固體材料表面和界面電子過程

1、固體材料表面和界面電子過程2 電子運動狀態(tài)：能量、運動的范圍電子運動狀態(tài)：能量、運動的范圍 電子運動的特點：微質點、高速度運動電子運動的特點：微質點、高速度運動 不可能確定某電子在某空間位置不可能確定某電子在某空間位置用用在空在空 間出現(xiàn)的概率間出現(xiàn)的概率(電子云及密度電子云及密度) 能量不連續(xù)能量不連續(xù)能級能級決定電子運動狀態(tài)是主要取決于對電子的作用勢決定電子運動狀態(tài)是主要取決于對電子的作用勢(原子核、電子間原子核、電子間)具體電子運動狀態(tài)是通過薛定鄂方程求出電子的波具體電子運動狀態(tài)是通過薛定鄂方程求出電子的波函數(shù)及其對應的本征能量。函數(shù)及其對應的本征能量。電子的特點電子的特點3無數(shù)電子形成

2、一個系統(tǒng)以后，電子運動特性無數(shù)電子形成一個系統(tǒng)以后，電子運動特性(范圍范圍) 能帶能帶當原子與原子結合成固體時，原子之間存在相互當原子與原子結合成固體時，原子之間存在相互作用，電子存在共有作用；作用，電子存在共有作用；原子能級分裂成能級示意圖4能帶理論簡介能帶理論簡介 5 K空間：又稱波矢空間，描述微觀粒子運動狀態(tài)的空間，K空間中的一個點對應著一個確定的狀態(tài)K空間是以倒格子為基礎的倒格空間在k空間中，電子能量En(k)函數(shù)關系6E Ek, k, 能帶結構（能量色散關系）能帶結構（能量色散關系）SiSi立方立方晶系 晶體的能帶結構（半導體，間接能隙）晶體的能帶結構（半導體，間接能隙）價帶價帶導帶

3、導帶價帶頂價帶頂導帶底導帶底7 半導體的基礎知識半導體的基礎知識 半導體；半導體；N-type P-typeN-type P-type半導體；導帶；價帶；禁半導體；導帶；價帶；禁帶帶本征半導體本征半導體 雜質半導體雜質半導體 載流子運動方式及形成電流載流子運動方式及形成電流8v純凈的、不含雜質的半導體1.1 本征半導體9v雜質半導體分雜質半導體分：N型半導體和P型半導體兩類vN型半導體 雜質半導體半導體 結構圖結構圖10電子 正離子對施主雜質原子電離 電子 空穴對 熱激發(fā) 載流子載流子雜質半導體半導體 N N型半導體中的多數(shù)載流子型半導體中的多數(shù)載流子( (多子）多子） 為為電子電子。空穴空穴

4、為少數(shù)載流子（少子為少數(shù)載流子（少子）呈電中性 11v P P型半導體型半導體 結構圖結構圖雜質半導體半導體12 空穴 負離子對受主雜質原子電離 空穴 電子對 熱激發(fā) 載流子載流子 P P型半導體中的多數(shù)載流子型半導體中的多數(shù)載流子( (多子）多子） 為為空穴空穴。電子電子為少數(shù)載流子（少子）為少數(shù)載流子（少子）雜質半導體半導體呈電中性 13v 擴散運動及擴散電流擴散運動及擴散電流擴散運動擴散運動：載流子受擴散力的作用所作的運動稱為擴散運動。擴散電流擴散電流：載流子擴散運動所形成的電流稱為擴散電流。 載流子運動方式及其電流載流子運動方式及其電流 擴散電流大小與載流子濃度梯度成正比擴散電流大小與

5、載流子濃度梯度成正比濃度差 擴散運動 擴散電流擴散力14v 漂移運動和漂移電流漂移運動和漂移電流 漂移運動漂移運動：載流子在電場力作用下所作的 運動稱為漂移運動。漂移電流漂移電流：載流子漂移運動所形成的電流稱為漂移電流。載流子運動方式及其電流載流子運動方式及其電流 漂移電流大小與電場強度成正比漂移電流大小與電場強度成正比電位差 漂移運動 漂移電流電場力153.1 PNPN結結1. pn結定義：結定義：把一塊把一塊p型半導體和型半導體和一塊一塊n型半導體結合型半導體結合在一起，由于在一起，由于P、N區(qū)載流子濃度不等，區(qū)載流子濃度不等，N區(qū)電子濃度向區(qū)電子濃度向P區(qū)區(qū)擴散，擴散，P區(qū)空穴向區(qū)空穴向

6、N區(qū)擴散，結果在交界區(qū)擴散，結果在交界面處積累電荷形成電面處積累電荷形成電偶極層，將該結構稱偶極層，將該結構稱為為p-n結結 帶負電荷的電離受主電離受主帶正電荷電離施主帶正電荷電離施主16 平衡平衡p-n結的能帶圖結的能帶圖 1） 電子從費米能級高的n區(qū)流向費米能級低的p區(qū)，空穴則從p區(qū)流向n區(qū)，因而EFn下移，而EFp移，直至EFn=EFp時為止。這時p-n結中有統(tǒng)一的費米級能Ef2)空間電荷區(qū)內電勢V(x) V(x):np降低電子電勢能-qV(x)n p區(qū)不斷升高p區(qū)的能帶上移，n區(qū)能帶下移，直至費米能級處處相等時，p-n結達到平衡狀態(tài)。EFn和EFp分別表示n型和p型半導體的費米能級能帶

7、圖特點：172 PNPN結基本特性結基本特性帶負電荷的帶負電荷的電離受主電離受主帶正電荷電離施主帶正電荷電離施主電離施主與少量空穴的正電荷嚴格平衡電子電荷電離受主電離受主與少量電子少量電子的負電荷嚴格平衡空穴電荷電中性電中性負電荷區(qū)負電荷區(qū)正電荷區(qū)正電荷區(qū)空間電荷1) 空間電荷空間電荷18d）對于空穴，情況完全相似。）對于空穴，情況完全相似。e）沒有電流流過）沒有電流流過p-n結?；蛘哒f流過結?；蛘哒f流過p-n結的凈電流為零結的凈電流為零 空間電荷區(qū)的特點：空間電荷區(qū)的特點：a）內建電場）內建電場 在內建電場作用下，載流子作漂移運動。在內建電場作用下，載流子作漂移運動。電子和空穴的漂移運動方向

8、與它們各自的擴散運動方電子和空穴的漂移運動方向與它們各自的擴散運動方向相反。內建電場起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴散的作向相反。內建電場起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴散的作用。用。b）在無外加電壓的情況下，載流子的擴散和漂移最終在無外加電壓的情況下，載流子的擴散和漂移最終將達到動態(tài)平衡將達到動態(tài)平衡，c）電子的擴散電流和漂移電流的大小相等、方向相反電子的擴散電流和漂移電流的大小相等、方向相反而互相抵消而互相抵消。E19PNPN結基本特性結基本特性PNPN結平衡結平衡 VD阻止多子繼阻止多子繼續(xù)擴散，同時有續(xù)擴散，同時有利少子定向漂移利少子定向漂移VD：勢壘電壓VD = 0.60.8V 或 0.20.3VV

9、D202)單向導電性 PNPN結加正向電壓結加正向電壓流過PN結的電流隨外加電壓U的增加而迅速上升，PN結呈現(xiàn)為小電阻。該狀態(tài)稱為PN結正向導通狀態(tài)。PN正向應用UUU21 PNPN結加反向電壓結加反向電壓流過PN結的電流稱為反向飽和電流(即IS)，PN結呈現(xiàn)為大電阻。該狀態(tài)稱為PNPN結反向結反向截止狀態(tài)。截止狀態(tài)。PN反向運用 UU22一個一個p-n結在低頻電壓下，能很好地起整流作用，但是當電結在低頻電壓下，能很好地起整流作用，但是當電壓頻率增高時，其整流特性變壞壓頻率增高時，其整流特性變壞 p-n結電容包括勢壘電容結電容包括勢壘電容和擴散電容兩部分。和擴散電容兩部分。3) p-n結電容特

10、性結電容特性部分電子和空穴部分電子和空穴“存入存入”勢壘區(qū)勢壘區(qū) 勢壘區(qū)寬度變窄，勢壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少空間電荷數(shù)量減少 電子和空穴中和電子和空穴中和23在外加正向偏壓增加時，將有一部分電子和空穴在外加正向偏壓增加時，將有一部分電子和空穴“存入存入”勢勢壘區(qū)。反之，當正向偏壓減小時，勢壘區(qū)的電場增強，勢壘壘區(qū)。反之，當正向偏壓減小時，勢壘區(qū)的電場增強，勢壘區(qū)寬度增加，空間電荷數(shù)量增多，這就是有一部分電子和空區(qū)寬度增加，空間電荷數(shù)量增多，這就是有一部分電子和空穴從勢壘區(qū)中穴從勢壘區(qū)中“取出取出”。當當p-n結加正向偏壓時，勢壘區(qū)的電場隨正向偏壓的增結加正向偏壓時，勢壘區(qū)的電場隨正向偏壓

11、的增加而減弱勢壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少，因為空加而減弱勢壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少，因為空間電荷是由不能移動的雜質離子組成的，所以空間電荷間電荷是由不能移動的雜質離子組成的，所以空間電荷的減少是由于的減少是由于n區(qū)的電子和區(qū)的電子和p區(qū)的空穴過來中和了勢壘區(qū)區(qū)的空穴過來中和了勢壘區(qū)中一部分電離施主和電離受主；中一部分電離施主和電離受主；p-n結上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的結上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的“存入存入”和和“取出取出”作用，導致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨作用，導致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個電容器的充放電作用相似。這外加電壓而變

12、化，這和一個電容器的充放電作用相似。這種種p-n結的電容效應稱為勢壘電容結的電容效應稱為勢壘電容24擴散電容擴散電容積累的非平衡積累的非平衡空穴也增加空穴也增加,與與它保持電中性它保持電中性的電子也相應的電子也相應增加增加非平衡電子非平衡電子和與它保持和與它保持電中性的空電中性的空穴也要增加穴也要增加正向偏壓空穴從P區(qū)注入n區(qū)，增加了n區(qū)的空穴積累，增加了濃度梯度由于擴散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產生由于擴散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產生的電容效應，稱為的電容效應，稱為p-n結的擴散電容。結的擴散電容。 p-n結的勢壘結的勢壘電容和擴散電容都隨外加電壓而變化，是可變電容。電容和擴散電容

13、都隨外加電壓而變化，是可變電容。h+h+e-e-電子從n 區(qū)注入P區(qū)，增加了P區(qū)的電子積累，增加了濃度梯度25a.平衡p-n結的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差VD，稱為p-n結的接觸電勢差或內建電勢差。4）p-n結接觸電勢差結接觸電勢差b. 相應的電子電勢能之差即能帶的彎曲量相應的電子電勢能之差即能帶的彎曲量qVD稱為稱為p-n結的勢壘高度結的勢壘高度 qVDEFn-EFp 263.2 金屬和半導體的接觸特性金屬和半導體的接觸特性1.1.金屬和半導體的功函數(shù)金屬和半導體的功函數(shù)金屬的功函數(shù)金屬的功函數(shù): 在絕對零度時，一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內部逸出到真空中靜止所需要的最小能量 Wm=

14、E0-(EF)mE0表示真空中靜止電子的能量 27在絕對零度時，一個起始能量等于費米能級的電子，由半導體內部逸出到真空中所需要的最小能量半導體的功函數(shù)半導體的功函數(shù)Ws=E0-(EF)s E0-Ec 從Ec到E0的能量間隔 又稱為電子親合能，它表示要使半導體導帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。 半導體的功函數(shù)又可表示為 Ws= + = +En sFcEE)( En=Ec-(EF)s 又稱肖特基勢壘28 半導體功函數(shù)與雜質濃度的關系半導體功函數(shù)與雜質濃度的關系(計算值計算值) 292.接觸電勢差（1 1）設想有一塊金屬和一塊）設想有一塊金屬和一塊n n型半導體，它們有共型半導體，它們有共同的真

15、空靜止電子能級，并假定金屬的同的真空靜止電子能級，并假定金屬的功函數(shù)大于功函數(shù)大于半導體的功函數(shù)，即半導體的功函數(shù)，即W Wm mWWs s；EF(S) EF(M)(a)接觸前(b)間隙很大30(c)緊密接觸；(d)忽略間隙 金屬和金屬和n型半導體接觸能帶圖型半導體接觸能帶圖(WmWs) 31特點：特點：1 1）隨著）隨著D D的減小，靠近半導體一的減小，靠近半導體一側的金屬表面負電荷密度增加，同時，側的金屬表面負電荷密度增加，同時，靠近金屬一側的半導體表面的正電荷密靠近金屬一側的半導體表面的正電荷密度也隨之增加。度也隨之增加。2 2）由于半導體中自由電荷密度的限制，）由于半導體中自由電荷密度

16、的限制，正電荷分布在半導體表面相當厚的一層正電荷分布在半導體表面相當厚的一層表面層內，即空間電荷區(qū)。表面層內，即空間電荷區(qū)。(c)緊密接觸緊密接觸表面勢：在空間電荷區(qū)內便存在一定的電場，造成能帶彎表面勢：在空間電荷區(qū)內便存在一定的電場，造成能帶彎曲，使半導體表面和內部之間存在電勢差曲，使半導體表面和內部之間存在電勢差Vs，即表面勢。，即表面勢。接觸電勢差一部分降落在空間電荷區(qū)，另一部分降落在金接觸電勢差一部分降落在空間電荷區(qū)，另一部分降落在金屬和半導體表面之間，于是有屬和半導體表面之間，于是有 VmsVs qWWmsVm金屬的電勢；Vs半導體電勢；Vms:接觸電勢；Vs:表面電勢32若若D小到

17、可以與原子間距相比較，小到可以與原子間距相比較，電子就可自由穿過間隙，這時電子就可自由穿過間隙，這時Vms很小，接觸電勢差絕大部分很小，接觸電勢差絕大部分降落在空間電荷區(qū)。降落在空間電荷區(qū)。特點：特點：1）(Ws-Wm)/q=Vs。d）忽略間隙）忽略間隙3)金屬一邊的勢壘高度：金屬一邊的勢壘高度：q ns=qVD+En=-qVs+En=Wm-Ws+En=Wm- 2)半導體一邊的勢壘高度為半導體一邊的勢壘高度為qVD=-qVs=Wm-Ws334) 半導體表面形成一個正的空間電荷半導體表面形成一個正的空間電荷區(qū)，電場體內指向表面；區(qū)，電場體內指向表面；Vs 0,半導體表面電子的能量高于體半導體表面

18、電子的能量高于體內，能帶向上彎曲，形成表面勢壘。內，能帶向上彎曲，形成表面勢壘。勢壘空間中空間電荷由電離施主形成，勢壘空間中空間電荷由電離施主形成，電子濃度比體內小，形成一個阻擋層電子濃度比體內小，形成一個阻擋層。34nsqn型型Ge、Si，GaAs的的 測量值測量值(300K)353.3 表面勢與表面態(tài)表面勢與表面態(tài)363738其中v(r)為體內價電子電荷密度，a為常數(shù)。在定性地討論在定性地討論Vzc(r)的特征時，其表達式可表的特征時，其表達式可表示為：示為：Vzc(r): 價電子間的交換和相關勢3924041(3)表面態(tài)類型表面態(tài)類型42(4)43產生表面空間電荷層的條件：表面的外電場；

19、產生表面空間電荷層的條件：表面的外電場；半導體上的絕緣層中存在的電荷在表面感生的半導體上的絕緣層中存在的電荷在表面感生的電場；電場；表面因產生離子吸附而引起的表面電場表面因產生離子吸附而引起的表面電場; 金屬、金屬、與半導體與半導體(或絕緣體或絕緣體)因功函數(shù)不同而形成接觸因功函數(shù)不同而形成接觸電勢等。電勢等。表面處電場存在表面處電場存在載流子在表面響應載流子在表面響應重新分重新分布布產生屏蔽作用，阻止外場深入內部；產生屏蔽作用，阻止外場深入內部；(5)金屬材料：自由載流子密度很大，表面形成金屬材料：自由載流子密度很大，表面形成極薄層極薄層(數(shù)量級數(shù)量級)就足以將外場屏蔽掉；就足以將外場屏蔽掉

20、；半導體材料：自由載流子密度小，必須經過半導體材料：自由載流子密度小，必須經過一定距離后，才能將外電場屏蔽掉，這個區(qū)一定距離后，才能將外電場屏蔽掉，這個區(qū)域就是表面空間電荷層區(qū)。域就是表面空間電荷層區(qū)。如果載流子密度愈小，則空間電荷層就愈厚。如果載流子密度愈小，則空間電荷層就愈厚。在室溫下，表面層厚度可以用在室溫下，表面層厚度可以用Debey長度長度LD來估記來估記:46(6)氧化物表面的結構單元是離子，它們之氧化物表面的結構單元是離子，它們之間的電作用主要是庫侖勢。表面離子的間的電作用主要是庫侖勢。表面離子的配位數(shù)、空位等缺陷，對氧化物的配位數(shù)、空位等缺陷，對氧化物的 對氧對氧化物的電子化物

21、的電子 電子電子 結構結構 結構有明顯影響結構有明顯影響 有明顯影響。有明顯影響。4748(7)495051(8)氧化物氧化物-半導體界面態(tài)半導體界面態(tài)化學處理后的硅表面會存在一層極薄SiO2層。對Si表面電子輸運有影響是SiO2-Si的界面所形成的附加態(tài)，即界面態(tài)。因為在外場作用下響應時間快。界面態(tài)的來源界面態(tài)的來源界面態(tài)產生原因與表面態(tài)相同，電子受到的周期性勢場發(fā)生突變所致。與表面態(tài)相比，界面態(tài)對應的勢場并沒有完全中斷，態(tài)密度要小。如Si-SiO2界面，與表面態(tài)不同的是在界面上不可能每個硅原子都平均有一根懸掛鍵。Si-SiO2界面態(tài)密度僅為1010/cm2，表面態(tài)密度則為1015 /cm2

22、 。氧化物-半導體界面電子態(tài)(Si-SiO2)523.4 MIS結構結構 半導體器件的特性都和半導體的表面性質有著密切的關系。半導體器件的特性都和半導體的表面性質有著密切的關系。半導體的表面狀態(tài)對晶體管和半導體集成電路的參數(shù)和穩(wěn)半導體的表面狀態(tài)對晶體管和半導體集成電路的參數(shù)和穩(wěn)定性有很大影響。定性有很大影響。MOS(金屬金屬-氧化物氧化物-半導體半導體)器件、電荷耦合器件，表面發(fā)器件、電荷耦合器件，表面發(fā)光器件等，就是利用半導體表面效應而制成的。光器件等，就是利用半導體表面效應而制成的。因此，研究半導體表面現(xiàn)象，發(fā)展有關半導體表面的理論，因此，研究半導體表面現(xiàn)象，發(fā)展有關半導體表面的理論，對于

23、改善器件性能，提高器件穩(wěn)定性，以及指導人們探索對于改善器件性能，提高器件穩(wěn)定性，以及指導人們探索新型器件等都有著十分重要的意義。新型器件等都有著十分重要的意義。MIS(指金屬指金屬絕緣層絕緣層半導體半導體)結構結構53 MIS結構示意圖 MIS結構中滿足以下條件（由于金屬和半導體功函數(shù)的不同、絕緣層內可能存在帶電離子及界面態(tài)等原因，情況還是很復雜的。先考慮理想情況）：(1)金屬與半導體間功函數(shù)差為零(2)在絕緣層內沒有任何電荷且絕緣層完全不導電(3)絕緣體與半導體界面處不存在任何界面態(tài)。541）當在金屬與半導體之間加電壓電壓后，在金屬與半導體相對的兩個面上就要被充電充電。兩者所帶電荷符號相反，

24、電荷分布情況亦很不同。2）在金屬中，自由電子密度很高，電荷基本上分布在一個原一個原子層的厚度范圍之內子層的厚度范圍之內，而在半導體中，由于自由載流子密度要低得多，電荷必須分布在一定厚度的表面層內一定厚度的表面層內；這個帶電的表面層稱做空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)。3）在空間電荷區(qū)內，從表面到內部電場逐漸減弱表面到內部電場逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另端，場強減小到零。MIS結構空間電荷層及表面勢55MOS 場效應管場效應管 MOS 場效應管也被稱為MOS FET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor P-N結的二極管的工作過程 含有一個含有

25、一個P-N結的二極管的工作過程結的二極管的工作過程 1)加上正向電壓時，二極管導通，其PN結有電流通過。在P型半導體端為正電壓時，N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導體端，而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動，從而形成導通電流。2) 反向電壓時，在P型半導體端為負電壓，正電荷被聚集在P型半導體端，負電子則聚集在N型半導體端，電子不移動，其PN結沒有電流通過，二極管截止。56N溝道MOS場效應管的工作過程 NPN型通常稱為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。 N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上 正電壓加在N溝道的MOS 場效應管柵極上時，由于電場的作用，此時N型半導

26、體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向柵極，但由于氧化膜氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體中, 從而形成電流，使源極和漏極之間導通。兩個N型半導體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。 57 半導體三極管示意圖和三極管的符號58LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫，）是發(fā)光二極管的縮寫，它可以直接把電轉化為光。它可以直接把電轉化為光。LED光源廣泛見于日常生活光源廣泛見于日常生活中，如家用電器的指示燈、汽車的后防霧燈等。中，如家用電器的指示燈、汽車的后防霧燈等。 3.5 p-n結與光電功能器件結與光電功能器件593.5 p-n結與光電功能器件結與光電功能器件(1)半導體發(fā)光二極管的基本原理半導體發(fā)光二極管的基本原理晶片中晶片中PN結結構和發(fā)光二極管的發(fā)光原理結結構和發(fā)光二極管的發(fā)光原理60聚三苯胺(poly-TPD)-八羥基喹啉鋁(Alq3)-無機半導體QD-LED器件 中科院化學所有機固體室的中科院化學所有機固體室的研究人員使用美國研究人員使用美國Ocean NanoTech公司制備的高質公司制備的高質量的具有核殼結構的量的具有核殼結構的CdSe/ZnS和和CdSe/CdS/ZnS納晶量子納晶量子點，