高等半导体物理学

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第四章半导体表面2020年11月24日第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面第四章半导体表面§4.1半导体的表面一、理想表面和实际表面

理想表面：

表面对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。指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。真实表面：表面吸附杂质,或表面原子生成氧化物或其它化合物清洁表面：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化的实际表面。实际表面又分为：

求解薛定谔方程→在x=0处，出现新的本征值→附加的电子能态→表面态硅表面悬挂键由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。二、表面态

达姆表面能级:晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断,在禁带中引起的附加能级.

例如:对硅(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。理想表面实际上不存在共价半导体的表面再构现象:

近表面几个原子厚度的表面层中,离子实所受的势场作用不同于晶体内部,使得晶体的三维平移对称性在表面层中受到破坏,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.清洁表面的电子态，称为本征(达姆)表面态。

真实表面由于吸附原子或其它不完整性，产生表面电子态，称为外诱表面态。外诱表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关;达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值。表面态分为施主型表面态和受主型表面态。施主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何,能级被电子占据时呈电中性,施放电子后带正电.这样的表面态叫

受主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何,能级空着时呈电中性,接受电子后带负电,这样的表面态叫

§4.2

半导体的表面电场一、形成表面电场的因素

1．表面态的影响

由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。(EF)s→表面费米能级(EF)s≠EF如果(EF)s＜EFEcEvEF(EF)s•+－E2．功函数的差异金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。金属功函数的定义上式表示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所需要的最小值。EFE0真空中静止电子的能量EoEcEv(EF)sWsWm金(M)半(S)WS>WM，即(EF)S<(EF)M

+－E形成由金

半的电场。(EF)m金属半导体接触

如果WS<WM，即(EF)S>(EF)M半导体中的电子向金属流动，形成由半

金的电场

3．氧化层中的杂质离子S+++I－M－－－－E例如:Si-SiO2系统中,SiO2层中有过剩硅离子4．外加偏压

二、表面电场效应1．空间电荷区和表面势

讨论在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。d金属绝缘体半导体欧姆接触MIS结构理想的MIS结构:金属与半导体间功函数差为零绝缘层中无电荷且绝缘层完全不导电绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态

MIS结构是一电容

在金属与半导体间加电压后,金属和半导体相对的两个面上被充电,符号相反金属中,电荷分布在一个原子层范围内;

半导体中,电荷分布在一定厚度的表面层内---

空间电荷区－－－－－－－－－－+++++++++－MISVG空间电荷区表面与体内的电势差为表面势，用VS表示。

规定：

表面电势比内部高时，VS>0，反之，表面电势比内部低时，VS<0。

外加正偏压VG时(M为正)，电场由表面指向体内，VS>0；

外加反向偏压时，VG<0，电场由体内指向表面，VS<0。x0V(x)VsxV(x)0VsVG＞0VG＜02．能带弯曲和载流子浓度的变化(1)能带弯曲

有表面势存在时，空间电荷区内的电子受到一个附加电势的作用，电子的能量变为：EC(x)=EC

q

V(x)、EV(x)=EV

q

V(x)●VG>0，VS>0时，取负号，空间电荷区的能带从体内到表面向下弯曲●VG<0，VS<0时，取正号，空间电荷区的能带从体内到表面向上弯曲(2)载流子浓度体内：EC，EV

空间电荷区：V(x)>0，能带向下弯

V(x)>0空穴的势垒

空间电荷区：0xEFV(x)<0，能带向上弯

V(x)<0电子的势垒

空间电荷区：0xX=0V(x)=Vs表面上3．P型半导体表面空间电荷层的四种基本状态

(1)VG<0，金属接负，半导体接正

VS为负，能带上弯

多子堆积表面层出现空穴堆积,

带正电EFmEFs0

将这种多子浓度高于体内平衡浓度的表面层叫多子堆积层，称此时的表面空间电荷层处于多子堆积状态。多子空穴空间电荷特征：1）能带向上弯曲并接近EF；2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。xQsQmEFmEcEiEvEv1Ec1EFs无空间电荷(2)VG=0，VS=0，平带半导体表面电荷堆积为0，称这种状态为平带状态。特征：半导体表面能带平直。(3)VG>0，金属接+，半导体接负

EcEvEFEiqVsqVBVB是体内势：多子耗尽

ps<(po)p，空间电荷区的负电荷绝大部分为过剩的电离的受主IM++++++S－－－－－－电离的受主这种状态称为多子的耗尽状态，空间电荷区为耗尽层。空间电荷特征：1）表面能带向下弯曲；2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。QmQsx（4）VG>>0反型层界面EcEiEFEvqVsxqVqVBEg半导体绝缘体表面空间电荷区内能带的弯曲P电子称这个状态为反型状态

电子电离受主空间电荷反型少子堆积弱反型：ps<ns<(po)p

强反型：ns>(po)p

特征：1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数>多子数——表面反型；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。表面反型条件出现强反型的临界条件，ns=(po)p强反型出现VG<0VS<0,VG=0,VG>0,VG>>0多子堆积,平带,多子耗尽,反型少子堆积VG变化

VS变化能带弯曲

电荷分布变化

4．N型半导体表面空间电荷层的四种基本状态

1)

VG>0,VS>0能带下弯，ns>(n0)n多子的堆积

•••••EF2)VG=0，