薄膜材料物理--薄膜的表面和界面2

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1、第四章薄膜的表面和界面(续)第10讲在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面界面:固体和固体的分界面几何表面：表面的几何分界面。物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异薄膜的常用厚度为几十到几百nm.金属的表面区只有一.二个原子层；半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层；电介质的表面区更厚。§4—3电接触4.3.1逸出功和接触电势差认为表面电势近似为突变如图图中：E0：表示真空中静止电子的能级金属n型半导体电介质Ec：导带底Ev：价带顶Ec即是晶体中自由电子所具有的最低能级，它相当于晶体中静止的自由电子的能量.W：

2、真空能级与导带底能级之差，即将晶体中静止电子移至晶体处真空中所需要的能量——电子亲和能逸出功Φ:是将电子从费米能级EF移至真空中所需要的最小能量，若以Ec为参数能级,则EF费米能级是系统的化学势能，即是系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化。接触电势差是逸出功不同的两个物体接触以后，由于电子从逸出功小的物体流向逸出功较大的物体，最后达到平衡状态，两物体的费米能级相同。结果前者带正电，电势降低；后者带负电，电势升高；在两者之间产生了电势差——接触电势差式中V1和V2分别为物体1和2的逸出电势4.3.2金属与金属的接触例如Ag(银)和铜接触，逸出功不同从能量观点来看，电

3、子将从逸出功较小的金属向另一金属流动，直到最高能量的电子在这两种金属中占有相同的能级。接触前能级图接触后能级图两金属自由电子浓度不同也要引起电势差，因为浓度大的要向浓度小的一方扩散，从而前者带正电，后者带负电。有自由电子论知，其静电电势差为：所以，两个金属的接触电势差为：上述是在理想接触情况下的结果事实上，接触有三种如下：a.紧密接触式中ρ为金属的电阻率，Q为凸点的半径若有n个接触点，则总电阻为：设间隙的宽度为d假设金属中的一个电子到x处，金属1金属2当x>x

4、,x→∞时，显然：为金属1的逸出功若在外加电场E作用下如图,则电子所受电场力为-qE,势能为-qEx.所以，电子由金属1→2所需要的功为：同样分析，电子由金属2→1所需的功为：根据肖特基发射理论，金属1金属2总电流密度：在强电场下，qEd<

5、几个原子长度，而在另一种半导体中却为几个扩散长度同质方法P型半导体和N型半导体接触这时，空间电荷层具有一定的厚度，其厚度与接触类型和材料而异，通常是微米数量级。两边存在电位差，其中电荷分布与电位关系服从泊松方程，由空间电荷层电位分布能级图在反向连接情况下，耗尽层（空间电荷层）加宽，几乎没有多数载流子电流。但是，这时对于P型半导体中少数载流子空穴来说却是正向连接，形成少数载流子的电流（µA数量级）——饱和电流在正向连接情况下，耗尽层变窄，多数载流子形成大电流（mA数量级）。这时，外加电流与自建电场方向相反，所以多数载流子的飘移电流减小，而扩散电流不变，因而流经p-n结的

6、净电流是扩散电流。下面建立流过p-n结的电流密度（正向连接）公式：P接负，n接正→电流很小（称为反向连接）P接正，n接负→电流很大（称为正向连接）P-N结具有整流特性：（ａ）平衡状态下P型Ｎ型（ｂ）加正电压V下P型Ｎ型电子处于能量为E的状态几率为：在p-n结的n型材料一边，导带中的电子数：其中具有能量的电子数为：若在P型半导体上加以正电压V，则其费米能级下降qV。在这种情况下，虽然不变，但是，在n型半导体一边具有能量为的电子数nn’’不再是平衡状态下的nn’，而是因此有：在平衡状态下，可移动的载流子处于稳定平衡状态。P型半导体导带中的电子数应当等于和因此，在界面两边产

7、生电子密度差（nn’’-np）,电子从n型区向p型区扩散，从而产生从p型区向n型区的扩散电流，其电流密度为：与此类似有：式中：φ0是电子从n区到p区（或者空穴要从p区到n区）需要越过的一个势垒高度，这个势垒就是p-n结空间电荷区所形成的电势差Vd与电子电荷的乘积，而Vd称为p-n结的接触电势差，其值为：式中：ND和NA分别为n区和p区的净杂质浓度ni：为半导体的本证载流子浓度接触电势差Vd的大小由下述三方面决定：薄膜p-n结二极管→窄二极管，p,n区很薄，其厚度远小于少数载流子的扩散度，这表示在p-n结两边，在结与欧姆接触（电极的）之间不发生电子与空