2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体表面

半导体表面

如：1、半导体表面状态影响着：晶体管和半导体集成电路的参数和稳定性。2、利用表面效应的半导体器件：

MOS器件、电荷耦合器件、表面发光器件等。半导体表面

许多半导体器件的特性都和半导体的表面性质有密切关系。表面态及表面空间电荷区

在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在禁带中形成局部状态的能级分布（产生附加能级），这些状态称为表面态或达姆能级。达姆证明：一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级，这些表面能级组成表面能带。达姆能级：清洁表面的表面态所引起的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的能带，分布在禁带内。表面空间电荷区的形成：

从化学键的角度来说明表面态的概念：以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。

单位面积上的原子数约为1015cm－2，由于垂直表面处的每个原子键都被切断，达姆能级密度等于表面原子密度，～1015cm－2。

由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。例如，N型Si，悬挂键可以从体内获得电子，使表面带负电。这负的表面电荷可排斥表面层中电子使之成为耗尽层甚至变成P型反型层。

Si（111）面上的表面态密度≈8×1014cm-2Si—SiO2交界面处，表面态密度≈1011cm-2实际表面中，表面缺陷、表面粘污、表面氧化层都可以形成表面能级。

上述讨论为理想表面，即，表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。实际上，这种理想表面是不存在的。近表面几个原子厚度的表面层中，离子实所受的势场作用显然不同于晶体内部，这使得晶体所固有的三维平移对称性在表面层中受到破坏，因此实际的晶体表面是一个结构比体内复杂得多的系统。现在已经可以通过实验观察到在超高真空下共价半导体的表面发生再构现象，表面上形成新的原子排列结构，这种排列具有沿表面的二维平移对称性。如，Si（111）面，在超高真空下可观察到（7×7）结构，即表面上形成以（7×7）个硅原子为单元的二维平移对称性结构。

由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位置，它们可能成为施主能级或受主能级，或者成为电子－空穴对的复合中心。半导体表面态为施主态时，它可能是中性的，也可能向导带提供电子后变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态，则可接受导带电子，表面带负电。表面电荷量QSS与表面态密度NS及俘获陷阱的分布函数有关，热平衡态时，半导体整体是电中性的，表面态中QSS电荷的存在使表面附近形成电场，导致表面附近可动电荷重新分布，形成空间电荷区和表面势，而使表面层中的能带发生变化。空间电荷QSP的数量和表面态电荷相等，但带电符号相反，则保持了电中性条件。一、表面势以MIS（金属—绝缘体—半导体）电容器为例，空间电荷区很薄，可看成一层电荷，其面密度为QSC，则：di为氧化层厚度；xd为半导体空间电荷区厚度；Vs为表面势（即：半导体表面相对于体内的电势差）MSI0金属和半导体中电荷分布情况不同§9.２ 空间电荷区的理论分析二、能带的弯曲N型半导体P型半导体反型层表面态为受主态表面态为施