薄膜物理表面與界面

1、2021-5-25薄膜物理表面與界面 1 1 薄膜物理薄膜物理 -表面與界面表面與界面 2021-5-25 2 2 薄膜物理表面與界面 u表面雙電層和表面勢表面雙電層和表面勢 u電接觸電接觸 薄膜的表面和界面薄膜的表面和界面 薄膜物理表面與界面 在研究薄膜中，在研究薄膜中，表面表面固體和氣體或真空的分界面固體和氣體或真空的分界面 界面界面固體和固體的分界面固體和固體的分界面 由于界面兩邊物質(zhì)的濃度或者結(jié)構(gòu)不同，界面處的原子排布和電子 結(jié)構(gòu)與物質(zhì)內(nèi)部不同。因而電子的靜電電位也不相同。通常在界面處產(chǎn) 生一個雙電層。這是因為界面處的原子排布和電子結(jié)構(gòu)與物質(zhì)內(nèi)部不同， 在材料的禁帶中產(chǎn)生了電子的界面態(tài)

2、。 對于表面來說，由于表面態(tài)的存在而產(chǎn)生一個表面雙電層。因此將 表面分為幾何表面和物理表面。 幾何表面幾何表面表面的幾何分界面表面的幾何分界面 物理表面物理表面一個電子結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部的表面區(qū)域一個電子結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部的表面區(qū)域 由于具體的材料不同，表面區(qū)的厚度有很大的差異由于具體的材料不同，表面區(qū)的厚度有很大的差異 薄膜的常用厚度為幾十到幾百薄膜的常用厚度為幾十到幾百n nm m。 金屬的表面區(qū)只有一金屬的表面區(qū)只有一、二個原子層；二個原子層； 半導(dǎo)體的表面區(qū)，卻有幾個，甚至幾千個原子層；半導(dǎo)體的表面區(qū)，卻有幾個，甚至幾千個原子層； 電介質(zhì)的表面區(qū)更厚。電介質(zhì)的表面區(qū)更厚。 2021-5-25

3、4 4 薄膜物理表面與界面 一、表面雙電層和表面勢一、表面雙電層和表面勢 (1)金屬表面的雙電層和表面勢 按表面層中的原子排布情況，固體的表面分為理想表面和實際表 面。所謂理想表面是在沒有雜質(zhì)的無限大單晶中，插進一個平面后將 其分為兩部分所形成的。在這個過程中，除了對晶體附加了一組邊界 條件外，沒有發(fā)生任何其他變化。由于在垂直表面方向上，晶體的三 維平移對稱性受到破壞，電子波函數(shù)在表面附近將發(fā)生變化，結(jié)果造 成電子電荷密度的重新分布。 因為金屬中的自由(傳導(dǎo))電子密 度很高，晶體的離子實對任一電子的 影響，高度的被其他電子所屏蔽，所 以作用于任一電子的力，主要來自它 的最近鄰離子實。這樣，在作

4、近似處 理時，可以認(rèn)為表面處的電勢分布近 于一個單原子層的情況，如右圖所示。晶體表面處的電勢能 2021-5-25 5 5 薄膜物理表面與界面 為了得出電子的波函數(shù)在表面附近的變化，可以求解薛定愕方程。 這樣得到的波函數(shù)表明，隨著離表面的距離增大，電子的分布幾率成隨著離表面的距離增大，電子的分布幾率成 指數(shù)性下降。指數(shù)性下降。 表面區(qū)的電荷分布與電位的關(guān)系服從泊松方程表面區(qū)的電荷分布與電位的關(guān)系服從泊松方程。包括所有離子實和 電子的精確計算不但很繁，而且依從于晶體的具體結(jié)構(gòu)。由于表面原 子排列的嚴(yán)格周期性，金屬表面的電荷分布實際上如圖所示。金屬表面的電荷分布實際上如圖所示。 金屬表面的電荷分布

5、（圖中的數(shù)字表示電荷密度） （a）原子緊密堆積的表面（b）原子松散堆積的表面（c）銅的（100）面 2021-5-25 6 6 薄膜物理表面與界面 晶體中原子排列的三維周期性在表面處突然中斷，表面層中的原子可 能發(fā)生重新排列；導(dǎo)致在垂直表面方向上產(chǎn)生表面弛豫弛豫，在平行表面方向 上發(fā)生重構(gòu)重構(gòu)。除此以外，在表面上還可能存在臺階和凸凹臺階和凸凹。 弛豫弛豫表面向下收縮，表面層原子與內(nèi)層原子間距離比內(nèi)層原子相互之間 有所減小。 重構(gòu)重構(gòu)在平行表面方向上原子重排。 幾種表面結(jié)構(gòu)示意圖（a）弛豫（b）重構(gòu)（c）臺階（d）凹凸 表面發(fā)生弛豫、重構(gòu)等情況以后，表面層中的原子排列與理想表面相比 有很大的差別

6、，因而其電子結(jié)構(gòu)將發(fā)生顯著的變化。但是，在金屬的實 際表面，仍會形成雙電層雙電層。因此它的電學(xué)性質(zhì)與理想表面的電學(xué)性質(zhì)， 仍然基本相同。 2021-5-25 7 7 薄膜物理表面與界面 與內(nèi)部原子相比，固體的表面原子有較高的位能，因而表面活性較大， 易于吸附外來原子，形成污染表面。經(jīng)常遇到的固體表面，就是這種不清 潔的表面。 外來原子可以是從氣相中吸附氣相中吸附來的，也可以是從固體內(nèi)部偏析固體內(nèi)部偏析( (分凝分凝) )出 來的。外來原子在固體表面上可以形成各種表面結(jié)構(gòu)，如排列有序的單原單原 子層、多原子層、或者形成化合物、固溶體子層、多原子層、或者形成化合物、固溶體。 幾種污染表面結(jié)構(gòu)示意圖

7、（a）吸附（b）偏析（c）化合物 在固體表面吸附上或偏析出外來原子以后，將顯著地改變表面處的電荷 分布和電勢分布。如在鎢表面上吸附氧以后，表面電勢升高；面吸附上 艷以后，表面電勢卻降低。顯然，電子的逸出功取決于表面電勢電子的逸出功取決于表面電勢。 2021-5-25 8 8 薄膜物理表面與界面 (2)半導(dǎo)體表面的雙電層和表面勢 在半導(dǎo)體的物理表面中，包括有表面層表面層和空間電荷層空間電荷層。雖然可用薛 定愕方程求解波函數(shù)，以說明半導(dǎo)體表面的電荷分布，但是最直觀簡潔 的方法還是用化學(xué)鍵化學(xué)鍵。 以硅晶體為例以硅晶體為例，因晶格在表面處突然終止，在表面最外層的每個硅 原子有一個未成鍵的電子，或者說

8、有一個未配對的電子，即有一個未被 飽和的鍵，如下圖所示。這個鍵稱為懸掛鍵懸掛鍵。在該鍵中有一個未被填充 的能態(tài)，這種能態(tài)就稱為表面態(tài)。它將處在禁帶中，起電子的陷阱作用。 體內(nèi)電子可能被表面態(tài)捕獲而產(chǎn) 生空穴空穴。這些空穴可在表面層以下自 由運動。從體內(nèi)接受一個電子以后， 每個表面原子得到一個穩(wěn)定的八電子 殼層，帶有負電荷。它與體內(nèi)空穴形 成一個雙電層雙電層。與此相應(yīng)的，有一個 表面勢表面勢分布，在穩(wěn)態(tài)下，陷阱的填充 速度和倒空速度相等。 缺圖 2021-5-25 9 9 薄膜物理表面與界面 半導(dǎo)體表面也有理想表面、實際表面理想表面、實際表面和污染表面污染表面。實際 應(yīng)用的半導(dǎo)體薄膜常有污染表面

9、，這種薄膜是n型或者p型 半導(dǎo)體，其厚度為幾十到幾千nm。 在實際表面上在實際表面上，除了懸掛鍵中的陷阱以外，還有表面 的結(jié)構(gòu)型缺陷(如弛豫，重構(gòu)等)所產(chǎn)生受主受主或施主施主。因為 這種缺陷擾動了半導(dǎo)體的正常共價鍵，所以表面上的雜質(zhì) 缺陷也擾動共價鍵，因而也產(chǎn)生受主或者施主。表面吸附 氣體以后，一些氣體的作用如施主，面另一些卻如受主。 由上述種種原因所造成的表面態(tài)表面態(tài)，使表面層帶有過剩 電荷，因面在表面層下產(chǎn)生聚集層聚集層或者耗盡層耗盡層、甚至反型 的空間電荷層空間電荷層。 2021-5-25 1010 薄膜物理表面與界面 以以n n型半導(dǎo)體薄膜為例來說明型半導(dǎo)體薄膜為例來說明 若陷在表面層

10、的過剩電荷為正電荷若陷在表面層的過剩電荷為正電荷，則對電子來說，在空間電荷層的靜電勢能將 被降低，因而電子被聚集在空間電荷層，使表面區(qū)(物理表面)更加導(dǎo)電。對于空穴 來說，則正好相反。表面層中的過剩電荷是被束縛住的，因而位置是固定的，電 導(dǎo)的增加是由于在空間電荷層所聚集的電荷。 若表面層的過剩電荷為負若表面層的過剩電荷為負，空間電荷層中的靜電勢能對電子來說將是升高、對空 穴來說則是降低，因而電子將從空間電荷層流走，形成電子的耗盡層，表面區(qū)將 比內(nèi)部更不易導(dǎo)電。若表面層的過剩負電荷很多，對空穴的勢能將很低，以致n型 半導(dǎo)體的空間電荷層轉(zhuǎn)為p型層，即成為反型層。 對于對于p p型半導(dǎo)體薄膜，情況剛

11、好與型半導(dǎo)體薄膜，情況剛好與n n型半導(dǎo)體相反型半導(dǎo)體相反。為了清楚地說明這種情況，引 入下圖。 缺圖 在半導(dǎo)體表面區(qū)，空間電荷層的厚度通常為 102103 nm；而金屬僅為零點幾nm。這個差 別的原因是由于在這兩種材料中，自由載流 子的密度不同。因此，為聚集足夠的電荷， 以平衡表面層中的被陷過剩電荷，在半導(dǎo)體 中需要較厚 (約大103倍) 的空間電荷層。因 為在所有情況下，總的表面電荷 (表面層和 空間電荷層中的總電荷) 必須為零。 2021-5-25 1111 薄膜物理表面與界面 (3)介質(zhì)表面的雙電層和表面勢 類似于半導(dǎo)體，在介質(zhì)表面也存在表面態(tài)，因為在它的表面 也形成雙電層雙電層。 缺

12、圖 如右圖所示，假設(shè)表面態(tài)在介質(zhì)的禁帶中 均勻分布，其密度為Ns。若填充到導(dǎo)帶底 下能量為o處，則表面是電中性的。因 為表面態(tài)的費米能級必須與體內(nèi)的一致， 所以電子從導(dǎo)帶填充到表面態(tài)上，結(jié)果表 面帶負電、在表面以下形成了一個厚度為 d0的正空間電荷層正空間電荷層。這個雙電層使介質(zhì)的 導(dǎo)帶上彎，直到表面態(tài)的最高填充能級與 體內(nèi)費米級一致為止。但是，對子不摻雜 的本征介質(zhì)，體內(nèi)很少有電子可以用來完 成這個過程，因此，或者d0很大，或者它 們之間達不到平衡狀態(tài)。 2021-5-25 1212 薄膜物理表面與界面 (4)表面態(tài)的分布 在表面層產(chǎn)生的許多能帶統(tǒng)稱為表面態(tài)。在表面層產(chǎn)生的許多能帶統(tǒng)稱為表面

13、態(tài)。 產(chǎn)生表面態(tài)的原因有三個：產(chǎn)生表面態(tài)的原因有三個：(1)晶格在表面的突然終止 (2)表面層的結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì) (3)表面上的吸附 達姆(Tamm)于1932年用克朗尼克-播尼 (Kronig-Penney)方法，求解表面附近的薛 定愕方程，得出電子的波函數(shù)和允許能量。 結(jié)果表明，表面處的電子波函數(shù)是一個隨 距離成指數(shù)衰減的函數(shù)，并且在禁帶中有 一個允許能級，如圖所示。這個能級可以 接受一個電子，稱為達姆能級達姆能級。 肖克萊(Schookley)用周期性勢場來處 理表面的電子態(tài)。表面能級是成對的。這 些能級被稱為肖克萊能級肖克萊能級【圖 (b)】。他 還指出，在三維晶格情況下，肖克萊能級 只

14、有一半填滿，因此會有附加的表面電導(dǎo)。 半導(dǎo)體表面的兩種表面態(tài) 2021-5-25 1313 薄膜物理表面與界面 由于表面原子層被內(nèi)層所吸引，它們到內(nèi)層的間距比內(nèi)部各由于表面原子層被內(nèi)層所吸引，它們到內(nèi)層的間距比內(nèi)部各 原子層間的距離要小，即有弛豫現(xiàn)象。原子層間的距離要小，即有弛豫現(xiàn)象。這相當(dāng)于在薛定愕方程中 添加一個微擾項，使電子的表面能級轉(zhuǎn)化為能達到幾個電子伏的 表面能帶。有人分析了清潔硅表面的能態(tài)，證明確實存在著表面 能帶。 表面吸附氣體或其他雜質(zhì)，也會形成附加能級附加能級。如果吸附的 氣體特別易于吸附電子，則附加的能級稱為電子陷阱表面態(tài)能級。 反之，如果特別容易吸引空穴，則稱為空穴陷阱表

15、面態(tài)能級。 按能級來分，表面態(tài)有淺態(tài)和深態(tài)之別按能級來分，表面態(tài)有淺態(tài)和深態(tài)之別 若表面態(tài)是電子陷阱，淺態(tài)能級靠近導(dǎo)帶; 若是空穴陷阱，則淺態(tài)靠近價帶，因此填充或倒空淺態(tài)所需 的能量變化較小，弛豫時間很短(可達微秒級)。與此相反，填充或 倒空深態(tài)的能量變化大，因而其弛豫時間很長(幾小時或者甚至幾 天)。 2021-5-25 1414 薄膜物理表面與界面 表面態(tài)的能級密度大概與表面的原子密度數(shù)量級相同。表面態(tài)的能級密度大概與表面的原子密度數(shù)量級相同。 例如：例如：Ge(100)面的表面能級密度約為6.31014 cm-2，(110)面 為8.92 1014 cm-2，(111)面為7.31014

16、 cm-2。 表面態(tài)中有時又分慢態(tài)慢態(tài)(slow states)(slow states)和快態(tài)快態(tài)(fast states)(fast states)?？?態(tài)的弛豫時何很短(約為10-710-5 s)，即該態(tài)與體內(nèi)交流電子 很快。 淺態(tài)為快態(tài)，深態(tài)為慢態(tài)淺態(tài)為快態(tài)，深態(tài)為慢態(tài)。 在金屬-介質(zhì)-半導(dǎo)體 (MIS) 系統(tǒng)中，由于介質(zhì)與半導(dǎo)體界 面處可以很快與半導(dǎo)體內(nèi)交換電子，故此處的界面態(tài)稱為快 態(tài)。而在金屬與介質(zhì)交界處，半導(dǎo)體內(nèi)的電子要經(jīng)過介質(zhì)才 能到達，故在這種界面處交換電子很慢，稱為慢態(tài)。 2021-5-25 1515 薄膜物理表面與界面 一、電接觸一、電接觸 在薄膜的研究和應(yīng)用中，經(jīng)常采

17、用多層結(jié)構(gòu)，即在同 一基片上，淀積上兩層以上的不同薄膜。因此，在這種結(jié) 構(gòu)中，就有接觸和界面間題接觸和界面間題。應(yīng)該說，在電子元器件和集 成電路中，這類問題是普遍存在的；因為不可能在元器件 和電路中只有一種材料。嚴(yán)格說來，就是一種材料，在其 中也常存在著界面，例如各種多晶材料和微晶薄膜。 按相互接觸的材料來分，在接觸中有金屬與金屬金屬與金屬、半半 導(dǎo)體與半導(dǎo)體導(dǎo)體與半導(dǎo)體、金屬與半導(dǎo)體金屬與半導(dǎo)體、金屬與介質(zhì)金屬與介質(zhì)等多種接觸， 現(xiàn)在分別介紹如下。 2021-5-25 1616 薄膜物理表面與界面 (1)逸出功和接觸電勢差 固體的表面電勢是漸變。在討論接觸間題時，作為一種近似，可認(rèn)為 表面電

18、勢是突變的，如下圖所示。 E0表示真空中靜止電子的能級。Ec是導(dǎo)帶底，即是晶體中自由電子所具有 的最低能級，它相當(dāng)于晶體中靜止的自由電子的能量。真空能級與導(dǎo)帶底 能級之差W是將晶體中靜止電子移至晶體外真空中所需要的能量。對導(dǎo)體， 半導(dǎo)體和介質(zhì)都是如此。 缺圖 2021-5-25 1717 薄膜物理表面與界面 逸出功是將電子從費米能級EF移至真空中所需要的最小能量。假若選Ec 為參考能級，則對各種材料都是： 費米能級費米能級是系統(tǒng)的化學(xué)勢能，即是系統(tǒng)中增加一個電子所引起系統(tǒng)自由能的 變化。對于金屬來說，在絕對零度時，電子填滿了費米能級以下的所有能級， 而高于EF的能級則全部是空著的。逸出功越大表

19、示電子在金屬中束縛越強， 電子越不易離開金屬。半導(dǎo)體的費米能級隨雜質(zhì)濃度變化，因而逸出功也與 雜質(zhì)濃度有關(guān)。 在絕對零度下，電子離開晶體所需要的能量：在絕對零度下，電子離開晶體所需要的能量：對于金屬為 ， 對于n型 半導(dǎo)體W+EdW+Ed，對于介質(zhì)為W+EgW+Eg。對于半導(dǎo)體和介質(zhì)，這個能量永遠大于 逸出功。對于半導(dǎo)休和介質(zhì)，能量W稱為電子親合能，常用符號表示。 有時稱這個參數(shù)為外逸出功。導(dǎo)帶底Ec與費米能級之差為內(nèi)逸出功。 接觸電勢差接觸電勢差是逸出功不同的兩個物體接觸以后，由于電子從逸出功小的 物體流向逸出功較大的物體，最后達到平衡狀態(tài)，兩物體的費米能級相同。 結(jié)果前者帶正電，電勢降低；

20、后者帶負電，電勢升高；在兩者之間產(chǎn)生了電 勢差。 V1和V2，分別為物體1和2的逸出電勢。 2021-5-25 1818 薄膜物理表面與界面 (2)金屬與金屬的接觸 金屬與金屬的接觸有兩種情況金屬與金屬的接觸有兩種情況：1 1）一種是兩個清潔的表面緊密結(jié)合， 即兩個面間的距離達到原子間距，屬于理想接觸。2 2）另一種是兩個接觸 表面一般結(jié)合，是在實際中常遇到的接觸。對于多層結(jié)構(gòu)的薄膜來說，非 常接近于理想接觸。 銀和銅的理想接觸 （a）接觸前能級圖（b）接觸后能級圖 假設(shè)有兩個逸出功不同的金屬銀和銅。兩 個金屬達到理想接觸時： 從能量觀點來看從能量觀點來看，電子將從逸出功較小的 金屬向另一金屬

21、流動，直到最高能量的電 子在這兩種金屬中占有相同的能級。 從統(tǒng)計的觀點來看從統(tǒng)計的觀點來看，兩金屬的費米能級達 到相同以后，電子從一個金屬到另一金屬 的傳輸幾率在相反的兩個方向上已彼此相 等，即是已達到平衡狀態(tài)。結(jié)果逸出功較 小的金屬帶正電荷，另一金屬帶負電荷， 在接觸界面形成雙電層雙電層。隨著電子的轉(zhuǎn)移， 雙電層的電荷量不斷增多；到平衡狀態(tài)時， 電荷量達到穩(wěn)定值。這時，雙電層產(chǎn)生的 靜電場由逸出功小的金屬指向另一金屬， 從而阻止電子繼續(xù)轉(zhuǎn)移，達到動態(tài)平衡。 2021-5-25 1919 薄膜物理表面與界面 兩個金屬接觸時，除了因逸出功不同而產(chǎn)生的接觸電勢差接觸電勢差外，還有 因它們的自由電子

22、濃度不同而產(chǎn)生的電勢差自由電子濃度不同而產(chǎn)生的電勢差。假若金屬1的電子濃度n1大 于金屬2的n2，則從金屬l到2的擴散電子流大于相反方向的電子流，其結(jié) 果又在兩者的接觸界面兩側(cè)產(chǎn)生正負電荷，從而出現(xiàn)又一靜電電勢差靜電電勢差 V12。這個正負電荷所形成的電場將阻止電子繼續(xù)流動。直到最后達到 動態(tài)平衡。根據(jù)自由電子論，電勢差V12為： T為周圍環(huán)境溫度，q為電子電荷。 顯然，兩個金屬的接觸電勢差應(yīng)等于上述兩種電勢差的代數(shù)和兩個金屬的接觸電勢差應(yīng)等于上述兩種電勢差的代數(shù)和， 即是： 2021-5-25 2020 薄膜物理表面與界面 在非理想接觸中，按接觸的緊密程度，可將其接觸界面分為三在非理想接觸中

23、，按接觸的緊密程度，可將其接觸界面分為三 部分部分：一部分是緊密接觸，兩者相距為原子間距。另一部分是很小 的突點接觸。第三部分是間隙接觸。 在緊密接觸部分，雖然可能出現(xiàn)雙電層，但按接觸處的伏-安特 性來說，仍是歐姆接觸；而且其接觸電阻基本上是金屬的原有電阻。 若金屬表面存在有許多微小的凸凹不平處，在它們接觸時，會 形成只是凸點相遇，因而接觸處導(dǎo)電面積驟然減小，會形成很大的 接觸電阻。 式中為金屬的電阻率，a為凸點的半徑。若是兩金屬的接觸面上共 有n個接觸點，則其總電阻為： 2021-5-25 2121 薄膜物理表面與界面 n點的接觸面積總共為： 因而得出： 最后得出： F是接觸壓力，是壓縮極限

24、強度。從該式看出，接觸電阻的大 小取決于金屬材料的性質(zhì)：和。同時還取決于兩金屬間的接 觸壓力F和接觸表面的狀態(tài)，即接點數(shù)n。 2021-5-25 2222 薄膜物理表面與界面 當(dāng)兩個金屬相接觸時，若其表面有氧化層和吸附氣體，則可能形成間間 隙接觸隙接觸。這種接觸的導(dǎo)電是靠間隙導(dǎo)電間隙導(dǎo)電。設(shè)間隙的寬度為d，金屬1中的電 子要離開該金屬的表面?zhèn)鲗?dǎo)進金屬2中，它要受到逸出功和電子鏡象力的作 用。假若有一個電子從金屬飛到間隙中，它離金屬1和2分別為x和d-x；當(dāng) xx和x時，得出c=1。這里1為金屬1的逸出功，q為電子電荷，。 為真空的介電常數(shù)。 顯然，在f=0處，亦即x=d/2處，1(x)有最大值

25、，其值為： 2021-5-25 2323 薄膜物理表面與界面 如果考慮上多級鏡象力，電子由金屬1逸出所需要的功為： 式中是考慮上多級鏡象力后的系數(shù)，其值近似等于0.9。 在外加電場F作用下，若其方向是由金屬2指向金屬1時，則電子所受 電場力為-qF，位能為-qFx。這時，電子由金屬1 2所需的功為： 由金屬2l所需要的功為： 根據(jù)肖特基發(fā)射理論，由金屬12的熱電子流： 同樣地，由金屬21的熱電子流為： 2021-5-25 2424 薄膜物理表面與界面 若兩個金屬的逸出功相等時，1=2=。則總電流密度總電流密度為： 在弱電場下，qFdkT，因而可以得出： 間隙的電阻率隨間隙距離間隙的電阻率隨間隙

26、距離d d增大而變大，隨環(huán)境溫度升高而減小，金屬的逸出功增大而變大，隨環(huán)境溫度升高而減小，金屬的逸出功 越越 大時，電阻率越大。大時，電阻率越大。間隙距離d約為從幾個原子大的距離到上百納米。 因為接觸界面三部分的電阻是互相并聯(lián)的，并且又R1R2R3，所以接觸處的電 流集中在理想接觸部分，因此，接觸界面的有效接觸面積顯著減小，致使接觸處的 電阻遠大于金屬本身的電阻。這樣，在電子元器件和集成電路的制造中，應(yīng)該盡量 消除凸點接觸和間隙接觸。 是熱電子發(fā)射電流密度，其中A是理查森常數(shù)。 由此可得出間隙的電導(dǎo)率電導(dǎo)率和電阻率電阻率分別為： 2021-5-25 2525 薄膜物理表面與界面 (3)半導(dǎo)體與

27、半導(dǎo)體接觸 在半導(dǎo)體與半導(dǎo)體接觸中，有兩種情況：1 1）一種是它們屬同一種半導(dǎo) 體單晶材料，稱為同質(zhì)接觸同質(zhì)接觸，如都是Si單晶。2）另一種是兩種不同的半導(dǎo) 體單晶相接觸，稱為異質(zhì)接觸異質(zhì)接觸，如Si與GaAa單晶。 在同質(zhì)接觸中在同質(zhì)接觸中，應(yīng)用最多的是p型和n型兩種半導(dǎo)體的接觸。從電導(dǎo)方 面來說，這種接觸形成的是p-n結(jié)。 在異質(zhì)接觸中在異質(zhì)接觸中，按其導(dǎo)電類型又分為反型異質(zhì)結(jié)反型異質(zhì)結(jié)和同型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)。屬于 前一種的如p型Si和n型GaAS所形成的結(jié)，記為p-n Si-GaAS。屬于后一種 的如n型Ge和n型GaAs，所形成的結(jié)，記作n-n Ge-GaAS。 依結(jié)的寬度來說，每種結(jié)

28、都可分為突變型結(jié)和緩變型結(jié)突變型結(jié)和緩變型結(jié)兩種。如果從 一種半導(dǎo)體材料(如p型半導(dǎo)體)向另一種半導(dǎo)體材料(如n型半導(dǎo)體)的過渡只 發(fā)生在幾個原子長度的范圍以內(nèi)，則稱為突變結(jié)突變結(jié)。如果發(fā)生在幾個擴散長 度范圍內(nèi)，則稱為緩變結(jié)緩變結(jié)。若這個過渡在一種半導(dǎo)體中只有幾個原子長度、 而在另一種半導(dǎo)體中卻為幾個擴散長度，則稱為單邊突變結(jié)。 2021-5-25 2626 薄膜物理表面與界面 1、同質(zhì)結(jié)（反型同質(zhì)結(jié)：p-n結(jié)） 假設(shè)兩個相接觸的半導(dǎo)體，左邊是P型、右邊是n型，如圖(a)所示。在P型 半導(dǎo)體中，存在有大量帶正電的空穴空穴“ ”。為了保持電中性，也存在著等 量的帶負電的電離受主電離受主“ ”.

29、而在n型半導(dǎo)體中則有大量帶負電的電子電子“ ” 和等量帶正電的電離施主電離施主“ ”。在接觸前這兩種半導(dǎo)體的能級如圖(b)所示。 （a）p型和n型半導(dǎo)體接觸時的情況（b）接觸前能級圖 2021-5-25 2727 薄膜物理表面與界面 電子從電子從n型半導(dǎo)體經(jīng)界面擴散到型半導(dǎo)體經(jīng)界面擴散到P型半導(dǎo)體。空穴從型半導(dǎo)體?？昭◤膒型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 經(jīng)界面擴散到經(jīng)界面擴散到n型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，在相互擴散的過程中，兩種載流子相互 結(jié)合而消失。在界面的一側(cè)、在n型半導(dǎo)體中形成一個正的空間電 荷層，而在界面的另一側(cè)、在p型半導(dǎo)體中形成一個負的空間電荷 層，該層是一個空穴耗盡層，其電荷密度取決于電離的受主濃度

30、。 由此看出，在界面兩邊形成一個雙電層，在該層中缺少載流子。 隨著雙電層的出現(xiàn)，空間電荷層中的正負電荷要形成電場， 其方向是由方向是由n型區(qū)指向型區(qū)指向P型區(qū)型區(qū)。這個電場稱為自建電場自建電場，它使電子 和空穴發(fā)生漂移運動的方向與擴散運動正好相反。 隨著擴散運動的進行，雙電層中的電荷密度越來越高，因而 自建電場越來越強，載流子的漂移運動越來越大，最后達到與載 流子的擴散運動相平衡，經(jīng)過界面的載流子凈傳輸量為零。 2021-5-25 2828 薄膜物理表面與界面 在平衡狀態(tài)下，界面兩邊的半導(dǎo)體的費米能級相同界面兩邊的半導(dǎo)體的費米能級相同。這時，空間電 荷層具有一定的厚度。該厚度隨接觸的類型和材料

31、而異，通常是微米數(shù) 量級。 雙電層使界面兩邊有電位差。其中電荷分布與電位變化的關(guān)系服從 泊松方程?？捎貌此煞匠?，求出自建電場和電位的分布，并用電位分布 可以求出對于空穴和電子的勢壘。當(dāng)p-n結(jié)是突變結(jié)時，其電荷分布及所 求出的電位勢壘分布如圖所示。除此以外，還可用泊松方程求出p-n結(jié)寬 度和結(jié)電容。 突變的p-n結(jié) （a）空間電荷層（b）電荷密度分布（c）點位分布（d）能級圖 薄膜物理表面與界面 在反向連接情況下，耗盡層（空間電荷層）加寬，幾乎沒有多數(shù)載流 子電流。但是，這時對于P型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴來說卻是正向連接， 形成少數(shù)載流子的電流（A數(shù)量級）飽和電流飽和電流 在正向連接情況下，耗

32、盡層變窄，多數(shù)載流子形成大電流（mA數(shù)量級）。 這時，外加電流與自建電場方向相反，所以多數(shù)載流子的飄移電流減小，而 擴散電流不變，因而流經(jīng)p-n結(jié)的凈電流是擴散電流擴散電流。 下面建立流過p-n結(jié)的電流密度（正向連接）公式： P接負，n接正電流很?。ǚQ為反向連接） P接正，n接負電流很大（稱為正向連接） P-NP-N結(jié)具有整流特性：結(jié)具有整流特性： p-n結(jié)中電子和空穴移動模型 （a）反向連接（b）正向連接 2021-5-25薄膜物理表面與界面 3030 說明p-n結(jié)整流特性的能級圖 （a）平衡狀態(tài)下（b）加正向電壓下 電子處于能量為E的狀態(tài)幾率為： 在p-n結(jié)的n型材料一邊，導(dǎo)帶中的電子數(shù)：

33、 其中具有能量EEon+0的電子數(shù)為： 薄膜物理表面與界面 在平衡狀態(tài)下，可移動的載流子處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。P型和n型半 導(dǎo)體的費米能級處于同一能級。p型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子數(shù)np應(yīng)當(dāng) 等于nn，因此 若在p型半導(dǎo)體上加以正電壓Y，則其費米能級下降qY。在這種情 況下，雖然nn和np不變，但是，在n型半導(dǎo)體一邊具有能量為 的電子數(shù)nn不再是平衡狀態(tài)下的nn，而是 因此在界面兩邊產(chǎn)生電子密度差(nn-np)，從而產(chǎn)生從p型區(qū)到n型區(qū) 的擴散電流，其密度為： 2021-5-25薄膜物理表面與界面 3232 與電子引起的電流類似，由空穴移動所引起的電流密度為： 總的電流密度等于以上兩式之和： 0是電子要

34、從n區(qū)到P區(qū)(或者空穴要從P區(qū)到n區(qū))需要越過的一個勢壘 高度。這個勢壘就是p-n結(jié)空間電荷區(qū)所形成的電勢差Vd與電子電荷 的乘積。電勢差Vd稱為p-n結(jié)的接觸電勢差，其值為： ND和NA分別為n區(qū)和P區(qū)的凈雜質(zhì)濃度，ni為半導(dǎo)體的本征載流子濃度， q為電子電荷。接觸電勢差接觸電勢差V Vd d的大小由下述三個方面決定：的大小由下述三個方面決定： n區(qū)和p區(qū)的凈雜質(zhì)濃度愈大，它們的電阻率愈低，接觸電勢差愈大。 ni愈小，則Vd愈大。ni的大小與半導(dǎo)體材料有關(guān)。例如鍺，其 ni=2.51013 cm-3，Vd=0.32 V；硅的ni=1.51010 cm-3，Vd=0.71 V 因為溫度愈高，n

35、i愈大，所以溫度的影響是T愈高，Vd愈小。 薄膜物理表面與界面 薄膜薄膜p-np-n結(jié)二極管結(jié)二極管窄二極管，p,n區(qū)很薄，其厚度遠小于少數(shù) 載流子的擴散度，這表示在p-n結(jié)兩邊，在結(jié)與歐姆接觸（電極的） 之間不發(fā)生電子與空穴的復(fù)合。 0(exp 1) qV JJ kT 0 J J V 目前不用薄膜工藝來制造p-n結(jié)器件。因為要制造優(yōu)良的p-n結(jié)， 需要在界面有平滑的冶金學(xué)過渡和精確地控制材料中的雜質(zhì)含 量。這些要求用當(dāng)前的真空淀積制膜技術(shù)是很難達到的。所以 現(xiàn)在常用的薄膜器件是肖特基發(fā)射二極管和場效應(yīng)器件。 2021-5-25 3434 薄膜物理表面與界面 2、異質(zhì)結(jié)（n-n型同型異質(zhì)結(jié)）

36、假設(shè)兩種n型半導(dǎo)體的逸出功分別為1和2，親合能分別為x1和x2，且 12 和x1s時，形成整流接觸；當(dāng)ms時， 則形成歐姆接觸甲 金屬與金屬與p p型半導(dǎo)體接觸型半導(dǎo)體接觸，當(dāng)ms時， 則形成歐姆接觸。 在接觸處形成結(jié)電容結(jié)電容(阻擋層電容)是整流接觸的特有情況。因 為在這種接觸的界面區(qū)，在半導(dǎo)體一邊形成空間電荷層，該層 形成結(jié)電容。 2021-5-25 3737 薄膜物理表面與界面 1、金屬與n型半導(dǎo)體接觸 當(dāng) m m s s時，時，在接觸以前，n型半導(dǎo)體的費米能級至少比金屬的高出m-s。因 此在兩種材料接觸以后，半導(dǎo)體界面層中的電子流向金屬，在該層中留下帶 正電的電離施主；而金屬帶負電。隨

37、著這個過程的進行，金屬中的費米能級 逐漸升高，半導(dǎo)體界面層內(nèi)的費米能級逐漸降低；直到兩者的費米能級相同、 達到平衡狀態(tài)為止。這樣，半導(dǎo)體界面層中費米能級與導(dǎo)帶底的分離增大， 導(dǎo)帶上彎，如圖所示。 （a）接觸前）接觸前 F m E C E F s E V E s m s n型型金屬金屬 ms msd qV () () msss （b）接觸前）接觸前 空間電荷層空間電荷層 2021-5-25薄膜物理表面與界面 3838 達到平衡以后，在界面形成一個穩(wěn)定的雙電層及其相伴的電位分布。 因為金屬不能支撐電場，即在金屬中沒有電位差，所以全部電位變化都是 發(fā)生在半導(dǎo)體的界面層中。用電子電荷量乘以半導(dǎo)體界而層

38、中的電位，即 得到該層中的能量變化。在半導(dǎo)體一邊的位壘是m-s，在金屬一邊是(m- s)+(s-s)=(m-s)。 為了說明在ms條件下，金屬與n型半導(dǎo)體接觸的整流特性，引入下 圖。在該圖中以黑點示意電子密度隨能量的變化。玻耳茲曼分布律。在溫 度一定下，假設(shè)在金屬一邊由熱激發(fā)、能量超過位壘的電子密度為nm，在 半導(dǎo)體一邊為ns，因為在平衡狀態(tài)下，nm=ns，所以從兩個方而流經(jīng)位壘的 電子流方向相反而大小相等，因而凈電流為零。 ms nn d qV n 型型 F E 0 m V 0 s V (a)(a) n 型型 0 m V s VV m n ms n n s n (b)(b) n 型型 0 m

39、 V s VV m n ms n n s n s m J 阻向阻向 qV () d q VV (c)(c) ms J 通向通向 2021-5-25薄膜物理表面與界面 3939 選取金屬的電位為參考電位，當(dāng)在半導(dǎo)體上加一負電壓-V時，半導(dǎo)體 中電子的能位上升，或者說半導(dǎo)體一邊的位壘下降；這時半導(dǎo)體中能量超 過位壘的電子密度為ns，因而界面兩邊的電子出現(xiàn)密度差(ns-nm)，引 起從金屬到半導(dǎo)體的凈電流密度為： 隨著電壓值的上升，密度ns不斷增大，因而電流密度繼續(xù)增大，成為通 向。 當(dāng)在半導(dǎo)體上加正電壓時，在半導(dǎo)體一邊的位壘上升，超過位壘的電 子密度嘴很小。由于金屬的電位為參考電位，所以它的電子密

40、度nm不變， 在這種情況下，從半導(dǎo)體到金屬方向的凈電流密度為： 隨著電壓的增大，ns可以減小到零。因而在這種情況下，這個電流 密度不會超過Knm，該電流的方向成為阻向。對這個電流常稱為飽和電流 或漏電流。 從上述看出，當(dāng)當(dāng) m ms s時，金屬與時，金屬與n n型半導(dǎo)體的接觸是整流接觸。型半導(dǎo)體的接觸是整流接觸。 2021-5-25薄膜物理表面與界面 4040 當(dāng) m ms s時時，金屬與n型半 導(dǎo)體的接觸是歐姆接觸。它們 接觸前后的能級變化如圖所示。 在接觸以后，自由電子從金屬在接觸以后，自由電子從金屬 移向半導(dǎo)體移向半導(dǎo)體，直到兩者的費米 能級相同為止。因為移入的電 子在能量上尚達不到半導(dǎo)

41、體的 導(dǎo)帶，所以不能形成負的空間 電荷，而只構(gòu)成半導(dǎo)體的表面 電荷。結(jié)果在界面處形成很薄 的雙電層，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶下彎， 其界面區(qū)具有類金屬的性質(zhì)。 在界面處沒有位壘，而是形成 了一個位谷。因而電子可以經(jīng) 過界面自由移動，成為歐姆接 觸。在外加電壓時，電壓全部 降落在半導(dǎo)體內(nèi)部，在相反兩 個方向上都是增大電流。 當(dāng)ms時，金屬與n型半導(dǎo)體接觸前后能級圖 （a）接觸前（b）接觸后（c）有外加電壓下 2021-5-25 4141 薄膜物理表面與界面 2、金屬與p型半導(dǎo)體接觸 依從于功函的相對大小，金屬與p型半導(dǎo)體接觸也有整流接觸整流接觸和歐姆接觸歐姆接觸兩種。 m m s s時時，金屬與p型半導(dǎo)體接

42、觸前后的能級圖如圖所示。接觸以后，電子仍從 逸出功小的材料移向逸出功大的材料，即是從金屬移向半導(dǎo)體，直到兩者的費 米能級相同為止。結(jié)果金屬表面帶正電，半導(dǎo)體的界面層中帶負電，形成雙電 層。雙電層形成以后，半導(dǎo)體界面層的費米能級和價帶頂?shù)木嚯x增大，價帶向 下彎曲；對電子形成能谷，對空穴則成為位壘。對半導(dǎo)體中的空穴，位壘高度 為s-m，對金屬中的熱生空穴，位壘高度為(s-m)十(Es-s)=(Es-m)。在平衡狀 態(tài)下，在兩個相反方向上橫過界面的空穴數(shù)相等，因而沒有凈電流。 當(dāng)ms時，金屬與p型半導(dǎo)體接觸前后能級圖 （a）接觸前（b）接觸后 2021-5-25 4242 薄膜物理表面與界面 在p型

43、半導(dǎo)體上加正電壓以后，對于空穴來說，半導(dǎo)體邊 的位壘降低，而金屬邊的位壘不變，導(dǎo)致有較多的空穴從半 導(dǎo)體流向金屬。設(shè)在平衡狀態(tài)下，金屬和半導(dǎo)體中能量超過 位壘的空穴密度分別為pm和ps，加正電壓以后，半導(dǎo)體的空 穴密度增至ps，因而這時的電流密度為： 當(dāng)外加電壓極性相反以后，半導(dǎo)體邊的位壘升高，可以 越過位壘的空穴密度減小為ps。電流密度變?yōu)椋?由于其值最大為Kpm，而Pm的數(shù)值一般很小，所以這時是阻阻 向向(反向反向)。 2021-5-25 4343 薄膜物理表面與界面 為了能清楚地說明金屬為了能清楚地說明金屬-p-p型半導(dǎo)體系的整流特性，引入下圖型半導(dǎo)體系的整流特性，引入下圖 當(dāng)m s s

44、時，時，金屬與p型半導(dǎo)體接觸前后的能級圖如圖所示。兩者相接觸以后， 電子從半導(dǎo)體流向金屬，在半導(dǎo)體表面形成空穴，在金屬表面積累電子，從 而形成雙電層。對于電子來說，界面處有相當(dāng)大的位壘。但是對于空穴來說， 情況正好相反，因而空穴很易從半導(dǎo)體流向金屬，并瞬時得到中和。因為熱 激發(fā)，在金屬導(dǎo)帶中形成的空穴也很易流入半導(dǎo)體。所以這種接觸沒有整流 效應(yīng)，是歐姆接觸。 當(dāng)ms時，金屬與p型半導(dǎo)體接觸前后能級圖 （a）接觸前（b）接觸后 對于金屬與半導(dǎo)體薄膜的接觸對于金屬與半導(dǎo)體薄膜的接觸：須進行研究 n型半導(dǎo)體Cds薄膜碲，鉑，金接觸 整流接觸 鋁，鉻，銦接觸歐姆接觸 2021-5-25 4545 薄膜

45、物理表面與界面 3、表面態(tài)對接觸特性的影響 接觸界面的電荷分布和勢壘是由金屬、表面態(tài)金屬、表面態(tài)和半導(dǎo)體半導(dǎo)體這三個電子 系統(tǒng)的相互平衡決定，這三個系統(tǒng)沒有相互接觸時，如圖所示： 金屬、表面態(tài)、半導(dǎo)體沒有接觸，各自處于電中性情況 將半導(dǎo)體的表面態(tài)畫在表面處禁帶之中，EF是表面態(tài)處于電中性時的 費米能級，可將它看成是填滿的和空的表面能級的分界線，也可以說， 它是電子填充表面態(tài)到電中性時所達到的能級。用s和o分別表示從 表面態(tài)的EF到真空能級和導(dǎo)帶底的能量。在硅、鍺、砷化稼等重要的 半導(dǎo)體材料中，都發(fā)現(xiàn)o約為禁帶寬度的2/3，也就是說，表面態(tài)電中 性的費米能級EF在導(dǎo)帶下2/3的禁帶寬度處。 20

46、21-5-25 4646 薄膜物理表面與界面 由于金屬、表面態(tài)、半導(dǎo)體三個電子系統(tǒng)的費米能級不同，所以它們之 間是不平衡的。因此在相互接觸時，將發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，造成界面處的空 間電荷區(qū)和勢壘，最后使三個系統(tǒng)的費米能級達到相同。先討論金屬與先討論金屬與 表面態(tài)間的平衡表面態(tài)間的平衡 由于由于s sm m，半導(dǎo)體表面態(tài)的費米能級比金屬的低。因此，當(dāng)它們接 觸時，電于從金屬流入半導(dǎo)體表面態(tài)，使金屬表面帶正電，表面態(tài)帶負 電，結(jié)果在間隙中產(chǎn)生從金屬指向半導(dǎo)體的電場，及其相應(yīng)的電位差 V(金屬一邊為正)。這個過程的作用是使金屬的EF與表面態(tài)的EF相互 接近，以至最后相同，這是因為電位差V將使金屬的能帶連同

47、其費米能 級相對半導(dǎo)體下降qV。除此以外，電子流進表面態(tài)，還使表面態(tài)的費 米能級升高EF。 原來金屬的費米能級比表面態(tài)的高(s-m)，現(xiàn)在金屬的費米能級下降 qV，表面態(tài)的費米能級上升EF。顯然當(dāng)這兩者相加能補償以上差 別，即在 的情況下，金屬和半導(dǎo)體表面態(tài)之間就達到了平衡，從金屬費米能級到 半導(dǎo)體導(dǎo)帶的能量，即位壘 2021-5-25 4747 薄膜物理表面與界面 金屬和半導(dǎo)體表面態(tài)達到平衡時的能帶圖金屬、表面態(tài)和半導(dǎo)體達到平衡時的能帶圖 在沒有表面態(tài)時在沒有表面態(tài)時，由于界面的間距很小，其中的電位差只占接觸電位差 的極少部分，實際上是完全可以忽略不計的。但是，在有表面態(tài)時，情 況就完全不一

48、樣，在補償s-m。時qV起著主要作用，而EF是次要 的。在間距中的電位差必將達到一伏上下的數(shù)量級。這就是說，金屬表 面電荷和表面態(tài)的電荷在間距中產(chǎn)生的電場，遠大于沒有表面態(tài)時空間 電荷區(qū)的電場。這反過來又說明，金屬和表面態(tài)上單位面積的電荷遠大 于沒有表面態(tài)時單位表面的空間電荷。 2021-5-25 4848 薄膜物理表面與界面 現(xiàn)在再考慮與半導(dǎo)體內(nèi)部取得平衡的問題現(xiàn)在再考慮與半導(dǎo)體內(nèi)部取得平衡的問題。以上左圖的具體情況為例。 由于半導(dǎo)體內(nèi)部的費米能級高于金屬和表面態(tài)的費米能級，電子將從半 導(dǎo)體流向金屬和表面態(tài)，使它們構(gòu)成一負電荷層，同時在半導(dǎo)體一邊形 成有一定厚度的正空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)中

49、的電位差(半導(dǎo)體一邊為 正)使半導(dǎo)體內(nèi)的能帶連同費米能級一起下降，最后使金屬、表面態(tài)、半 導(dǎo)體三個系統(tǒng)的費米能級都相同，如上右圖所示。 在表面態(tài)很多、其能態(tài)密度很大的極端情況下，不管表面態(tài)和金屬交換 多少電子，表面態(tài)的EF都將變化很小，甚至可以認(rèn)為EF0。這是因為 表面態(tài)密度越大時，流入(或流出)同樣多的電子，EF的變化越小。因此： 勢壘高度M與金屬的逸出功無關(guān)，而是取決于表面態(tài)為電中性時費米能 級到導(dǎo)帶的能量o。 在一般情況下，金屬的逸出功對M是有影響的，現(xiàn)在分析其影響的程度。 設(shè)n為單位面積上由金屬到表面態(tài)的電子數(shù)。如果表面態(tài)單位面積的態(tài) 密度用D表示，則 薄膜物理表面與界面 nq 所以，

50、金屬和表面態(tài)單位面積的電荷為 00rr nq E 內(nèi)內(nèi) 在內(nèi)的場強 （來源于電場高斯定理） 0r nq VE d 內(nèi)內(nèi) V間的電位差 為： 所以在 Fsm q VE 0 sm r nqn q D 由平衡條件： 薄膜物理表面與界面 2 0 1 sm r q n q D 2 0 1 sm r q nq D 2 0 11 Fsm r nq Eq DDD 2 00 0 11 MFms r q Eq DD 該式具體說明了勢壘高度如何隨金屬逸出功 m 而變化的。 因為m前面的系數(shù)是一個分?jǐn)?shù)，所以M隨m變化的幅度要比m小。例 如，對n型硅，這個系數(shù)約為1/5。即是說，勢壘高度的變化只有金屬 逸出功變化的1/

51、5。這樣，如果兩個金屬的逸出功相差1 eV，則它們與 同一n型硅做成接觸，所形成的勢壘高度只相差1/5 eV。 2021-5-25 5151 薄膜物理表面與界面 實際的金屬-半導(dǎo)體接觸一般都具有較高的表面態(tài)密度，所以，達 到平衡時，界面處費米能級必然要很接近原來的表面態(tài)費米能級EF 。 因為大多數(shù)的主要半導(dǎo)體，EF在價帶之上約1/3處。如圖所示， EF在這 樣的位置，不論是n型或p型半導(dǎo)體都將形成位壘，圖中Vs表示半導(dǎo)體 表面相對于內(nèi)部的電勢差。從該圖中看到，對于n型半導(dǎo)體，能帶向上 彎，構(gòu)成對電子的位壘。對于p型半導(dǎo)體，能帶向下彎，構(gòu)成對空穴的 位壘。因此，金屬和半導(dǎo)體接觸，一般都會形成位壘

52、，而構(gòu)成整流接金屬和半導(dǎo)體接觸，一般都會形成位壘，而構(gòu)成整流接 觸。觸。 金屬-型半導(dǎo)體接觸時的位壘（a）n型半導(dǎo)體（b）p型半導(dǎo)體 2021-5-25 5252 薄膜物理表面與界面 如果在金屬-半導(dǎo)體接觸時，無法避免產(chǎn)生位壘，則可采取 以下方法形成歐姆接觸。 第一種方法第一種方法是用在半導(dǎo)體中高濃度摻雜，以減薄位壘，加 強隧道效應(yīng)。因為隧道長度就是空間電荷區(qū)的寬度。而后 者與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比(單邊突變結(jié))。 另一種方法另一種方法是在接觸界面附近的半導(dǎo)體中，引入大量的金 屬雜質(zhì)，以破壞位壘的整流作用。 2021-5-25 5353 薄膜物理表面與界面 (5)金屬與介質(zhì)接觸 按介質(zhì)的

53、導(dǎo)電機理，介質(zhì)中可能有兩種電導(dǎo)：離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)和 電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)。依從于電極和介質(zhì)的性質(zhì)，對每種電導(dǎo)來說，都有 注入注入( (歐姆歐姆) )接觸接觸、中性接觸中性接觸和阻擋接觸阻擋接觸三種。 用作電極的材料通常是金屬，但是有時也用電解質(zhì)。 對流經(jīng)介質(zhì)的電流來說，電極與介質(zhì)的接觸情況有非常重 要的作用。例如，只在一個電極能供給相應(yīng)的載流子時，才能 通過介質(zhì)有恒定的電流。 在離子電導(dǎo)的情況下，注入接觸注入接觸是電極能向介質(zhì)注入不屬 于介質(zhì)本身的過剩載流子。例如，電解液與聚合物介質(zhì)的接觸。 利用這種接觸，在外加電場的作用下，從電解液注入離子，以 研究這種離子在聚合物中的電導(dǎo)。 2021-5-25

54、 5454 薄膜物理表面與界面 中性接觸中性接觸是電極能向介質(zhì)不斷地供給介質(zhì)本身所具有的那類載流子，以保 證通過介質(zhì)有恒定的電流。因此，若介質(zhì)是離子晶體，它的一個電極必須 能供給所需要的離子。 舉例：舉例：若晶體是AgBr，由于它的主要載流子是填隙的Ag+，所以它的陽極 必須是銀電極。從中性接觸不進入介質(zhì)本身所沒有的那類載流子，并且不 產(chǎn)生阻礙電流的載流子耗盡層。 阻擋接觸阻擋接觸阻礙載流子通過接觸界面，或者阻礙從介質(zhì)移向電極的載流子在 接觸界面處放電。若電極不能供給經(jīng)介質(zhì)的電流所需要的載流子，則將在 介質(zhì)的靠電極區(qū)形成載流子耗盡層，使該層的電阻率升高。在這種情況下， 介質(zhì)電流隨時間增長而下降

55、。這個過程有時被稱為“形成”，即形成阻擋 層。 舉例舉例：在研究方解石(CaCO3)的電導(dǎo)時，觀察到這種形成。若移到電極的載 流子不能放電，則形成阻礙電流的體積電荷(亦稱空間電荷)；結(jié)果在靠近陰 極處聚積正電荷，靠近陽極處聚積負電荷。如堿金屬鹵化物晶體的這種過 程，曾被稱為近電極極化。在這種情況下，介質(zhì)電流也隨時間而下降。 2021-5-25 5555 薄膜物理表面與界面 對液體和固體介質(zhì)常用的“電凈電凈”處理方法，其機理屬于電極不能供其機理屬于電極不能供 給相應(yīng)的載流子，因而其電流隨時間而減小。給相應(yīng)的載流子，因而其電流隨時間而減小。其具體過程是在外加電壓的 作用下，介質(zhì)中的雜質(zhì)載流子(離子

56、、膠體微粒)移向電極后放電，從而達到 電凈。在較高溫度下，在玻璃中通過電流時，堿金屬正離子從靠陽極處移 走，結(jié)果在該處形成電阻率很高的SiO2層(23 m)，即所謂形成。電流反向 后，該層不變。在近電極極化的情況下，在靠近電極處逐漸聚積體積電荷， 因而沿介質(zhì)厚度電位不斷地重新分布，如左圖所示。 沿石英晶體厚度的電位圖 1-剛接入電源時 2-經(jīng)過一段時間后 3-達到穩(wěn)態(tài)后 介質(zhì)中間部分的場強逐漸下降，因此， 電流隨時間而減小。由于體積電荷能產(chǎn) 生很大的反向電場，所以從前對這種極 化曾稱為高壓式極化。非均勻介質(zhì)的 “夾層”式極化是在界面上聚積電荷， 引起電場重新分布，因而按其性質(zhì)可以 歸于近電極極

57、化一類，對于這類極化， 其充電電流等于放電電流(右圖)，即 式中o是切斷電源進行放電的瞬間。 充放電時電流密度 與時間關(guān)系 2021-5-25 5656 薄膜物理表面與界面 對于電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)，從能帶圖形來看，介質(zhì)的作用是在電極之間建立起 一個位壘，該位壘是從電極的費米能級到介質(zhì)的導(dǎo)帶底。它阻止電子從 一個電極到另一個電極的流動。 在研究金屬-介質(zhì)系統(tǒng)的電導(dǎo)時，位壘高度是一個很重耍的參數(shù)。并 且位壘高度取決于電極和介質(zhì)能帶的相對排列。至于這些能帶如何排列至于這些能帶如何排列 的問題，要用下列法則來解決：的問題，要用下列法則來解決：即在熱平衡狀態(tài)下，真空能級和費米能 級必須通過整個系統(tǒng)連續(xù)。因此，似乎只有在金屬的逸出功m等于介質(zhì) 的逸出功i時，才能滿足平衡條件。實際上由于電子從電極到介質(zhì)或者相 反的轉(zhuǎn)移，在mi時，也能滿足平衡條件。 在介質(zhì)界面處的位壘形狀依從于介質(zhì)是否是本征的，以及