薄膜材料物理--薄膜的表面和界面

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1、第四章薄膜的表面和界面第9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。§4.1表面双电层的表面势(1)金属表面的双电层和表面势晶体中原子排列的三维周期性在表面处突然中断，表面层中的原子可能发生重新排列→能量↓（表面能）金属中自由电子密度很高→屏蔽→金属表面处的电势分布近于一个单原子层如图。（∵

2、电子的逸出功下降）钨表面吸附氧原子，表面电势升高钨表面吸附铯原子，表面电势降低——光电阴极材料表面原子位能高，表面活性较大，易吸收外来原子，从而改变表面势能.影响电子的逸出功.能量真空能级距离内部原子表面原子晶体表面势能硅晶格在表面处突然终止，表面处硅原子有一个未成键的电子,即有一个未被饱和的建—称为悬挂键电子在悬挂键上的能态——表面态，处在禁带中，起电子陷阱作用.(2)半导体表面的双电层和表面势体内电子被表面态捕获而在体内产生空穴，而表面原子得到一个稳定的八电子壳层带有负电荷，它与体内空穴形成双电层.若表面态能级在导带底附近→施主型若表面态能级在价带顶附

3、近→受主型表面态使表面层带有过剩电荷，因而在表面层下产生异种电荷的聚集层，耗尽层，反型空间电荷层，例如：①表面层带有正过剩电荷电子聚集在空间电荷层→导电好→形成聚集层→导电更好（表面处）内部n型表面层(空间电荷区)表面正过剩电荷固定不动聚集层②表面层带有负过剩电荷电子向体内流动→形成耗尽层（电子）→表面处比内部更不易导电.内部n型表面层(空间电荷区)表面负过剩电荷固定不动耗尽层③表面层带很多负过剩电荷n型中的少数载流子空穴聚集在空间电荷层→形成反型层内部n型表面层(空间电荷区)表面很多负过剩电荷固定不动耗尽层半导体空间电荷层厚102-103nm金属空间电荷

4、层厚零点几nm.其因：半导体内自由载流子少，为聚集足够多的电荷，以平衡表面层中的被陷过剩电荷，在半导体中需要较厚的空间电荷层。（3）介质表面的双电层和表面势与半导体类似，但空间电荷层有厚，说明如下:设表面态在介质的禁带中均匀分布，其密度（单位面积单位能量）为Ns。热平衡表面态的费米能级与体内一致，所以电子从导带填充到表面态上表面态表面和内部在平衡之前EFn型平衡后电子从导带填充到表面态，知道表面态的最高填充能级与体内费米级一致为止，但是在绝缘介质中，导带上电子极少，所以d0很大。（4）表面态分布历史：达姆：电势在表面中断表面电子波函数→薛定谔方程→允许能级

5、结果：这个允许能级在禁带中——达姆能级位能x表面位能x表面ECEV达姆能级肖克莱：位能（表面）取如下：位能表面位能表面ECEｖ量子力学微扰电子陷阱表面态能级空穴陷阱表面态能级一般来说：①表面态处在禁带中，并且其最大态密度靠近导带底和价带项.表面态是电子陷阱，表面态能级靠近导带；表面态是空穴陷阱，表面态能靠近价带.②表面态的能级密度与表面的原子密度同数量级.③浅态→快态：交流电子快（介质与半导体）深态→慢态：交流电子慢（金属与介质）§4—2表面电场效应采用加电感应的方法，使半导体表面感应出积累层，耗尽层，和反型层。在MIS结构上加电压可实现.MIS结构可视一

6、个电容器，加电压充电。两端电荷异号金属中，自由电子密度高，电荷仅在一个原子层内.半导体，自由载流子密度很低，电荷分布一定厚度内→空间电荷层→电场减弱→电势变化→半导体表面的电势为表面势Vs（1）多数载流子的积累靠近表面处能带向上弯曲，形成电子的能量位垒。但对空穴来说，则是能谷既是负的表面电势把空穴（多数载流子）吸引到半导体表面区，形成带正电的积累层。对于P型半导体欧姆接触介质Ｉ半导体Ｓ金属ＭＭＩＳＥＣＥＶＥＦＥｉ导体介质半导体（中性）Ｅｄ不加外电压欧姆接触Ｐ型Ｐ型半导体介质金属空穴（可动）欧姆接触Ｎ型Ｎ型半导体介质金属电子（可动）Ｎ型对于n型半导体加Vg>

7、0,金属电极上充有正电荷→EF下降qVg,半导体的表面势Vs为正，使靠近表面处的能带向下弯曲，造成电子的能谷。即正表面势把电子（多数载流子）吸引到表面区，形成带负电的积累薄层（2）多数载流子的耗尽对于P型半导体→MIS中，金属接正，P型半导体接负Vg>0在MIS（P型半导体）上加正电压∵负离子不可动（电离受主）∴xd较大Ｐ型半导体介质金属0gV>不可动当电压Vg较小时，空穴被赶走，形成耗尽层=由电离受主构成一负空间电荷区当电压Vg较大时，负空间电荷区加宽，且少数电子被吸引到表面当电压Vg达到某一“阙值”时，表面电子浓度迅速增大，在表面处形成一个少数载流子的

8、反型层，这里的少数载流子就是电子.对于n型半导体的MIS，金属接负