西北大学 半导体物理课件08new

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1、第第第第八八八八章章章章半导体表面与半导体表面与半导体表面与半导体表面与MISMISMISMIS结构结构结构结构第八章第八章Part1Part18.1表面的基本概念8.2表面空间电荷区的基本性质8.3MIS结构的C-V特性8.4Si-SiO2系统8.5表面电导及表面迁移率8.6表面电场对PN结特性的影响8.18.1表面的基本概念表面的基本概念一、表、界面的定义�表、界面是指由一个相到另一个相的过渡区域。表、界面通常可以分为以下五类：固—气、液—气、固—液、液—液、固—固�气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表、界面。�习惯上把凝聚相与气相之间的分界面（固—气、液—气）称为表面，而把凝聚相

2、之间的分界面（固—液、液—液、固—固）称为界面。�在物理学中，一般将表面定义为三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域，在这个过渡区域内，周期点阵遭到严重扰动，甚至完全变异。二、物理表面在物理学中，一般将表面定义为三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域，在这个过渡区域内，周期点阵遭到严重扰动，甚至完全变异。1、理想表面就固体材料而言，理想表面就是指表面的原子位置和电子密度都和体内一样。实际上，由于受垂直于表面方向上原子排列周期性终止的作用，表面附近的电子波函数发生了严重的畸变，理想表面是不可能存在的。2、清洁表面清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应、杂质扩散等一系列物

3、理、化学效应的表面。只有用特殊的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空沉积等才能获得清洁表面。必须在超高真空下才能维持。二、物理表面在清洁表面上，可以发生多种与体内不同的结构和成分变化，如:驰豫——表面附近的点阵常数发生了明显的变化。重构——表面原子重新排列，形成不同于体内的晶面。台阶化——指出现了一种比较有规律的非完全平面结构的现象。偏析——指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。吸附——指气相中的原子或分子在气—固或液—固界面上的聚集。3、吸附表面吸附有外来原子的表面。吸附原子可以形成无序或者有序的覆盖层。覆盖层可以具有和基体相同的结构，也可以形成重构表面层。覆盖层结构中也

4、存在有缺陷，且随温度发生变化。三、材料表面材料科学研究的表面包括各种表面作用和过程所涉及的区域，其空间尺度和状态决定于作用影响范围的大小和材料与环境条件的特性。1、机械作用界面：受机械作用而形成的表、界面。常见的机械作用有切削、研磨、抛光、喷砂、磨损等。2、化学作用界面：由表面反应、粘接、氧化、腐蚀等化学作用形成的界面。3、固态结合界面：由两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散、键合等途径形成的界面。4、液相或气相沉积界面：物质以原子尺寸形态从液相或气相析出而在固体表面形成膜层或块体的界面。5、凝固光生界面：两个固体同时从液相中凝固析出，并且共同生长所形成的界面。6、熔焊界面：

5、在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固过程中形成冶金结合的界面。四、表面能级、表面态表面实质上就是晶体周期性的中断，或周期性势场的中断，它必然在禁带中引入能级，这种能级称为表面能级。根据固体理论求解薛定谔方程，可获得表面能级分布的情况，即状态密度，对应的状态称为表面态。每个表面原子对应禁带中的一个表面能级，这些表面能级按一定规律组成表面能带。从晶体结构上看，表面原子排列不规则，而且表面上往往吸附有其它的分子或原子。本章讨论的是理想表面，即晶体表面原子排列比较规则，且不吸附有任何非本体分子或原子的表面。8.28.2表面空间电荷区的基本性质表面空间电荷区的基本性质一、表面空间电荷区的形成引起半导

6、体表面产生表面空间电荷区的原因：1、功函数：由于功函数的不同，当金属和半导体接触时，在半导体表面形成空间电荷区；2、外电场：有外电场作用时，可在半导体表面形成空间电荷区；3、表面态：当半导体表面吸附有离子时，也可在半导体表面形成空间电荷区；4、绝缘层中的电荷：当与半导体接触的绝缘层中存在电荷时，也可在半导体表面形成空间电荷区。一、表面空间电荷区的形成理想MIS（金属—绝缘层—半导体）结构：①　金属与半导体间的功函数差为零，即Wm=Ws;②　绝缘层内没有电荷，且绝缘层完全不导电；③　绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。一、表面空间电荷区的形成+Q-Q金属一边的电荷+Q分布在很薄的薄层++-

7、-+内，大约在一个原子层内。而半导体--++MP-S-+--中的-Q分布在表面层零点几～几个微++--+米厚的薄层内，形成了空间电荷区。在空间电荷区内，从表面到体内电场逐渐减小，到达空间电荷区的另一端，场强减小为零。由于电场是变化的，那么空间电荷区内的电势也随距离逐渐变化，即从表面到体内存在一个电势差，能带也因此而弯曲。常称空间电荷层两端的电势差为表面势，以VS表示。二、空间电荷区的几种类型1).多子的积累-++--++