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页/共35页第2页/共35页金属中自由电子密度很高→屏蔽→金属表面处的电势分布近于一个单原子层如图。（∵电子的逸出功下降）钨表面吸附氧原子，表面电势升高钨表面吸附铯原子，表面电势降低——光电阴极材料

表面原子位能高，表面活性较大，易吸收外来原子，从而改变表面势能.影响电子的逸出功.能量真空能级距离内部原子表面原子晶体表面势能第3页/共35页硅晶格在表面处突然终止，表面处硅原子有一个未成键的电子,即有一个未被饱和的建—称为悬挂键电子在悬挂键上的能态——表面态，处在禁带中，起电子陷阱作用.(2)半导体表面的双电层和表面势

体内电子被表面态捕获而在体内产生空穴，而表面原子得到一个稳定的八电子壳层带有负电荷，它与体内空穴形成双电层.第4页/共35页若表面态能级在导带底附近→施主型若表面态能级在价带顶附近→受主型表面态使表面层带有过剩电荷，因而在表面层下产生异种电荷的聚集层，耗尽层，反型空间电荷层，例如：①表面层带有正过剩电荷电子聚集在空间电荷层→导电好→形成聚集层→导电更好（表面处）内部n型表面层(空间电荷区)表面正过剩电荷固定不动聚集层第5页/共35页②表面层带有负过剩电荷电子向体内流动→形成耗尽层（电子）→表面处比内部更不易导电.内部n型表面层(空间电荷区)表面负过剩电荷固定不动耗尽层第6页/共35页③表面层带很多负过剩电荷n型中的少数载流子空穴聚集在空间电荷层→形成反型层内部n型表面层(空间电荷区)表面很多负过剩电荷固定不动耗尽层第7页/共35页半导体空间电荷层厚102-103nm金属空间电荷层厚零点几nm.

其因：半导体内自由载流子少，为聚集足够多的电荷，以平衡表面层中的被陷过剩电荷，在半导体中需要较厚的空间电荷层。第8页/共35页（3）介质表面的双电层和表面势与半导体类似，但空间电荷层有厚，说明如下:设表面态在介质的禁带中均匀分布，其密度（单位面积单位能量）为Ns。热平衡表面态的费米能级与体内一致，所以电子从导带填充到表面态上表面态表面和内部在平衡之前EFn型平衡后第9页/共35页电子从导带填充到表面态，知道表面态的最高填充能级与体内费米级一致为止，但是在绝缘介质中，导带上电子极少，所以d0很大。（4）表面态分布历史：达姆：电势在表面中断表面电子波函数→薛定谔方程→允许能级结果：这个允许能级在禁带中——达姆能级第10页/共35页位能x表面位能x表面ECEV达姆能级肖克莱：位能（表面）取如下：第11页/共35页位能表面位能表面ECEｖ量子力学微扰第12页/共35页电子陷阱表面态能级空穴陷阱表面态能级第13页/共35页一般来说：①表面态处在禁带中，并且其最大态密度靠近导带底和价带项.表面态是电子陷阱，表面态能级靠近导带；表面态是空穴陷阱，表面态能靠近价带.②表面态的能级密度与表面的原子密度同数量级.③浅态→快态：交流电子快（介质与半导体）深态→慢态：交流电子慢（金属与介质）第14页/共35页§4—2表面电场效应采用加电感应的方法，使半导体表面感应出积累层，耗尽层，和反型层。在MIS结构上加电压可实现.

MIS结构可视一个电容器，加电压充电。两端电荷异号金属中，自由电子密度高，电荷仅在一个原子层内.半导体，自由载流子密度很低，电荷分布一定厚度内→空间电荷层→电场减弱→电势变化→半导体表面的电势为表面势Vs第15页/共35页（1）多数载流子的积累靠近表面处能带向上弯曲，形成电子的能量位垒。但对空穴来说，则是能谷既是负的表面电势把空穴（多数载流子）吸引到半导体表面区，形成带正电的积累层。对于P型半导体第16页/共35页欧姆接触介质Ｉ半导体Ｓ金属ＭＭＩＳＥＣＥＶＥＦＥｉ导体介质半导体（中性）Ｅｄ不加外电压第17页/共35页欧姆接触Ｐ型Ｐ型半导体介质金属空穴（可动）第18页/共35页欧姆接触Ｎ型Ｎ型半导体介质金属电子（可动）Ｎ型对于n型半导体第19页/共35页

加Vg>0,金属电极上充有正电荷→EF下降qVg,半导体的表面势Vs为正，使靠近表面处的能带向下弯曲，造成电子的能谷。即正表面势把电子（多数载流子）吸引到表面区，形成带负电的积累薄层（2）多数载流子的耗尽对于P型半导体→MIS中，金属接正，P型半导体接负Vg>0在MIS（P型半导体）上加正电压∵负离子不可动（电离受主）∴xd较大第20页/共35页Ｐ型半导体介质金属0gV>不可动第21页/共35页当电压Vg较小时，空穴被赶走，形成耗尽层=由电离受主构成一负空间电荷区当电压Vg较大时，负空间电荷区加宽，且少数电子被吸引到表面当电压Vg达到某一“阙值”时，表面电子浓度迅速增大，在表面处形成一个少数载流子的反型层，这里的少数载流子就是电子.对于n型半导体的MIS，金属接负，n型半导体接正，Vg<0表面区的电子被排走，剩下电离施主，形成正空间电荷层——耗尽层∵电离施主正离子不可动∴xd较大第22页/共35页n型半导体介质金属第23页/共35页当负压vg较小→形成正空间电荷层——电子的耗尽层当负压vg较大→耗尽层加宽，且有少数载流子（空穴）被吸引到表面当负压vg达到“阙值”→形成少数载流子（空穴）的反型层第24页/共35页（3）少数载流子的反型P型半导体MIS→加正电压vg>0→表面处能带向下弯曲，少数载流子被吸引在表面，但数量不多当进一步增大vg，能带进一步弯曲，当表面处的费米能级高于禁带中的能级Ei，即费米能级离导带底比离价带顶更近一些时，表面处的电子浓度将超过空穴浓度，从而成为与原来的P型半导体相反的一层

——反型层第25页/共35页Ｐ型半导体介质金属0gV>不可动第26页/共35页下面求表面势vs和耗尽层最大厚度表面势vs：是表面电势与体内电势之差第27页/共35页第28页/共35页在该条件下，半导体内的EF在Ei以下qEF,而在半导体表面EF正好在Ei以上qVF,这表明表面反型载流子（电子）的浓度为：第29页/共35页它刚好等于体内多数载流子（空穴）的浓度即，在表面层内与在体内相比，电子和空穴的浓度已刚好完全颠倒过来了→强反型层第30页/共35页

对于以n型半导体为基的MIS结构，金属电极接负极，当负电压大到阙值时，出现强反型层如图：第31页/共35页Ｐ型