南京工业大学 材料表面与界面 第二章 固体材料表面与界面电子过程

1、固体材料表面与界面电子固体材料表面与界面电子过程过程3.1 3.1 半导体与半导体界面特性半导体与半导体界面特性-PN-PN结结3.2 3.2 金属与半导体的接触特性金属与半导体的接触特性3.3 3.3 表面势、表面态、表面电导表面势、表面态、表面电导3.4 MIS3.4 MIS结构结构3.5 PN3.5 PN结与功能器件结与功能器件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状态：能量、运动的范围 电子运动的特点：微质点、高速度运动电子运动的特点：微质点、高速度运动 不可能确定某电子在某空间位置不可能确定某电子在某空间位置用用在空在空 间出现的概率间出现的概率

2、(电子云及密度电子云及密度) 能量不连续能量不连续能级能级决定电子运动状态是主要取决于对电子的作用势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。函数及其对应的本征能量。电子的特点电子的特点3无数电子形成一个系统以后，电子运动特性无数电子形成一个系统以后，电子运动特性(范围范围) 能带能带当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互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；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

3、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6E 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-type P-typeN-type P-type半导体；导带；价带；禁半导体；导带；价带；禁带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

4、运动方式及形成电流8v纯净的、不含杂质的半导体1.1 本征半导体9v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型半导体中的多数载流子( (多子）多子） 为为电子电子。空穴空穴为少数载流子（少子为少数载流子（少子）呈电中性 11v 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 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型半导体中的多数载流子( (多子）多子） 为为

5、空穴空穴。电子电子为少数载流子（少子）为少数载流子（少子）杂质半导体半导体呈电中性 13v 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14v 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

6、及其电流 漂移电流大小与电场强度成正比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153.1 PNPN结结1. pn结定义：结定义：把一块把一块p型半导体和型半导体和一块一块n型半导体结合型半导体结合在一起，由于在一起，由于P、N区区载流子浓度不等载流子浓度不等，N区电子浓度向区电子浓度向P区区扩散，扩散，P区空穴向区空穴向N区扩散，结果在交界区扩散，结果在交界面处积累电荷形成面处积累电荷形成电电偶极层偶极层，将该结构称，将该结构称为为p-n结结 带负电荷的电离受主电离受主带正电荷电离施主带正电荷电离施主16 平衡平衡p-n结的能带图结的能带图 1） 电子从费米能级高的n区流向

7、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Ef2)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：172 PNPN结基本特性结基本特性带负电荷的带负电荷的电离受主电离受主带正电荷电离施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电离受主与少量电子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负电荷区正电荷区正电荷区空

8、间电荷1) 空间电荷空间电荷18d）对于空穴，情况完全相似。）对于空穴，情况完全相似。e）没有电流流过）没有电流流过p-n结。或者说流过结。或者说流过p-n结的净电流为零结的净电流为零 空间电荷区的特点：空间电荷区的特点：a）内建电场）内建电场 在内建电场作用下，载流子作漂移运动。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向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。用。b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最

9、终将达到动态平衡将达到动态平衡，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而互相抵消。E19PNPN结基本特性结基本特性PNPN结平衡结平衡 VD阻止多子继阻止多子继续扩散，同时有续扩散，同时有利少子定向漂移利少子定向漂移VD：势垒电压VD = 0.60.8V 或 0.20.3VVD202)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UUU21 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

10、现为大电阻。该状态称为PNPN结反向结反向截止状态。截止状态。PN反向运用 UU22一个一个p-n结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电压频率增高时，其整流特性变坏压频率增高时，其整流特性变坏 p-n结电容包括结电容包括势垒电容势垒电容和扩散电容和扩散电容两部分。两部分。3) p-n结电容特性结电容特性部分电子和空穴部分电子和空穴“存入存入”势垒区势垒区 势垒区宽度变窄，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少空间电荷数量减少 电子和空穴中和电子和空穴中和23在外加正向偏压增加时，将有一部分在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴电子和空穴“存入存入

11、”势垒势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，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，这就是有一部分势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电电子和空穴从势垒区中子和空穴从势垒区中“取出取出”。当当p-n结加结加正向偏压正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱加而减弱势垒区宽度变窄势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少空间电荷数量减少，因为空，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的减少是由于n区的电子和区的电子和p区的空穴过来中和

12、了势垒区的空穴过来中和了势垒区区中一部分中一部分电离施主和电离受主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结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入存入”和和“取出取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随作用，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。这外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种种p-n结的电容效应称为势垒电容结的电容效应称为势垒电容24扩散电容扩散电容积累的非平衡积累的非平衡空穴也增加空穴也增加,与与它保持电中性它保持电中性的电子也相应的电子也相应增加增加非平衡电子非平衡电子和与它保持和与它保持

13、电中性的空电中性的空穴也要增加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，称为的电容效应，称为p-n结的扩散电容。结的扩散电容。 p-n结的势垒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。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25a.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结接触电势差结接触电势差b. 相应的电子电势能之差即能带

14、的弯曲量相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为称为p-n结的势垒高度结的势垒高度 qVDEFn-EFp 263.2 金属和半导体的接触特性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)mE0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

15、底的电子逸出体外所需要的最小能量。 半导体的功函数又可表示为 Ws= + = +En sFcEE)( 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半导体功函数与杂质浓度的关系(计算值计算值) 292.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，它们有共型半导体，它们有共同的真空静止电子能级，并假定金属的同的真空静止电子能级，并假定金属的功函数大于功函数大于半导体的功函数，即半导体的功函数，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 金属和金属和n型半导体接触能带图型半

16、导体接触能带图(WmWs) 31特点：特点：1 1）随着）随着D D的减小，靠近半导体一的减小，靠近半导体一侧的金属表面负电荷密度增加，同时，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的正电荷密靠近金属一侧的半导体表面的正电荷密度也随之增加。度也随之增加。2 2）由于半导体中自由电荷密度的限制，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，即空间电荷区表面层内，即空间电荷区。(c)紧密接触紧密接触表面势：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

17、部之间存在电势差曲，使半导体表面和内部之间存在电势差Vs，即表面势，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，于是有属和半导体表面之间，于是有 VmsVs qWWmsVm金属的电势；Vs半导体电势；Vms:接触电势；Vs:表面电势32若若D小到可以与原子间距相比较，小到可以与原子间距相比较，电子就可自由穿过间隙，这时电子就可自由穿过间隙，这时Vms很小，接触电势差绝大部分很小，接触电势差绝大部分降落在空间电荷区。降落在空间电荷区。特点：特点：1）(Ws-Wm)/q=Vs。d）忽略间隙）忽略间隙3)金属一边的

18、势垒高度：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半导体一边的势垒高度为qVD=-qVs=Wm-Ws334) 半导体表面形成一个正的空间电荷半导体表面形成一个正的空间电荷区，区，电场体内指向表面；电场体内指向表面；Vs 0,半导体表面电子的能量高于体半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，形成表面势垒。内，能带向上弯曲，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。34nsqn型型Ge、Si，GaAs的的 测量值测量值

19、(300K)353.3 表面势与表面态表面势与表面态363738其中v(r)为体内价电子电荷密度，a为常数。在定性地讨论在定性地讨论Vzc(r)的特征时，其表达式可表的特征时，其表达式可表示为：示为：Vzc(r): 价电子间的交换和相关势3924041(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；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荷在表面感生的电场电场；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、金属、与半导体与半导体(或绝缘体或绝缘体)因因功函数不同而形成

20、接触功函数不同而形成接触电势电势等。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重新分布布产生屏蔽作用，阻止外场深入内部；产生屏蔽作用，阻止外场深入内部；(5)金属材料金属材料：自由载流子密度很大，表面形成：自由载流子密度很大，表面形成极薄层极薄层(数量级数量级)就足以将外场屏蔽掉；就足以将外场屏蔽掉；半导体材料半导体材料：自由载流子密度小，必须经过：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荷层区。域就是表面空间电荷层区。如果载流子密度愈小，则空间电荷层就愈厚。如果载流子密度愈小，则空间电荷

21、层就愈厚。在室温下，表面层厚度可以用在室温下，表面层厚度可以用Debey长度长度LD来估记来估记:46(6)氧化物表面的结构单元是离子，它们之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。间的电作用主要是库仑势。表面离子的表面离子的配位数、空位等缺陷配位数、空位等缺陷，对氧化物的，对氧化物的 对氧对氧化物的电子化物的电子 电子电子 结构结构 结构有明显影响结构有明显影响 有明显影响。有明显影响。4748(7)495051(8)氧化物氧化物-半导体界面态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

22、在外场作用下响应时间快。界面态的来源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)523.4 MIS结构结构 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半导体的表面状态对晶体管和半导体集成电路的参

23、数和稳定性有很大影响。定性有很大影响。MOS(金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体)器件、电荷耦合器件，表面发器件、电荷耦合器件，表面发光器件光器件等，就是利用半导体表面效应而制成的。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，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，以及指导人们探索对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及指导人们探索新型器件等都有着十分重要的意义。新型器件等都有着十分重要的意义。MIS(指金属指金属绝缘层绝缘层半导体半导体)结构结构53 MIS结构示意图 MIS结构中满足以下条件（由于金属

24、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。541）当在金属与半导体之间加电压电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充电充电。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一个原子层的厚度范围之内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低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内一定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做空间电荷区空间电荷区。3）在空间电荷区

25、内，从表面到内部电场逐渐减弱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55MOS 场效应管场效应管 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 含有一个含有一个P-N结的二极管的工作过程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型半导体端运动，从而形成导通电流。2) 反向电压时，在

26、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。56N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梁，该桥的大小由栅压的大小决定。 57 半导体三极管

27、示意图和三极管的符号58LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的缩写，）是发光二极管的缩写，它可以直接把电转化为光。它可以直接把电转化为光。LED光源广泛见于日常生活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。中，如家用电器的指示灯、汽车的后防雾灯等。 3.5 p-n结与光电功能器件结与光电功能器件593.5 p-n结与光电功能器件结与光电功能器件(1)半导体发光二极管的基本原理半导体发光二极管的基本原理晶片中晶片中PN结结构和发光二极管的发光原理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中科院化学所有机固体室的研究人员使用美国研究人员使用美国Ocean NanoTech公司制备的高质公司制备的高质量的具有核壳结构的量的具有核壳结构的CdSe/ZnS和和CdSe/CdS/ZnS纳晶量子纳晶量子点点，同时使用，同时使用聚三苯胺聚三苯胺(poly-TPD)为空穴传输层、为空穴传输层、八羟基喹啉铝八羟基喹啉铝(Alq3)为电子为电子传输层，通过调节量子