半导体物理学第8章

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1、§8·1表面态Byincreasingminiaturizationinsemiconductor-devicetechnology,theinterfaceitselfisthedevice!Kroemer,the2000Nobelwinnerofphysics赫伯特·克勒默1928年出生于德国.1952年获得德国哥廷根大学理论物理学博士学位.他的博士论文的题目是在晶体管中热电子的效应,这成为他从事半导体物理和半导体设备研究职业生涯的开端.现为加州圣巴巴拉加州大学的物理学教授。对硅(111)面，在超高真

2、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。aXV(x)V0E0一维晶体的势能函数求解薛定谔方程：在x=0处满足的连续性条件固体表面态的量子力学解释：x≤0区的电子波函数为：x≥0区的电子波函数为：在x=0处，波函数是按指数关系衰减，这表明电子的分布概率主要集中在x=0处，电子被局域在表面附近。WHAT?表面电场效应1.表面电场的产生表面态与体内电子态之间交换电子金属与半导体接触时，功函数不同，形成接触电势差半导体表面的氧化层或其它绝缘层中存在的各种电荷，绝缘层

3、外表面吸附的离子MOS或MIS结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时离子晶体的表面和晶粒间界2.空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）外加表面电场空间电荷层空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度的“空间电荷层”或叫“空间电荷区”，其宽度从零点几微米到几个微米。表面势MIS结构表面空间电荷区内能带的弯曲假设：金半接触的功函数差为零；绝缘层内无电荷；绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。表面电场和表面势注意研究的区域金属中自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度自由载流子密度要低

4、得多§8·2表面电场效应在外加电场作用下，在半导体的表面层内发生的物理现象，主要载流子的输运性质的改变。可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，如：功函数不同的金属和半导体接触（金/半接触）、使半导体表面吸附某种带电的离子等一般采用金属/绝缘体/半导体(MIS)结构研究表面电场效应1、表面电场效应：可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，如：功函数不同的金属和半导体接触（金/半接触）、使半导体表面吸附某种带电的离子等一般采用金属/绝缘体/半导体(MIS)结构研究表面电场效应在外加电场作用下，在

5、半导体的表面层内发生的物理现象，主要载流子的输运性质的改变。可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，如：功函数不同的金属和半导体接触（金/半接触）、使半导体表面吸附某种带电的离子等一般采用金属/绝缘体/半导体(MIS)结构研究表面电场效应1、表面电场效应：在外加电场作用下，在半导体的表面层内发生的物理现象，主要载流子的输运性质的改变。可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，如：功函数不同的金属和半导体接触（金/半接触）、使半导体表面吸附某种带电的离子等一般采用金属/绝缘体/半导体(MIS)结构

6、研究表面电场效应2、理想MIS结构：（1）Wm=Ws；（2）绝缘层内无可移动电荷且绝缘层不导电；（3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态。MIS结构等效电路由于MIS结构是一个电容，当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充放电。在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在很薄的一个原子层的厚度范围之内；而在半导体中，由于自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做空间电荷区spacechargeregion。一、空间电荷层及表面势首先，在空间电荷区内

7、，从半导体的表面到体内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度减小到零。其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化，半导体表面相对体内就产生电势差。空间电荷区对电场、电势与能带的影响：最后，电势的变化，使得电子在空间电荷区的能量改变，从而导致能带的弯曲。表面空间电荷区内能带的弯曲界面EcEiEFEvxEg半导体绝缘体Vg＞0时:p-typeorn-typeSi（1）多数载流子堆积状态（2）多数载流子耗尽状态（3）少数载流子反型状态在VG＝0时，理想半导体的能带不发生弯曲，即平带状态flat-bandc

8、ondition，有时也称为一种状态。例如，对于p型半导体，有三种情况：VG=0时,理想MIS结构的能带图一般情况讨论,以p型半导体为例：EviEciEiEvEcEFsEFmEFm=EFs在金属和P型半导体间加上电压，则将会在半导体的表面层中产生空间电荷区，dx0+VGp型半导体表面感生一个带负电的空间电荷层如果VG>0:qVsEcEvEF表面电势表面势为正，表面处能带向下弯曲，越接近表面。费米能离价带越远，空穴浓度越小。空间