие — из глубины полупроводника, это — свободные электроны и дырки. Будучи границей двух фаз, поверхность полупроводника находится во взаимодействии с обеими фазами: и с той, что по одну сторону, и с той, что по другую сторону от неё. Поэтому задача о поверхности — это не двухмерная задача, как может показаться на первый взгляд, а по самой своей природе — трёхмерная задача. Исследователи, забывающие об этом, для которых поверхность — двухмерный мир, никогда не разгадают её загадок. Чтобы постичь поверхность, необходимо рассматривать её в совокупности с обеими фазами, границей, между которыми она является. Именно такой подход к поверхности характерен для данной книги.

Эта книга носит в основном теоретический характер. В ней делается попытка раскрыть механизм процессов, протекающих на поверхности полупроводника, и в этом её цель. В то же время книга содержит обзор экспериментального материала. Этот обзор не претендует, однако, на то, чтобы быть исчерпывающим. Он не имеет самодовлеющего интереса в этой книге и служит лишь иллюстрацией к теории. По причинам, не зависящим от автора, при обзоре экспериментального материала не охвачены работы самых последних лет. Однако автор считает, что применительно к данной книге этот недостаток не так уж важен.

Поверхность полупроводника, являясь границей между двумя фазами, представляет собой в то же время границу между двумя науками: физикой и химией. Здесь, выражаясь словами Ломоносова, «физика и химия так переплетены между собой, что одна без другой быть не могут». Современная техника и промышленность часто привлекают наше внимание к проблемам, находящимся на стыке двух разных наук. Это — наиболее многообещающие в научном и практическом отношении проблемы. Проблема поверхности полупроводника, в которую упирается, с одной стороны, полупроводниковое приборостроение, а с другой — каталитическая химия, представляет собой пример таких проблем. Поверхность — это двуликий Янус с лицами, обращёнными в противоположные стороны — к химии и к физике. Поэтому эта книга может представлять интерес как для химиков, так и для физиков.

Учитывая такой двойственный круг читателей, она начинается с двух вводных глав. Первая, посвящённая некоторым вопросам физики полупроводников, предназначена для химиков, не знакомых с этой областью. Во второй главе даются некоторые сведения из учения об адсорбции. Она предназначена для физиков-полупроводниковцев, как правило, мало знакомых с этим кругом вопросов. Для них же предназначен § 1 гл. 5, в котором даны основные понятия теории катализа…

ПРЕДИСЛОВИЕ
Москва, 1984 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ	3

Глава 1. ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ	7

§ 1. «Порядок» и «беспорядок» в кристалле	7
А. Типы дефектов (7). Б. Свойства дефектов (8).
§ 2. Электропроводность неметаллических кристаллов	10
А. Факторы, влияющие на проводимость (10). Б. Типы проводимости (12).
§ 3. Механизм электронной и дырочной проводимости	14
А. Свободные электроны, дырки и экситоны в решётке (14). Б. Электронные и дырочные энергетические уровни (16).
§ 4. Энергетический спектр электрона в бесконечной кристаллической решётке	17
А. Постановка задачи (17). Б. Собственные функции и собственные значения (19). В. Переход к трёхмерной решётке (22). Г. Энергетический спектр дырки (23).
§ 5. Энергетический спектр электрона в ограниченной кристаллической решётке	24
А. Постановка задачи (24). Б. Собственные функции и собственные значения (26). В. Поверхностные уровни Тамма и Шокли (28).
§ 6. Статистика электронов и дырок в полупроводнике	30
А. Функция распределения Ферми-Дирака (30). Б. Электронный и дырочный полупроводники (32). В. Статистика локальных состояний (33). Г. Определение положения уровня Ферми (34).
§ 7. Пределы применимости зонной теории полупроводников	37
А. Характерные черты зонной теории (37). Б. Условия применимости зонной теории (38). В. Понятие о валентной зоне (39).

Глава 2. РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ АДСОРБЦИИ	41

§ 1. Основные закономерности адсорбции	41
А. Основные предпосылки теории Ленгмюра (41). Б. Кинетика адсорбции (42). В. Адсорбционное равновесие (43).
§ 2. Физическая и химическая адсорбции	46
А. Различие между физической и химической адсорбциями (46). Б. Вычисление адсорбционного минимума (47). В. Активированная адсорбция (48). Г. Природа активационного барьера (50).
§ 3. «Прочная» и «слабая» связи при хемосорбции	52
А. «Слабая», «прочная» донорная и «прочная» акцепторная формы хемосорбции (52). Б. Различные формы хемосорбции на ионном кристалле (54). В. Примеры (56).
§ 4. Радикальные и валентно-насыщенные формы хемосорбции	58
А. Свободные валентности поверхности (58). Б. Реакционная способность хемосорбированных частиц (60). В. Примеры радикальных и валентно-насыщенных форм хемосорбции (61). Г. Диссоциация молекулы при адсорбции и рекомбинация хемосорбированных атомов (64).
§ 5. Одноэлектронная связь при хемосорбции	67
А. Постановка задачи (67). Б. Собственные функции и собственные значения (70). В. Поляризация хемосорбированного атома (73).
§ 6. Двухэлектронная связь при хемосорбции	75
А. Постановка задачи (75). Б. Собственные функции и собственные значения (78). В. Свободные электроны решётки как адсорбционные центры (80). Г. Учёт «слабой» связи (81).
§ 7. Квантов о механические расчеты в адсорбции	82
А. Кластерное приближение (82). Б. «Ковалентные» кластеры для решёток окислов (83). В. «Ионные» кластеры для решёток окислов (84).

Глава 3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПРИ ХЕМОСОРБЦИИ	85

§ 1. Переходы между различными формами хемосорбции	85
А. Переходы между энергетическими уровнями (85). Б. Переходы между адсорбционными кривыми (87). В. Равновесие различных форм хемосорбции (89). Г. Понятие «электронных переходов» в теориях хемосорбции (91).
§ 2. Адсорбционное равновесие	93
А. Адсорбционная способность поверхности (93). Б. Заряжение поверхности при адсорбции (95).
§ 3. Кинетика адсорбции	99
А. Постановка задачи (99). Б. Адсорбция при постоянном поверхностном потенциале. Общий случай (102). В. Адсорбция при постоянном поверхностном потенциале. Частные случаи (104). Г. Адсорбция при изменяющемся поверхностном потенциале (108).
§ 4. Кинетика десорбции	111
А. Десорбция при соблюдающемся электронном равновесии (111). Б. Нарушение электронного равновесия при десорбции (ИЗ). В. Неполная десорбция (116).
§ 5. Роль уровня Ферми в хемосорбции	118
А. Уровень Ферми как регулятор хемосорбционных свойств поверхности (118). Б. Происхождение неленгмюровских закономерностей (120). В. Приближения «теории граничного слоя» (122).

Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА С ЕГО ОБЪЁМОМ	124

§ 1. Связь между поверхностными и объемными свойствами полупроводника	124
А. Связь между положениями уровня Ферми на поверхности и в объёме полупроводника (124). Б. Поверхностный потенциал (126). В. Зависимость поверхностного потенциала от различных факторов (130).
§ 2. Эффекты, обусловленные заряжением поверхности	133
А. Влияние адсорбции на работу выхода (133). Б. Поверхностная проводимость (136). В. Влияние внешнего поля и адсорбции на проводимость (139).
§ 3. «Квазиизолированная» поверхность	143
А. Понятие «квазиизолированной» поверхности (143). Б. Некоторые свойства «квазиизолированной» поверхности (146). В. Непрерывный и «квазинепрерывный» энергетический спектр поверхностных состояний (149).
§ 4. Адсорбционные свойства заряженного полупроводника	150
А. Адсорбционная способность заряженного полупроводника (150). Б. Электроадсорбционный эффект (152). В. Адсорбция ионов на полупроводнике (155).
§ 5. Влияние поверхности на распределение примеси внутри полупроводника	157
А. Постановка задачи (157). Б. Распределение примеси в приповерхностном слое полупроводника (159). В. Влияние примеси на адсорбционную способность полупроводника (163). Г. Необратимая адсорбция (166).
§ 6. Адсорбционная способность полупроводниковой плёнки на металле	170
А. Ход потенциала в плёнке (170). Б. Адсорбционная способность плёнки в случае положительного поверхностного заряда (174). В. Адсорбционная способность плёнки в случае отрицательного поверхностного заряда (177).
§ 7. Законы роста полупроводниковой пленки на металле	180
A. Постановка задачи (180). Б. Электрическое поле в плёнке (183). B. Логарифмический закон роста плёнки (187). Г. Параболический и линейные законы роста плёнки (188). Д. Смена законов роста при изменении температуры и давления (192).

Глава 5. КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОЛУПРОВОДНИКА	195

§ 1. Основные понятия катализа	195
А. Полупроводники как катализаторы химических реакций (105). Б. Активность и селективность катализатора (196). В. Энергия активации реакции (198). Г. Электронная теория катализа (200).
§ 2. Роль уровня Ферми в катализе	201
А. Радикальные механизмы гетерогенных реакций (201). Б. Акцепторные и донорные реакции (205).
§ 3. Электронные механизмы каталитических реакций	208
А. Окисление водорода (208). Б. Разложение спирта (210). В. Окисление окиси углерода (215). Г. Дейтеро-водородный обмен (219).
§ 4. Связь между каталитической активностью полупроводника и его электронными характеристиками	223
A. Происхождение связи между работой выхода, электропроводностью и активностью (223). Б. Экспериментальные данные по связи работы выхода и электропроводности с каталитической активностью (226). B. Изменения работы выхода и электропроводности в процессе реакции (228). Г. О корреляции между каталитической активностью и шириной запрещённой зоны в энергетическом спектре полупроводника (233).
§ 5. Влияние различных факторов на каталитическую активность	234
А. Влияние внешнего электрического поля (234). Б. Каталитические свойства полупроводниковой плёнки на металле (236). В. Механизм влияния примесей (238). Г. Экспериментальные данные по влиянию примесей (243). Д. Компенсационный эффект (246).

Глава 6. ПРОЦЕССЫ НА РЕАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ	251

§ 1. Нарушение ленгмюровских закономерностей на реальной поверхности	251
А. Концепция «неоднородной поверхности» (251). Б. Концепция «взаимодействия» (254).
§ 2. «Функция распределения» по теплотам адсорбции	257
А. Неоднородность, обусловленная неравномерным размещением примеси (257). Б. Связь между градиентом концентрации примеси и «функцией распределения» по теплотам адсорбции (259). В. Примеры неоднородных поверхностей (262).
§ 3. Роль в адсорбции структурных дефектов поверхности	264
А. Адсорбция на структурном дефекте (264). Б. Адсорбция на дефектах теплового происхождения (268). В. Адсорбция на поверхности «неупорядоченного» полупроводника (271).
§ 4. Адсорбция на дисперсных полупроводниках	273
А. Адсорбционные свойства дисперсного полупроводника (273). Б. Компенсационный эффект на дисперсных полупроводниках (277).
§ 5. Управление стехиометрией кристаллов	280
А. Некоторые теоретические соображения (280). Б. Экспериментальные результаты (281).

Глава 7. ВЛИЯНИЕ ОСВЕЩЕНИЯ НА АДСОРБЦИОННЫЕ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКА	285

§ 1. Фотоадсорбционный эффект	285
А. Положительный и отрицательный фотоадсорбционные эффекты (285). Б. Фотоадсорбционный эффект на идеальной и реальной поверхностях (286). В. Некоторые экспериментальные данные (288).
§ 2. Фотоадсорбционный эффект на идеальной поверхности	290
А. Изменение содержания различных форм хемосорбции под влиянием освещения (290). Б. Учёт аннигиляции экситонов на хемосорбированных частицах (293). В. Механизм влияния освещения на адсорбционную способность поверхности (294). Г. Величина фотоадсорбционного эффекта (297).
§ 3. Знак и абсолютная величина фотоадсорбционного эффекта на идеальной поверхности	298
А. Постановка задачи (298). Б. Решение для аппроксимированного хода потенциала (300). В. Случай экситонного механизма поглощения света (303). Г. Интерпретация результатов (305). Д. Случай сильного возбуждения (307).
§ 4. Адсорбционные центры при фотоадсорбции	310
А. Природа адсорбционных центров (310). Б. Концентрация адсорбционных центров (312). В. Изменение концентрации адсорбционных центров под влиянием освещения (316).
§ 5. Фотоадсорбционный эффект на реальной поверхности	319
А. Адсорбция после предварительного освещения (319). Б. Знак и абсолютная величина фотоадсорбционного эффекта (323). В. «Прямая фотодесорбция» (325). Г. Эффект последействия (326).
§ 6. Сравнение теории фотоадсорбционного эффекта с экспериментальными данными	329
А. Влияние освещения на адсорбционную способность поверхности (329). Б. «Эффекты памяти» при фотоадсорбции (331). В. Некоторые теоретические прогнозы (336).
§ 7. Фотокаталитический эффект	337
А. Механизм фотокаталитического эффекта (337). Б. Реакция дейтеро-водородного обмена (340). В. Реакция окисления окиси углерода: сводка экспериментальных данных и механизм реакции (344). Г. Реакция окисления окиси углерода: сравнение теории с экспериментом (347). Д. Реакция синтеза перекиси водорода: сводка экспериментальных данных и механизм реакции (349). Е. Реакция синтеза перекиси водорода: сравнение теории с экспериментом (352).

Глава 8. АДСОРБЦИЯ И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ	355

§ 1. Некоторые сведения о люминесценции кристаллов	355
A. Различные виды люминесценции (355). Б. Центры свечения (356). B. Центры прилипания и центры тушения (359).
§ 2. Влияние адсорбции на люминесценцию	360
А. Различные механизмы влияния адсорбции на фотолюминесценцию (360). Б. Рекомбинационная люминесценция. Постановка задачи (362). В. Рекомбинационная люминесценция. Предельные случаи (363). Г. Рекомбинационная люминесценция. Некоторые экспериментальные данные (365). Д. Экситонная люминесценция. Постановка задачи (367). Е. Экситонная люминесценция. Обсуждение результатов (369).
§ 3. Основные закономерности радикало-рекомбинационной люминесценции	370
A. Спектральный состав радикало-рекомбинационной люминесценции (370). Б. Влияние температуры на интенсивность РРЛ (372). B. Влияние внешнего электрического поля на интенсивность РРЛ (375). Г. Влияние освещения на интенсивность РРЛ (377).
§ 4. Механизм радикало-рекомбинационной люминесценции	380
A. Механизм возбуждения (380). Б. Механизм высвечивания (382). B. Зависимость интенсивности РРЛ от положения уровня Ферми (384). Г. Зависимость интенсивности РРЛ от внешнего электрического поля (387). Д. Зависимость интенсивности РРЛ от температуры (390). Е. Радикало-фотолюминесценция (392).
§ 5. Адсорболюминесценция	393
А. Некоторые сведения об адсорболюминесценции (393). Б. Механизм и кинетика адсорболюминесценции (395). В. Адсорболюминесценция вблизи адсорбционного равновесия (397). Г. Адсорболюминесценция и адсорбоэмиссия электронов (398). Д. Люминесценция, сопровождающая каталитическую реакцию на поверхности (401).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ	404

А. «Локальный» и «коллективный» эффекты в хемосорбции и катализе (404). Б. Основные положения электронной теории хемосорбции (406). В. Электронная теория хемосорбции и эксперимент (408).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ	410
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ	421

Книги на ту же тему

Химическая физика поверхности твёрдого тела, Моррисон С., 1980
Неравновесные приповерхностные процессы в полупроводниках и полупроводниковых приборах, Зуев В. А., Саченко А. В., Толпыго К. Б., 1977
Методы анализа поверхностей, Зандерна А. В., ред., 1979
Электронные явления в гетерогенном катализе, Рогинский С. 3., 1975
Физико-химия поверхности полупроводников, Волькенштейн Ф. Ф., 1973
Тонкие плёнки, их изготовление и измерение, Метфессель С., 1963
Электронные свойства двумерных систем, Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф., 1985
Арсенид галлия. Получение, свойства и применение, Кесаманлы Ф. П., Наследов Д. Н., ред., 1973
Излучательная рекомбинация в полупроводниках: Сборник статей, Покровский Я. Е., ред., 1972
Электронные процессы в некристаллических веществах, Мотт Н., Дэвис Э., 1974
Теория экситонов, Нокс Р., 1966
Флуктуационные явления в полупроводниках, Ван-дер-Зил А., 1961
Оптические процессы в полупроводниках, Панков Ж., 1973
Квантовая теория явлений электронного переноса в кристаллических полупроводниках, Зырянов П. С., Клингер М. И., 1976
Статистическое взаимодействие электронов и дефектов в полупроводниках, Винецкий В. Л., Холодарь Г. А., 1969
Электроны и фононы в ограниченных полупроводниках, Басс Ф. Г., Бочков В. С, Гуревич Ю. Г., 1984
Самоорганизация в полупроводниках. Неравновесные фазовые переходы в полупроводниках, обусловленные генерационно-рекомбинационными процессами, Шёлль Э., 1991
Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твёрдых телах, Лущик Ч. Б., Лущик А. Ч., 1989
Поверхностные свойства германия и кремния, Боонстра А., 1970
Введение в физику поверхности, Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А., Зотов А. В., Катаяма М., 2006
Горячие электроны и сильные электромагнитные волны в плазме полупроводников и газового разряда, Басс Ф. Г., Гуревич Ю. Г., 1975
Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешётками, Басс Ф. Г., Булгаков А. А., Тетервов А. П., 1989
Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп, Маделунг О., 1967
Субмиллиметровая спектроскопия коллективных и связанных состояний носителей тока в полупроводниках, Мурзин В. Н., 1985
Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках, Пожела Ю. К., 1977
Жидкие полупроводники, Катлер М., 1980
Новые методы полупроводниковой СВЧ-электроники. Эффект Ганна и его применение, 1968
Сверхпроводимость полупроводников и переходных металлов, Коэн М., Глэдстоун Г., Йенсен М., Шриффер Д., 1972
Химическое состояние и атомная структура поверхности г.ц.к. металлов в реакции взаимодействия с галогенами, Конов В. И., Ельцов К. Н., ред., 2003
Плазменная технология в производстве СБИС, Айнспрук Н., Браун Д., ред., 1987
Основы химической кинетики и катализа, Байрамов В. М., 2003
Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны, Сидоров Н. В., Волк Т. Р., Маврин Б. Н., Калинников В. Т., 2003
Механизмы вторичной электронной эмиссии рельефной поверхности твёрдого тела, Новиков Ю. А., ред., 1998
Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твёрдого тела, Экштайн В., 1995
Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры, Тсанг У., ред., 1990
Лекции по физике твёрдого тела: Принципы строения, реальная структура, фазовые превращения, Жданов Г. С., Хунджуа А. Г., 1988
Квантовая теория твёрдых тел, Пайерлс Р., 1956
Нелинейные свойства твёрдых тел, 1972
Гиротропия кристаллов, Кизель В. А., Бурков В. И., 1980
Сложные алмазоподобные полупроводники, Горюнова Н. А., 1968
Методы физико-химической кинетики, Туницкий Н. Н., Каминский В. А., Тимашев С. Ф., 1972
Физико-химические аспекты технологии кристаллов сложных оксидов для твердотельных лазеров, Кузьминов Ю. С., ред., 2002
Спектроскопические свойства активированных лазерных кристаллов, Гёрлих П., Каррас Х., Кётитц Г., Леман Р., 1966
Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие, Немудров В., Мартин Г., 2004
Математика диффузии в полупроводниках, Малкович Р. Ш., 1999
Молекулярная теория адсорбции в пористых телах, Товбин Ю. К., 2013
Каталитические и кинетические волны в полярографии, Майрановский С. Г., 1966
Природные сорбенты, Быков В. Т., ред., 1967
Методика изучения полупроводников в школе, Буров В. А., 1965
Полупроводниковые приборы с биполярной проводимостью, Квасков В. Б., 1988

elapsed time 0.021 sec

/Наука и Техника/Физика

ОГЛАВЛЕНИЕ

Книги на ту же тему