2021-2022学年高二物理竞赛课件：固体表面及界面接触现象之表面态

1、固体表面及界面接触现象之表面态固体表面及界面接触现象前几张的讨论中假设晶体是无限的，采用周期性边界条件，忽略是实际边界的真实影响。实际晶体总是存在边界的，且固体必须通过边界面与周围环境作用。固体的表面效应和体内效应有许多不同的特性。接触面及界面附近的物理效应支配着器件的特性，尤其对器件的稳定性和可靠性有直接的影响。6.1 表面态6.1.1 理想表面和实际表面表面：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。理想表面：设想在无限晶体中插进一个平面，然后将其分成两部分，这分界面称为理想表面。 理想表面的原子排列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。理想表面实际上

2、不存在。实际表面：分为清洁表面和真实表面。清洁表面：没有杂质吸附和氧化层的实际表面。实际表面：日常接触到的实际表面，哪怕经过严格的清洗，看起来是清洁的，实际上由于环境的影响，表面往往生成氧化物或其他化合物，还有可能有物理吸附层，甚至还有与表面接触过的各种物体留下的痕迹。6.1.2 表面态 每个Si原子的4个价电子与最近邻的4个Si原子的各一个价电子组成共价键。 晶体表面，晶格突然断裂，最外层的Si原子出现未配对电子，即存在一个未饱和的键，称为悬挂键。 悬挂键上的电子对应的能量状态称为表面态。 从能量高低的角度考虑，表面态的能量高于价带中的电子能量（体内配对价键上的电子能量）低于导带中的电子能量

3、（晶格空间的准自由电子的能量状态），因此它的能量值必定在禁带范围内。一个悬挂键提供一个表面态表面能带（表面能带中每个表面能级对应1个悬挂键上的的电子能量状态）悬挂键的密度很高键与键之间有较强的相互作用考虑到表面处的电子能量小于真空能量V0，电子波函数必须满足有限单值连续的条件，可以得到电子能级：电子的波函数： 根据表面态被电子占据后所带电性的不同，可以分为类施主态和类受主态： 在z=0处的两边，随着与表面之间距离的增大，波函数都是按照指数规律衰减的，这表明电子的分布概率主要集中在z=0处，电子被局限在表面附近，这些电子状态即表面态。对应的能级为表面能级，处于禁带内。 根据表面态和体内交换电子的

4、速率，可以分为快态和慢态： 快态电子交换时间为毫秒或更短。主要处于Si与表面氧化层之间。 慢态电子交换时间为毫秒以上甚至数小时或者更长。主要处于Si表面天然氧化层的外表面，或Si/SiO2界面附近的结构缺陷或杂质所形成的表面态。 少子产生和复合中心，多子散射，形成表面电场表面态密度 受环境影响，表面往往生成氧化物或其他化合物。如Si表面生长SiO2，表面大量悬挂键被氧原子饱和，表面态密度大为降低，实验测得的表面态密度往往在1010-1012cm-2之间，比理论值低很多。外电场对半导体表面的影响首先讨论理想情形下，外加电场作用于半导体表面发生的现象。理想情形：热平衡状态的半导体表面不存在任何表面

5、态电荷。在一块与半导体表面平行的平板金属与半导体之间加外加电压V，就会有电场E0。相当于金属与半导体之间形成平板电容器。半导体表面电荷密度 。金属和半导体的表面存在一定的电荷分布。空间电荷区空间电荷区的存在可以屏蔽外电场，使其不能深入半导体内部（空间电荷区存在内建电场）。由于表面层内存在电场，必然存在势能。附加了电势能后，半导体表面层内的能带必然发生变化。下面以P型半导体为例分析。外加电场：电场方向由半导体表面指向半导体内部。电势：半导体表面与体内之间的电势差称为半导体的表面势。电子电势：空穴电势的变化情况与电子相反。 空间电荷区出现附加的静电势能，使电子在半导体内部和表面层的势能不相同，则相应的能带发生变化。 这种半导体表面空间电荷区中多数载流子势能陡起的情形称为表面势垒。势垒高度达到稳定时，半导体表面层内的电场变化与相应的电荷分布联系在一起的。分析半导体表面空间电荷区的性质定量求电场和电势的分布求得面电荷密度和表面微分电容泊松方程采用一维近似处理方法，以P型半导体为例，泊松方程表面空间电荷区的电场、面电荷密度和电容