Analogies between semiconductors and electrolyte solutions (in particular of surface effects due to space charges and gouy layers)

(Philips Research Laboratories. Eindhoven-Netherlands.), Netherlands.

Abstract

Analogies are pointed out, from a thermodynamic point of view, between double layer systems at the semiconductor/ gas interface and at solid (AgI)/aq.soln. interfaces. The free energy of the electrical double layer is used to estimate possible orders of magnitude of the effect of the electrostatic barrier upon the adsorption of ionized compounds.

Experiments leading to information concerning surface states on Ge and Si surfaces are mentioned. The oxidation of the surface, and many other types of chemical interaction with other gases, leads to a decrease of the surface state density (Boonstra) and of the adsorptive power of the surface region as can be inferred from ellipsometric measurements (Bootsma and Meyer).

To a rough approximation there exists a linear relationship at room temperature between the oxygen coverage on oxidized Si surfaces and In p where p is the equilibrium oxygen pressure, whereas there is also an approximate linear relationship between the Ag⁺ or I^- ion coverage on the Agl surface and ln c where c is the Ag⁺ or the I^- ion concentration in the bulk of the adjoining solution. This common behaviour is interpreted by means of the consideration, in the pertinent equation of state of the adsorbed species, of a second virial coefficient which originates from the surface potential barrier in these cases.

A positive second virial coefficient may also arise when the molecular structure of the substrate surface is altered as a result of the adsorption. This possibility is briefly discussed.

Finally the attraction between two electrically connected semiconductor plates at a given distance, is discussed and it is pointed out that the force-distance relationship, here is always weaker than the force-distance relationship between two metal plates.

Résumé

On montre les analogies du point de vue thermodynamique entre les systèmes de couches doubles à l’interface gaz/semi- conducteur et aux interfaces AgI solide/solution aqueuse. L’énergie libre de la couche double électrique est utilisée pour évaluer les ordres de grandeur possible de l’effet de la barrière électrostatique sur l’adsorption des composés ionisés.

Les expériences conduisant à des informations sur les états de surface de Ge et Si sont mentionnés. L’oxydation de la surface ainsi que de nombreux types d’interactions chimiques avec d’autres gaz, conduisent à la diminution de la densité de l’état de surface (Boonstra) et du pouvoir adsorbant de la région superficielle comme cela peut être montré d’après les mesures ellipsométriques (Bootsma et Meyer).

En première approximation, il existe une relation linéaire, à la température ordinaire, entre la quantité d’oxygène recouvrant les surfaces de Si oxydé et Log p où p est la pression d’oxygène à l’équilibre, alors qu’il y a aussi une relation approximative linéaire entre les quantités d’Ag⁺ ou de I- à la surface d’AgI et Log c où c est la concentration ionique de Ag⁺ ou I^- au sein de la solution environnante.

Ce comportement semblable est interprété en considérant, dans l’équation d’état convenable de l’espèce adsorbée, le second coefficient du viriel qui provient dans ces cas de la barrière de potentiel de surface.

Un second coefficient du viriel positif peut aussi apparaître quand la structure moléculaire de la surface du substrat est altérée par suite de l’adsorption. On discute cette possibilité brièvement.

Finalement l’attraction entre deux faces de semi-conducteur reliées électriquement à une distance donnée est discutée et on montre que la relation entre la force et la distance est ici toujours plus faible que la relation entre la force et la distance entre deux plaques de métal.

Zusammenfassung

Man zeigt die Ahnlichkeiten vom Wärmelehrengesichtspunkt her zwischen den Systemen der Doppelschichten an der Berührungsstelle Gas/Halbleiler und an der Berührungsstelle Gas/Halbleiter und an der Berührungsstelle AgI (Festkörper) /wässrige Lösung. Die freie Energie der elektrischen Doppelschicht ist benutzt, die mögliche Grössenordnung der elektrostatischen Schnellwirkung auf die Adsorption der Ionenverbindungen abzuschätzen.

Die Versuche, welche zu Informationen über die Zustände der Oberflächen von Ge und Si führen, sind erwähnt. Die Oxydation der Oberfläche, wie auch die zahlreichen Arten chemischer Interaktionen mit anderen Gasen führen zur Verminderung der Dichte des Flächenzustandes (Boonstra) und des Adsorptionsvermögens des Oberfiächengebiets, wie dies auf Grund der ellipsometrischen Messungen (Bootsma und Meyer) bewiesen werden kann.

In erster Annäherung besteht bei gewöhnlicher Temperatur eine lineare Beziehung zwischen der Sauerstollmenge, welche die oxydierten Si-Flächen bedeckt, und dem Log p, wo p der Sauerstoffdruck beim Gleichgewicht darstellt; während auch eine ungefähre lineare Beziehung zwischen den Quantitäten von Ag+ oder I- an der Oberfläche von Agl und Log c besieht, wo c die ionische Konzentration von Ag+ oder I- in der umgebenden Lösung darstellt.

Dieses ähnliche Verhalten ist interpretiert, indem man in der zutreffenden Zustandsgleichung der adsorbierten Art den zweiten Virialkoeffizienten beachtet, der sich in diesen Fällen aus der Potentialschwelle der Oberfläche ergibt.

Ein zweiter positiver Virialkoeffizient kann auch auftreten, wenn der molekulare Aufbau der Oberfläche des Substrats in Folge von Adsorption verändert ist. .Man diskutiert kurz diese Möglichkeit.

Endlich wird die Anziehung zwischen zwei Halbleiterflächen besprochen die bei gegebener Entfernung elektrisch verbunden sind, und man beweist, dass hier die Beziehung zwischen Kraft und Entfernung immer schwächer ist, als die Beziehung zwischen Kraft und Entfernung von zwei Metallplatten.