表面化学物理2-1.ppt

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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)。7/17/202117/17/202127/17/20213第二章空间电荷效应7/17/202141.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。7/17/20215在表面，双电层的发

2、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。7/17/20216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7/17/20217图2.1双电层(a)原子模型(b)能带模型(c)电势变化

3、。平行板模型空间电荷模型(a)原子模型7/17/20218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7/17/20219Poisson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7/17/202110Gauss公式：Q：表面净电荷密度7/17/202111r：体电荷密度(C/m3)Q：表面净电荷密度这里提出这样的问题：什么

4、时候使用Poisson方程什么时候使用Gauss公式7/17/202112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V＝fb-f(2.5)注意：7/17/202113Vs:表面带弯根据Gauss公式：7/17/202114Vs是表面带弯Vs＝fb-f07/17/202115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7/17/202116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，使用Poisson方程很易求解7/17/202117

5、求解这种情况的Poisson方程0≤χ≤χ0ρ＝0将（2.1）式积分两次,得＝Ｃ1χ＋Ｃ2(2.3)Ｃ1,Ｃ2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(χ＝0)＝0(χ＝χ0)7/17/202118＝Ｃ1χ＋Ｃ2(2.3)＝s(χ＝0)＝0(χ＝χ0)7/17/202119仅对平板电容结构的偶电层7/17/2021207/17/202121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2×1019/m2;=1;=8.85×10-12c2N-1m-2=8.85×10-12F/mQ=N

6、g=2×1019/m2×1.602×10-19c；如果0=1=3.6Vx=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7/17/2021222.1.2半导体—气体，离子性吸附所生成的偶电层V＝fb-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7/17/202123晶体的单位体积中有ND个施主原子和NA个受

7、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7/17/202124例如，对于n型半导体(pb0)，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nb＝ND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)。XX0r=0x07/17/202125代入Poisson方程，积分后这里已经用了边界条件，即在x＝x0处，＝bx＝x0处，d/dx=0。利用Vs＝fb-fs7/17/2021267/17/202127

8、7/17/202128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8ND–NA=1020m-3或1025m-3Ns