固体材料表面与界面电子过程PPT课件

1、固体材料表面与界面电子过程 3.1 3.1 半导体与半导体界面特性-PN-PN结 3.2 3.2 金属与半导体的接触特性 3.3 3.3 表面势、表面态、表面电导 3.4 MIS3.4 MIS结构 3.5 PN3.5 PN结与功能器件 3.6 3.6 晶界势垒及其电荷区 2 电子运动状态：能量、运动的范围 电子运动的特点：微质点、高速度运动 不可能确定某电子在某空间位置用在空 间出现的概率(电子云及密度) 能量不连续能级 决定电子运动状态是主要取决于对电子的作用势(原子核、电子间) 具体电子运动状态是通过薛定鄂方程求出电子的波函数及其对应的本 征能量。 电子的特点 3 无数电子形成一个系统以后

2、，电子运动特性(范围) 能带 当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互作用，电子存在 共有作用； 原子能级分裂成能级示意图 4 能带理论简介能带理论简介 5 K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空间，K空间中的一 个点对应着一个确定的状态 K空间是以倒格子为基础的倒格空间 在k空间中，电子能量En(k)函数关系 6 E Ek, k, 能带结构（能量色散关系）能带结构（能量色散关系） SiSi立方立方晶系 晶体的能带结构（半导体，间接能隙）晶体的能带结构（半导体，间接能隙） 价带价带 导带导带 价带顶价带顶 导带底导带底 7 半导体的基础知识半导体的基础知识 半导体；半导体；N-typ

3、e P-typeN-type P-type半导体；导带；价带；禁带半导体；导带；价带；禁带 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 载流子运动方式及形成电流载流子运动方式及形成电流 8 v纯净的、不含杂质 的半导体 1.1 本征半导体 9 v杂质半导体分杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类 vN型半导体 杂质半导体半导体 结构图结构图 10 电子 正离子对施主杂质原子电离 电子 空穴对 热激发 载流子载流子 杂质半导体半导体 N N型半导体中的多数载流子( (多子） 为电子。空穴为少数载流子（少子） 呈电中性 11 v P P型半导体型半导体 结构图结构图 杂质半导体半导体 12 空穴

4、 负离子对受主杂质原子电离 空穴 电子对 热激发 载流子载流子 P P型半导体中的多数载流子( (多子） 为空穴。电子为少数载流子（少子） 杂质半导体半导体 呈电中性 13 v 扩散运动及扩散电流扩散运动及扩散电流 扩散运动扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运 动。 扩散电流扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。 载流子运动方式及其电流载流子运动方式及其电流 扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比 浓度差 扩散运动 扩散电流扩散力 14 v 漂移运动和漂移电流漂移运动和漂移电流 漂移运动漂移运动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移 运动。 漂移电流漂移电流：载流子漂

5、移运动所形成的电流称为漂移电流。 载流子运动方式及其电流载流子运动方式及其电流 漂移电流大小与电场强度成正比 电位差 漂移运动 漂移电流电场力 15 3.1 PNPN结结 1. pn结定义：结定义：把一块把一块p 型半导体和一块型半导体和一块n型半导体型半导体 结合在一起，由于结合在一起，由于P、N区区载载 流子浓度不等流子浓度不等，N区电子浓区电子浓 度向度向P区扩散，区扩散，P区空穴向区空穴向N 区扩散，结果在交界面处积区扩散，结果在交界面处积 累电荷形成累电荷形成电偶极层电偶极层，将该，将该 结构称为结构称为p-n结结 带负电荷的电离受主带正电荷电离施主 16 平衡p-n结的能带图 1）

6、 电子从费米能级高的n区流向费米 能级低的p区，空穴则从p区流向n区， 因而EFn下移，而EFp移，直至EFn=EFp时 为止。这时p-n结中有统一的费米级能Ef 2)空间电荷区内电势V(x) V(x):np降低 电子电势能-qV(x) n p区不断升高 p区的能带上移， n区能带下移，直至费米能级处处相 等时，p-n结达到平衡状态。 EFn和EFp分别表示n型和p型半导体的费米能级 能带图特点： 17 2 PNPN结基本特性结基本特性 带负电荷的电离受主带正电荷电离施主 电离施主与少量空 穴的正电荷严格平 衡电子电荷 电离受主与少量 电子的负电荷严 格平衡空穴电荷 电中性 电中性 负电荷区正

7、电荷区 空间电荷 1) 空间电荷 18 d）对于空穴，情况完全相似。 e）没有电流流过p-n结。或者说流过p-n结的净电流为零 空间电荷区的特点： a）内建电场 在内建电场作用下，载流子作漂移运动。电子和空穴的漂 移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。内建电场起着阻碍电子和 空穴继续扩散的作用。 b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡， c）电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。 E 19 PNPN结基本特性结基本特性 PNPN结平衡结平衡 VD阻止多子继续扩散， 同时有利少子定向漂移 VD：势垒电压 VD = 0.60.8V 或 0.20.3V V

8、D 20 2)单向导电性 PNPN结加正向电压结加正向电压 流过PN结的电流随外加电压U 的增加而迅速上升，PN结呈 现为小电阻。 该状态称为PN结正向导通状 态。 PN正向应用 U U U 21 PNPN结加反向电压结加反向电压 流过PN结的电流称为反向饱 和电流(即IS)，PN结呈现为 大电阻。 该状态称为PNPN结反向截止状结反向截止状 态。态。 PN反向运用 U U 22 一个p-n结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电压频率增高时，其整 流特性变坏 p-n结电容包括势垒电容和扩散电容两部分。 3) p-n结电容特性 部分电子和空穴“存入” 势垒区 势垒区宽度变窄，空间电荷 数量

9、减少 电子和空穴中和 23 在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入”势垒区。反之，当正 向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这 就是有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。 当p-n结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱势垒区宽度 变窄，空间电荷数量减少，因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的， 所以空间电荷的减少是由于n区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区中一 部分电离施主和电离受主； p-n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出” 作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充 放电作用相似。这

10、种p-n结的电容效应称为势垒电容 24 扩散电容 积累的非平衡空穴 也增加,与它保持电 中性的电子也相应 增加 非平衡电子和与 它保持电中性的 空穴也要增加 正向偏压 空穴从P区注入n区，增加 了n区的空穴积累，增加了 浓度梯度 由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称 为p-n结的扩散电容。 p-n结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化，是可变电容。 h+h+ e- e- 电子从n 区注入P 区，增加了P区的 电子积累，增加了 浓度梯度 25 a.平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD，称为p- n结的接触电势差或内建电势差。 4）p-n结接触电势差 b. 相应的电子电

11、势能之差即能带的弯曲量qVD称为p-n结的势垒 高度 qVDEFn-EFp 26 3.2 金属和半导体的接触特性 1.1.金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数 金属的功函数金属的功函数: 在绝对零度时，一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到 真空中静止所需要的最小能量 Wm=E0-(EF)m E0表示真空中静止电子的能量 27 在绝对零度时，一个起始能量等于费米 能级的电子，由半导体内部逸出到真空 中所需要的最小能量 半导体的功函数 Ws=E0-(EF)s E0-Ec 从Ec到E0的能量间隔 又称为电子亲合能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体 外所需要的最小能量。 半导体的功函

12、数又可表示为 Ws= + = +En sFc EE)( En=Ec-(EF)s 又称肖特基势垒 28 半导体功函数与杂质浓度的关系(计算值) 29 2.接触电势差 （1 1）设想有一块金属和一块）设想有一块金属和一块n n型半导体，它们有共同的真空静止电子型半导体，它们有共同的真空静止电子 能级，并假定金属的能级，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即功函数大于半导体的功函数，即W Wm mWWs s；EF(S) EF(M) (a)接触前 (b)间隙很大 30 (c)紧密接触；(d)忽略间隙 金属和n型半导体接触能带图(WmWs) 31 特点：特点：1 1）随着）随着D D的减小，靠近半导体

13、一侧的金属表面的减小，靠近半导体一侧的金属表面 负电荷密度增加，同时，靠近金属一侧的半导体表面负电荷密度增加，同时，靠近金属一侧的半导体表面 的正电荷密度也随之增加。的正电荷密度也随之增加。 2 2）由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布 在半导体表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区在半导体表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。 (c)紧密接触 表面势：在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯曲，使半导体表面和 内部之间存在电势差Vs，即表面势。 接触电势差一部分降落在空间电荷区，另一部分降落在金属和半导体表面之间， 于是有 VmsVs q

14、WW ms Vm金属的电势；Vs半导体电势；Vms:接触电势；Vs:表面电势 32 若D小到可以与原子间距相比较，电子就可 自由穿过间隙，这时Vms很小，接触电势差 绝大部分降落在空间电荷区。 特点： 1）(Ws-Wm)/q=Vs。 d）忽略间隙 3)金属一边的势垒高度： q ns=qVD+En=-qVs+En=Wm-Ws+En=Wm- 2)半导体一边的势垒高度为 qVD=-qVs=Wm-Ws 33 4) 半导体表面形成一个正的空间电荷区，半导体表面形成一个正的空间电荷区，电场体内电场体内 指向表面；指向表面； Vs 0,半导体表面电子的能量高于体内，能带向上半导体表面电子的能量高于体内，能带

15、向上 弯曲，形成表面势垒。弯曲，形成表面势垒。 势垒空间中空间电荷由电离施主形成，势垒空间中空间电荷由电离施主形成， 电子浓度比体内小，形成一个阻挡层电子浓度比体内小，形成一个阻挡层。 34 ns qn型Ge、Si，GaAs的 测量值(300K) 35 3.3 表面势与表面态表面势与表面态 36 37 38 其中v(r)为体内价电子电荷密度，a为常数。 在定性地讨论Vzc(r)的特征时，其表达式可表示为： Vzc(r): 价电子间的交换和相关势 39 2 40 41 (3)表面态类型表面态类型 42 (4) 43 产生表面空间电荷层的条件：产生表面空间电荷层的条件：表面的外电场表面的外电场；

16、半导体上的绝缘层中存在的半导体上的绝缘层中存在的电荷在表面感生的电场电荷在表面感生的电场； 表面因产生表面因产生离子吸附离子吸附而引起的表面电场而引起的表面电场; 金属、与半导体金属、与半导体(或绝或绝 缘体缘体)因因功函数不同而形成接触电势功函数不同而形成接触电势等。等。 表面处电场存在表面处电场存在载流子在表面响应载流子在表面响应重新分布重新分布产生屏蔽作产生屏蔽作 用，阻止外场深入内部；用，阻止外场深入内部； (5) 金属材料：自由载流子密度很大，表面形成极薄层(数量 级)就足以将外场屏蔽掉； 半导体材料：自由载流子密度小，必须经过一定距离后，才 能将外电场屏蔽掉，这个区域就是表面空间电

17、荷层区。 如果载流子密度愈小，则空间电荷层就愈厚。在室温下，表 面层厚度可以用Debey长度LD来估记: 46 (6) 氧化物表面的结构单元是离子，它们之间的电作用主 要是库仑势。表面离子的配位数、空位等缺陷，对氧 化物的 对氧化物的电子 电子 结构 结构有明显影响 有 明显影响。 47 48 (7) 49 50 51 (8)氧化物-半导体界面态 化学处理后的硅表面会存在一层极薄SiO2层。 对Si表面电子输运有影响是SiO2-Si的界面所形成的附加态， 即界面态。因为在外场作用下响应时间快。 界面态的来源界面态产生原因与表面态相同，电子受到 的周期性势场发生突变所致。 与表面态相比，界面态对

18、应的势场并没有完全中断，态密 度要小。如Si-SiO2界面，与表面态不同的是在界面上不可 能每个硅原子都平均有一根悬挂键。Si-SiO2界面态密度仅 为1010/cm2，表面态密度则为1015 /cm2 。 氧化物-半导体界面电子态(Si-SiO2) 52 3.4 MIS结构 半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切的关系。 半导体的表面状态对晶体管和半导体集成电路的参数和稳定性有很大影响。 MOS(金属-氧化物-半导体)器件、电荷耦合器件，表面发光器件等，就是利用 半导体表面效应而制成的。 因此，研究半导体表面现象，发展有关半导体表面的理论，对于改善器件性能， 提高器件稳定性，以及指导人

19、们探索新型器件等都有着十分重要的意义。 MIS(指金属绝缘层半导体)结构 53 MIS结构示意图 MIS结构中满足以下条件（由于金属和半导体功函数的不同、绝缘层内可能存 在带电离子及界面态等原因，情况还是很复杂的。先考虑理想情况）： (1)金属与半导体间功函数差为零 (2)在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电 (3)绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。 54 1）当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充电。 两者所带电荷符号相反，电荷分布情况亦很不同。 2）在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围之内， 而在半导体中，由于自由载流子密度要

20、低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内； 这个带电的表面层称做空间电荷区。 3）在空间电荷区内，从表面到内部电场逐渐减弱，到空间电荷区的另端，场强减 小到零。 MIS结构空间电荷层及表面势 55 MOS 场效应管 MOS 场效应管也被称为MOS FET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor P-N结的二极管的工作过程 含有一个P-N结的二极管的工作过程 1)加上正向电压时，二极管导通，其PN结有电流通过。在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引 而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体

21、端运动，从而形成导通电流。 2) 反向电压时，在P型半导体端为负电压，正电荷被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移 动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 56 N沟道MOS场效应管的工作过程 NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。 N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上 正电压加在N沟道的MOS 场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而 涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中, 从而形成电流，使源极和漏极之 间导通。两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥

22、梁，该桥的大小由栅压的大小 决定。 57 半导体三极管示意图和三极管的符号 58 LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的缩写，它可以直接把电转 化为光。LED光源广泛见于日常生活中，如家用电器的指示灯、汽车的后 防雾灯等。 3.5 p-n结与光电功能器件 59 3.5 p-n结与光电功能器件 (1)半导体发光二极管的基本原理 晶片中PN结结构和发光二极管的发光原理 60 聚三苯胺(poly-TPD)-八羟基喹啉铝(Alq3)-无机半导体QD-LED器件 中科院化学所有机固体室的研究人员 使用美国Ocean NanoTech公司制备 的高质量的具有核壳结构的CdSe/Z

23、nS 和CdSe/CdS/ZnS纳晶量子点，同时 使用聚三苯胺(poly-TPD)为空穴传输 层、八羟基喹啉铝(Alq3)为电子传输 层，通过调节量子点尺寸以及通过器 件结构和各层厚度的优化，制备了可 发红、橙、黄、绿四种颜色光的QD- LED器件 61 太阳能电池 62 气体传感器 气体传感器是对气体所含特定成分的物化性质作出感应，并将其转化为适当的电信号，从而对气体种类及浓度作出检 测的传感器。SnO2 、ZnO、Fe2O3等半导体金属氧化物作为气敏材料已被广泛使用 半导体金属氧化物的气敏机理分为: 1)表面电阻控制机理 2)体电阻控制机理 3)非电阻控制机理； 4)吸附气体产生新能级模型

24、 5)隧道效应模型 6)控制栅极模型 7)接触燃烧模型。 63 气敏机理模型示意图 吸附气体产生新能级模型 64 (a) 晶界势垒及空间电荷 晶界处集聚有杂质、缺陷和偏析相。 离子（陶瓷）在晶界上的凝集， 则会引起晶界带电。 阳离子空位形成数阴离子空位形成数，即晶界上正电荷累积。界面附近 晶粒内部则通过空间电荷层将累积电荷抵消了。 晶界带电和空间电荷层的形成，引起晶界附近能带弯曲。 在氧化物中杂质浓度远大于平衡时的空位，晶界电荷主要由杂质控制。 3.6 晶界势垒及其电荷区 65 66 设界面态密度为Ns(个/cm2)，在耗尽层近似条件下，界面态Ns和施主浓度 Nd应满足以下关系Ns= 2Nd d 故晶界势垒高度B为 B=q2Ns/d 67 作业： 1 什么是p-n结？ 2 简述p-n结电容特性 4 什么是功函数？什么是表面态？什么是表面势垒？ 5 简述MIS结构及其特性 6. 什么是晶界效应，基于晶界效应的常