高二物理竞赛表面态课件.pptx

《高二物理竞赛表面态课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高二物理竞赛表面态课件.pptx（15页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、8表面：固体与真空之间的分界面。表面：固体与真空之间的分界面。界面：不同相或不同类的物质之间的分界面界面：不同相或不同类的物质之间的分界面 。固体有限固体有限表面表面界面界面周围的环境相互作用周围的环境相互作用 物理和化学特性产生很大影响物理和化学特性产生很大影响 新兴的多学科新兴的多学科综合性边缘学科综合性边缘学科1.1.理想表面和实际表面理想表面和实际表面理想表面理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同， 且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。实际表面实际表面清洁表面清洁表面表面驰豫

2、表面驰豫：沿垂直表面方向偏离平衡位置沿垂直表面方向偏离平衡位置 表面重构：表面重构：沿平行表面方向偏离平衡位置沿平行表面方向偏离平衡位置 清洁表面清洁表面 ：一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面真实表面真实表面：由于环境的影响，实际接触的表面往往：由于环境的影响，实际接触的表面往往生成氧化物或其他化合物，还可能有物理吸附层，生成氧化物或其他化合物，还可能有物理吸附层，甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。 注意：注意：“表面表面”并不是一个几何面，而是指大块晶体的三并不是一个几何面，而是指大块晶体的三维周期结构与真空

3、之间的维周期结构与真空之间的过渡区过渡区，它包括了，它包括了所有不所有不具有体内三维周期性的原子层。具有体内三维周期性的原子层。表面态表面态体内体内：周期性势场因晶体的不完整性（杂质原子或晶格缺陷）：周期性势场因晶体的不完整性（杂质原子或晶格缺陷） 的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级。的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级。表面表面：在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性：在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性 晶格电子的势能在垂直表面的方向上不再存在平移对称性晶格电子的势能在垂直表面的方向上不再存在平移对称性 哈密顿算符的本征值谱中出现了一些新的本征值哈密顿算

4、符的本征值谱中出现了一些新的本征值附加电子能态（表面态）附加电子能态（表面态）局域在表面附近的新电子态局域在表面附近的新电子态,它的存它的存 在导致表面能级的产生。在导致表面能级的产生。与表面态相应的能级称为表面能级与表面态相应的能级称为表面能级。理想晶体自由表面达姆表面能级理想晶体自由表面达姆表面能级(1932年年) 1015/cm2晶体表面缺陷或吸附原子附加表面能级晶体表面缺陷或吸附原子附加表面能级硅理想表面示意图硅理想表面示意图表面能级示意图表面能级示意图一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级 晶格表面处突然终止，在晶格表面存在晶格表面处突然终止，在晶格表面存在未饱和的化学未饱

5、和的化学键键，称为，称为悬挂键悬挂键，与之对应的电子能态称为，与之对应的电子能态称为表面态表面态。悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴获得电子获得电子带负电带负电 获得空穴获得空穴带正电带正电表面态特性：表面态特性： 可以成为半导体少数载流子有效的产生和复合中心，决定了表面可以成为半导体少数载流子有效的产生和复合中心，决定了表面复合的特性。复合的特性。 对多数载流子起散射作用，降低表面迁移率，影响表面电导。对多数载流子起散射作用，降低表面迁移率，影响表面电导。 产生垂直半导体表面的电场，引起产生垂直半导体表面的电场，引起表面电场效应表面电场效应。 施

6、主型：施主型：能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电受主型受主型：能级空时为电中性，而接受电子后带负电能级空时为电中性，而接受电子后带负电表面态分布示意图表面态分布示意图EFS电子刚好填满电子刚好填满EFS = q0以下以下的所有表面态时，表面呈电的所有表面态时，表面呈电中性中性EFS=EcEFEnEvq0q0以下为空，以下为空，表面带正电表面带正电q0以上填充，以上填充，表面带负电表面带负电q0约约为禁带为禁带宽度的三分宽度的三分之一之一在表面态密度大于在表面态密度大于1013cm-2，则表面处的费米能级位于禁，则表面处的费米能级位于禁带的带的1

7、/3处（相对于价带顶），这个位置称为处（相对于价带顶），这个位置称为巴丁极限巴丁极限。设一个设一个n型半导体型半导体的表面存在表面态。半导体的的表面存在表面态。半导体的费米能级费米能级EF 高于表面能级高于表面能级EFS，如果如果EFS以上存在以上存在受主表面态，则会导致如下效应受主表面态，则会导致如下效应：在在EF和和EFS之间的能级基本被电之间的能级基本被电子填满，表面带负电，而表面子填满，表面带负电，而表面附近会出现正电荷，形成正的附近会出现正电荷，形成正的空间电荷区，形成空间电荷区，形成电子势垒电子势垒。金属半导体接触前：金属半导体接触前：EFSEcEFEnqVdnsqEvE+WsWs

8、 = c c + En能带弯曲量能带弯曲量 qVD=EF - EFS表面态密度很大时，表面积表面态密度很大时，表面积累很多负电荷，能带向上弯累很多负电荷，能带向上弯曲程度越大，表面处曲程度越大，表面处EF接近接近EFS存在表面态时，存在表面态时，Ws由表面性质决定由表面性质决定不存在表面态时，不存在表面态时，nDsEqVWcFSgnFSFEEEEEccEFSEcEFEnqVdnsqEvE+Ws高表面态密度钉扎高表面态密度钉扎(pinned)EFSEcEFEnqVdnsqEvE+WsEFSEcEFEnqVdnsqEvE+WsEFSEcEFEvEWsq0电子刚好填满电子刚好填满EFS = q0以下

9、的所有以下的所有表面态时，表面呈表面态时，表面呈电中性电中性在在EF和和EFS之间被之间被电子填满，表面带电子填满，表面带负电，形成正的空负电，形成正的空间电荷区，形成电间电荷区，形成电子势垒。子势垒。表面态密度很大时，表面态密度很大时，表面积累很多负电表面积累很多负电荷，能带向上弯曲荷，能带向上弯曲程度越大，表面处程度越大，表面处EF接近接近EFS表面态提供电子流向金属表面态提供电子流向金属半导体半导体表面态密度很高表面态密度很高时时:表面态可放出足够多的电子，表面态可放出足够多的电子，几乎不影响势垒区，可以屏蔽几乎不影响势垒区，可以屏蔽金属接触的影响，半导体内部金属接触的影响，半导体内部的

10、势垒高度和金属的功函数几的势垒高度和金属的功函数几乎无关，基本上由半导体表面乎无关，基本上由半导体表面的性质决定的性质决定-WmEcEFEnqVdEv+-1.1.理想理想MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性0s0s0GCQVVVVGsGMddddVQVQCMISMIS结构电容结构电容sssdVdQC 令s0111CCCMIS结构的等效电路结构的等效电路l 耗尽状态：耗尽状态：VG增加，增加，x d增大增大，Cs减小，减小，CD段段 Vs2VB时：时：EF段（低频）段（低频）l 高频时：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，高频时：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到xdm不随不随VG变化，电容变化，电容保持最小值）；保持最小值）；GH段段MIS结构结构C-V曲线曲线l 绝对值较大时，绝对值较大时，CC0，AB段（半导体看成导通）段（半导体看成导通）l 绝对值较小时，随绝对值较小时，随V增加而减小，增加而减小，BC段段CFB（1）VG0