薄膜材料物理四薄膜表面和界面

薄膜材料物理四薄膜表面和界面第1頁/共35頁第2頁/共35頁金屬中自由電子密度很高→屏蔽→金屬表面處的電勢分布近于一個單原子層如圖。（∵電子的逸出功下降）鎢表面吸附氧原子，表面電勢升高鎢表面吸附銫原子，表面電勢降低——光電陰極材料

表面原子位能高，表面活性較大，易吸收外來原子，從而改變表面勢能.影響電子的逸出功.能量真空能級距離內(nèi)部原子表面原子晶體表面勢能第3頁/共35頁硅晶格在表面處突然終止，表面處硅原子有一個未成鍵的電子,即有一個未被飽和的建—稱為懸掛鍵電子在懸掛鍵上的能態(tài)——表面態(tài)，處在禁帶中，起電子陷阱作用.(2)半導體表面的雙電層和表面勢

體內(nèi)電子被表面態(tài)捕獲而在體內(nèi)產(chǎn)生空穴，而表面原子得到一個穩(wěn)定的八電子殼層帶有負電荷，它與體內(nèi)空穴形成雙電層.第4頁/共35頁若表面態(tài)能級在導帶底附近→施主型若表面態(tài)能級在價帶頂附近→受主型表面態(tài)使表面層帶有過剩電荷，因而在表面層下產(chǎn)生異種電荷的聚集層，耗盡層，反型空間電荷層，例如：①表面層帶有正過剩電荷電子聚集在空間電荷層→導電好→形成聚集層→導電更好（表面處）內(nèi)部n型表面層(空間電荷區(qū))表面正過剩電荷固定不動聚集層第5頁/共35頁②表面層帶有負過剩電荷電子向體內(nèi)流動→形成耗盡層（電子）→表面處比內(nèi)部更不易導電.內(nèi)部n型表面層(空間電荷區(qū))表面負過剩電荷固定不動耗盡層第6頁/共35頁③表面層帶很多負過剩電荷n型中的少數(shù)載流子空穴聚集在空間電荷層→形成反型層內(nèi)部n型表面層(空間電荷區(qū))表面很多負過剩電荷固定不動耗盡層第7頁/共35頁半導體空間電荷層厚102-103nm金屬空間電荷層厚零點幾nm.

其因：半導體內(nèi)自由載流子少，為聚集足夠多的電荷，以平衡表面層中的被陷過剩電荷，在半導體中需要較厚的空間電荷層。第8頁/共35頁（3）介質(zhì)表面的雙電層和表面勢與半導體類似，但空間電荷層有厚，說明如下:設表面態(tài)在介質(zhì)的禁帶中均勻分布，其密度（單位面積單位能量）為Ns。熱平衡表面態(tài)的費米能級與體內(nèi)一致，所以電子從導帶填充到表面態(tài)上表面態(tài)表面和內(nèi)部在平衡之前EFn型平衡后第9頁/共35頁電子從導帶填充到表面態(tài)，知道表面態(tài)的最高填充能級與體內(nèi)費米級一致為止，但是在絕緣介質(zhì)中，導帶上電子極少，所以d0很大。（4）表面態(tài)分布歷史：達姆：電勢在表面中斷表面電子波函數(shù)→薛定諤方程→允許能級結(jié)果：這個允許能級在禁帶中——達姆能級第10頁/共35頁位能x表面位能x表面ECEV達姆能級肖克萊：位能（表面）取如下：第11頁/共35頁位能表面位能表面ECEｖ量子力學微擾第12頁/共35頁電子陷阱表面態(tài)能級空穴陷阱表面態(tài)能級第13頁/共35頁一般來說：①表面態(tài)處在禁帶中，并且其最大態(tài)密度靠近導帶底和價帶項.表面態(tài)是電子陷阱，表面態(tài)能級靠近導帶；表面態(tài)是空穴陷阱，表面態(tài)能靠近價帶.②表面態(tài)的能級密度與表面的原子密度同數(shù)量級.③淺態(tài)→快態(tài)：交流電子快（介質(zhì)與半導體）深態(tài)→慢態(tài)：交流電子慢（金屬與介質(zhì)）第14頁/共35頁§4—2表面電場效應采用加電感應的方法，使半導體表面感應出積累層，耗盡層，和反型層。在MIS結(jié)構(gòu)上加電壓可實現(xiàn).

MIS結(jié)構(gòu)可視一個電容器，加電壓充電。兩端電荷異號金屬中，自由電子密度高，電荷僅在一個原子層內(nèi).半導體，自由載流子密度很低，電荷分布一定厚度內(nèi)→空間電荷層→電場減弱→電勢變化→半導體表面的電勢為表面勢Vs第15頁/共35頁（1）多數(shù)載流子的積累靠近表面處能帶向上彎曲，形成電子的能量位壘。但對空穴來說，則是能谷既是負的表面電勢把空穴（多數(shù)載流子）吸引到半導體表面區(qū)，形成帶正電的積累層。對于P型半導體第16頁/共35頁歐姆接觸介質(zhì)Ｉ半導體Ｓ金屬ＭＭＩＳＥＣＥＶＥＦＥｉ導體介質(zhì)半導體（中性）Ｅｄ不加外電壓第17頁/共35頁歐姆接觸Ｐ型Ｐ型半導體介質(zhì)金屬空穴（可動）第18頁/共35頁歐姆接觸Ｎ型Ｎ型半導體介質(zhì)金屬電子（可動）Ｎ型對于n型半導體第19頁/共35頁

加Vg>0,金屬電極上充有正電荷→EF下降qVg,半導體的表面勢Vs為正，使靠近表面處的能帶向下彎曲，造成電子的能谷。即正表面勢把電子（多數(shù)載流子）吸引到表面區(qū)，形成帶負電的積累薄層（2）多數(shù)載流子的耗盡對于P型半導體→MIS中，金屬接正，P型半導體接負Vg>0在MIS（P型半導體）上加正電壓∵負離子不可動（電離受主）∴xd較大第20頁/共35頁Ｐ型半導體介質(zhì)金屬0gV>不可動第21頁/共35頁當電壓Vg較小時，空穴被趕走，形成耗盡層=由電離受主構(gòu)成一負空間電荷區(qū)當電壓Vg較大時，負空間電荷區(qū)加寬，且少數(shù)電子被吸引到表面當電壓Vg達到某一“闕值”時，表面電子濃度迅速增大，在表面處形成一個少數(shù)載流子的反型層，這里的少數(shù)載流子就是電子.對于n型半導體的MIS，金屬接負，n型半導體接正，Vg<0表面區(qū)的電子被排走，剩下電離施主，形成正空間電荷層——耗盡層∵電離施主正離子不可動∴xd較大第22頁/共35頁n型半導體介質(zhì)金屬第23頁/共35頁當負壓vg較小→形成正空間電荷層——電子的耗盡層當負壓vg較大→耗盡層加寬，且有少數(shù)載流子（空穴）被吸引到表面當負壓vg達到“闕值”→形成少數(shù)載流子（空穴）的反型層第24頁/共35頁（3）少數(shù)載流子的反型P型半導體MIS→加正電壓vg>0→表面處能帶向下彎曲，少數(shù)載流子被吸引在表面，但數(shù)量不多當進一步增大vg，能帶進一步彎曲，當表面處的費米能級高于禁帶中的能級Ei，即費米能級離導帶底比離價帶頂更近一些時，表面處的電子濃度將超過空穴濃度，從而成為與原來的P型半導體相反的一層

——反型層第25頁/共35頁Ｐ型半導體介質(zhì)金屬0gV>不可動第26頁/共35頁下面求表面勢vs和耗盡層最大厚度表面勢vs：是表面電勢與體內(nèi)電勢之差第27頁/共35頁第28頁/共35頁在該條件下，半導體內(nèi)的EF在Ei以下qEF,而在半導體表面EF正好在Ei以上qVF,這表明表面反型載流子（電子）的濃度為：第29頁/共35頁它剛好等于體內(nèi)多數(shù)載流子（空穴）的濃度即，在表面層內(nèi)與在體內(nèi)相比，電子和空穴的濃度已剛好完全顛倒過來了→強反型層第30頁/共35頁

對于以n型半導體為基的MIS結(jié)構(gòu)，金屬電極接負極，當負電壓大到闕值時，出現(xiàn)強反型層如圖：第31頁/共35頁Ｐ型