表面化学物理2-1.ppt

1、2020/7/24,1,思考题： 1. 什么是偶电层，它对固体表面的电学和化 学性质有何影响。 2. 什么是空间电荷层，指出偶电层与空间电荷层 的区别。 3. 什么是耗尽层？什麽是累积层？什麽是 反型层？说明它们的形成原因及对固体表面的 影响(侧重电学性质)。,2020/7/24,2,2020/7/24,3,2020/7/24,4,第二章 空间电荷效应,2020/7/24,5,1. 偶电层 偶电层的定义： 是指一个有一定厚度的电荷不均匀区，在此区域内厚 度方向上电荷密度有相当大的变化。 偶电层的形成： 两相接触到一定的距离内，只要两相的Fermi能级(或 化学势)不同，就能形成偶电层。,202

2、0/7/24,6,在表面，双电层的发展情况强烈地影响固体的性能，包括其电学及化学性质。半导体及绝缘体的电学性质在许多方面为双电层所支配。,例如: 双电层的形成表示将电荷注入半导体能带或从中抽出. 两种固体材料的存在功函差 半导体的光电响应。双电层对光生电子空穴的分离、扩 散有影响，表面处的偶电层对复合率有决定性的作用。 固体表面的化学性质也取决于表面双电层。,2020/7/24,7, 形成偶电层的各种形式： 金属金属 金属气体 金属液体 金属半导体、绝缘体 半导体、绝缘体气体 半导体、绝缘体液体 半导体、绝缘体半导体,2020/7/24,8,图2.1双电层 (a) 原子模型 (b)能带模型 (

3、c) 电势变化。,平行板模型,空间电荷模型,(a),原子模型,2020/7/24,9, 处理偶电层中电荷分布的数学模型： 研究偶电层主要是研究偶电层中的电位分布，如果表面 电荷在二维表面上是均匀的话，那么电位分布就是一维 的问题。 对于一维的问题，决定电荷和空间电位之间的关系是： Poisson方程 Gauss公式,2020/7/24,10,Poisson方程：,f: 电位；X：表面的距离；r：体电荷密度(C/m3)； e：材料的介电常数； e0：真空介电常数,2020/7/24,11,Gauss公式：,Q：表面净电荷密度,2020/7/24,12,r：体电荷密度(C/m3),Q：表面净电荷密

4、度,这里提出这样的问题： 什么时候使用 Poisson方程 什么时候使用 Gauss公式,2020/7/24,13, 对于氧在半导体上的吸附所形成 的偶电层具有空间电荷区 “带弯”的概念， 用V来表示 Vfb - f ( 2.5),注意：,2020/7/24,14,Vs: 表面带弯,根据Gauss公式：,2020/7/24,15,Vs是表面带弯 Vs fb - f0,2020/7/24,16, 处理偶电层中的的电位分布实例： 金属气 或 金属液 2. 半导体或绝缘体气,2020/7/24,17, 2.1.1 金属气 或 金属液,可以看成带电的平板电容器由于两层电荷之间的电荷密度为零,这种情况下

5、，使用Poisson方程很易求解,2020/7/24,18,求解这种情况的Poisson方程 0 0 0 将（2 . 1）式积分两次, 得 12 ( 2.3 ) 1 , 2为积分常数，其值由具体的物理条件来定， 由于电位是个相对值，可令 s (0 ) 0 (0),2020/7/24,19, 12 ( 2.3 ), s (0 ) 0 (0),2020/7/24,20,仅对平板电容结构的偶电层,2020/7/24,21,2020/7/24,22,举个数字例子，在一个典型的结晶面上，（假设每个原 子带一个电荷） 原子密度为21019/ m2 ; = 1; = 8.8510 - 12 c2 N-1 m

6、-2=8.8510 - 12 F/ m Q = Ng =21019/ m21.60210 - 19 c；,如果 0=1 = 3.6V x=0,实际中并没有发现这么大的跨压，主要是假定的条件不合理，即不能表面上每个都产生一个电荷,2020/7/24,23, 2.1.2 半导体气体，离子性吸附所生成的偶电层 Vf b - f 定义: V 是带弯 Vs 是表面带弯 f 空间电荷区任意一点的电位,* 注意偶电层与空间电荷层的区别,对于有空间电荷的偶电层，需要采用Schottky模型： . 近表面空间电荷不能移动 . 在整个空间电荷区电荷是均匀的 . 少数载流子忽略不计 . 多数载流子被表面能级捕获,2

7、020/7/24,24,晶体的单位体积中有 ND 个施主原子和 NA 个受主原子，并 且全部电离. 导带的体相电子密度为 nb，价带的体相空穴密度为 pb。 由电中性条件得到体相材料中,2020/7/24,25,例如，对于n型半导体(pb 0)，施主中的 NA个电子被受主所俘获，在体内的导带中留下的电子密度为 nbND一NA. 这些电子被俘获在表面位置上，在空间电荷区的单位体积中留下的电荷为 e(ND一 NA)。,X X0 r = 0,x0,2020/7/24,26,代入Poisson 方程， 积分后,这里已经用了边界条件，即在xx0处， b xx0处，d /dx=0 。,利用 Vsf b -

8、 f s,2020/7/24,27,2020/7/24,28,2020/7/24,29,典型高掺杂半导体的例子 取Vs的量级为 1 伏特 介电常数为 8 ND NA =1020m-3 或1025m-3 Ns的值各为31014m-2 或1017m-2。 这分别相当于1.510-5或510-3个单层。显然，如果不导致很高双电层电势的话，就只能容纳小的表面电荷。 Weisz首先指出这是表面覆盖度的极限。由于Ns随杂质浓度的平方根变化，无论样品的掺杂有多高，当有耗尽层存在时，平衡离子吸附仅限于约10-3 10-2个单层。,2020/7/24,30,少数载流子和多数载流子的概念,ND + pb = NA + nb ( 2.4 ) ND 、NA ：单位体积内的受主、施主数目 pb 、nb ：载流子空穴、电子的密度,半导体空间电荷层的三种形式,倒空层,聚集层,反型层,单位体积内的受主施主数目,2020/7/24,31, 2.1.3 能带中的双电层，钉住的Fermi能级,(a) 固体中的电势作为不变的参考电势； (b) 真空中电子的电势作为不变的参考电势,图 2.2 半导体空间电荷区形成的能带模型,2020/7/24,32,1. 倒空层 . 倒空层(耗尽层)的概念 . 空间电荷层厚度 . Fermi能级“钉住” . 表面势垒高度与Eto和Et之差的关系,2020/7/24,33,2. 聚集层