表面电子输运

引言一、表面态电导

二、表面空间电荷层电导

三、非平衡态下的载流子

四、表面复合

五、金属与半导体的接触表界面的电子输运材料物理(下)电子结构:电子态在空间的位置分布（波函数），电子态的能量分布（态密度）以及能量E与波矢k

的关系(能谱)E(k)总称为电子结构引言:表面电子结构是研究固体表面对电子结构的影响——表面物理的一个重要部分——因为固体的许多物理性质，例如电子发射、吸附和催化等都与表面电子结构有着密切联系。——表界面的电子状态和运输，对材料的电子性质、光学性质和磁学性质都具有非常重要的影响！∴现在半导体集成电路中，元件的集成度越来越大，表面与体积之比随之增高，因而表面（或界面）电子性质本身已经成为决定的因素！

表面的存在破坏了晶体原有的三维平移周期性，因而三维波矢不再是表征电子态的好量子数；И.E.塔姆于1932年最先提出,在周期性势场中断的表面,存在局域的表面电子态；在平行于表面的平面里，仍然存在二维的平移周期性(可能与晶体原来的周期性相同,也可能因为表面原子排列的畸变使它们的排列具有更大的周期─再构现象)因此,表面电子能谱E(k)中的波矢k限制在二维布里渊区内，是平行于表面的二维波矢！表面态载流子：晶体中荷载电流（或传导电流）的粒子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即

电子和空穴。对于纯净物质是没有多余的电子或空穴，所以不存在自由载流子!自由载流子:当含有多余空穴或电子的杂质物质时，就会打破原纯净物质的系统平衡，多余的电子或空穴就会在系统内移动，这些多余的电子或空穴就是自由载流子。认识:半导体中不存在可以自由移动的离子，可以自由运动的只有多余的电子和失去了电子留下的空位-所谓的空穴，其实空穴的运动是电子填补空穴的运动。迁移率:载流子(电子和空穴)在单位电场作用下的平均漂移速度—载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度—运动得慢，迁移率小；

—运动得快，迁移率大；—电子的迁移率高于空穴！金属导体内核外电子的规律运转同样也伴生着电磁波。在通常情况下这种电磁波在物质内协调稳定，构成了物体的内聚力，金属内充满电磁波!

外来电荷进入金属导体，受到金属体内规律稳定的核外电子运转所伴生着的电磁波的排挤，无容身之地，被赶到了电磁波不太密集的导体表面，这就形成了外来电荷分布在金属表面的自然现象!表面空间电荷层：在金属中，自由电子密度很高，表面电荷基本上分布在一个原子层厚度范围内，与金属相比，由于半导体载流子密度要低的多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层为表面空间电荷层。表面电子输运过程表面电导表面复合表面态电导表面空间电荷层电导表面电导：表面区范围内的电导—平行于表面的某一方向加上一处电场，表面空间电荷层间的载流子作定向运动产生：表面经光照或注入等外界作用，价电子激发至导带的过程表面复合：导带中电子不断回到价带的过程带隙导带价带表面过剩载流子：表面电势VST

≠0时，空间电荷层的

电子和空穴数与体内的差别过剩载流子寿命：从产生到复合，过剩载流子平均存在的时间?表面势VST(r)Vc(r)Ves(r)Vxc(r)++价电子与离子芯的交换-关联势价电子间的交换-关联势离子芯与价电子产生的总静电势表面空间电荷层两端的电势差表面电势比内部高时，其值取正，反之取负！一、表面态电导根据表面态能带结构和费米能级的位置分类：金属型半导体型非晶态型※金属型：表面态能带部分填满，电子在表面运动方式和体内相似

→

表面电导率=10-3A/V※半导体型:

表面态电导是费米能级位于表面态能隙之内的电子运动

→半导体Si表面电导率=10-6—103A/V(室温)=10-11—10-3A/V(100K)※非晶态型:表面缺陷浓度很大，表面周期性结构受到较大破坏时所采用的模型

→非晶Si表面电导率=10-8—10-13A/V(室温)=10-11—10-16A/V(100K)结论：表面周期性结构的破坏，将导致电子在表面态能带中迁移率下降，使载流子数目↑

→迁移率下降更快

—

表面电导率↓！二、非平衡态下的载流子非热平衡态：半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温度变化）时，载流子浓度要随之发生

变化，此时系统的状态称为非热平衡态非平衡载流子：载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为→价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量的空穴电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏产生:使非平衡载流子浓度增加的运动产生率G:单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目1、产生与复合复合:使非平衡载流子浓度减少的运动复合率R:单位时间,单位体积内减少的电子空穴对数目

以N型半导体为例，在非平衡状态下载流子浓度为：Δnn≈Δpnnn：N型半导体中多数载流子电子（多子）的浓度pn：N型半导体中少数载流子空穴（少子）的浓度pn＝pn0+Δpnnn＝nn0+ΔnnΔnn：非平衡载流子电子的浓度Δpn：非平衡载流子空穴的浓度nn0：光照前一定温度下热平衡时电子的浓度pn0：光照前一定温度下热平衡时空穴的浓度由于电中性要求超出热平衡多余的载流子依靠电子导电的半导体光注入：强光注入与弱光注入nnpn>>nn0pn0＝ni2nn0<Δnn＝Δpn条件的注入称为强光注入nnpn>nn0pn0＝ni2

nn0>Δnn＝Δpn条件的注入称为弱光注入满足：本征载流子密度满足：Δnn≈Δpnpn＝pn0+Δpnnn＝nn0+Δnnnn=nn0+Δnn≈nn0pn=pn0+Δpn≈Δpn少子：n型材料中空穴是少数平衡载流子多子：n型材料中电子是多数平衡载流子例如：一N型硅片室温下：nn0=5.5×1015cm-3，pn0=3.5×104cm-3；弱光注入下：Δn=Δp=1010cm-3nn=nn0+Δnn=5.5×1015+1010≈1015cm-3pn=pn0+Δpn=3.5×104+1010≈1010cm-3非平衡状态下载流子浓度：电子浓度变化不大，空穴浓度增加了几个数量级结论：受影响最大的是少子浓度，可认为一切半导体光电器件对光的响应都是少子行为！结论：※

在光照过程中，产生与复合同时存在，在恒定持续光照下产生率保持在高水平，同时复合率也随非平衡载流子的↑而↑

，直至二者相等，系统达到新的平衡。※当光照停止，光照产生率为零，系统稳定态遭到破坏，复合率

>

产生率，使非平衡载流子浓度逐渐↓

，复合率随之↓

，直至复合率

=热致的产生率时，非平衡载流子浓度→

零，系统恢复热平衡状态。2、复合与非平衡载流子寿命τ复合：指电子与空穴相遇时，成对消失，以热或发光方式释放出多余的能量。非平衡载流子寿命τ：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。表征：复合的强弱

τ↓表示复合快，τ↑表示复合慢它决定了光电器件的时间特性，采用光激发方式的光生载流子寿命与光电转换的效果有直接关系τ的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。三种复合机制：直接复合通过复合中心复合表面复合直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合通过复合中心复合：复合中心—禁带中杂质及缺陷表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大量复合中心。发生于半导体表面的复合过程★

电子从导带落入到复合中心称电子俘获★电子从复合中心落入价带称空穴俘获★电子从复合中心被激发到导带称电子发射★电子从价带被激发到复合中心称空穴发射通过复合中心间接复合包括四种情况：1234三、表面复合表面复合：通过分布在禁带中的一些表面态（表面能级）进行的—其强弱由表面态的分

布及表面势的大小决定表面态的分布表示：Ei:能带平带时表面态能级Eis:能带弯曲后的表面态能级Vs:表面势表面势为负值时，表面处能带向上弯曲，在热平衡状态下，半导体内费米能级为一定值，随着向表面接近，价带顶将逐渐移近甚至超过费米能级，同时，价带中的空穴浓度也随之增加，结果表面层内出现空穴的堆积而带正电。多数载流子堆积状态－－－－－－－EFp表面态占有几率fi随时间的变化满足关系式；ns，Ps：在非稳定条件下为时间的函数Cn，CP：一个电子或空穴在单位时间内被一个空表面态俘获的几率n1，P1：偏离平衡态的电子密度或空穴密度四、金属与半导体的接触金属：在0K时，金属中的电子填满了费米能级EF以下的所有能级，而高于EF的能级则全部是空着的。在一定温度下，只有EF附近的少数电子受到热激发，由低于EF的能级跃迁到高于EF的能级上去,但是绝大部分电子仍不能脱离金属而逸出体外。这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级<

体外能级。要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量∴金属内部的电子是在一个势井中运动。金属功函数定义：E0:表示真空中静止电子的能量表示：一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量！功函数的大小标志：电子在金属中束缚的强弱，Wm↑，电子越不容易离开金属!半导体:导带底和价带顶一般都比E0以低几个电子伏特。要使电子从半导体中选出，也必须给它以相应的能量:设想:有一块金属和一块n型半导体,有共同真空静止电子能级，并假定金属的功函数>半导体的功函数：如果用导线把金属和半导体连接起来,它们就成为一个统一的电子系统：∵

(EF)m