固體材料表面與界面電子過(guò)程（課堂PPT）

1、1固體材料表面與界面電子固體材料表面與界面電子過(guò)程過(guò)程3.1 3.1 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體界面特性半導(dǎo)體與半導(dǎo)體界面特性-PN-PN結(jié)結(jié)3.2 3.2 金屬與半導(dǎo)體的接觸特性金屬與半導(dǎo)體的接觸特性3.3 3.3 表面勢(shì)、表面態(tài)、表面電導(dǎo)表面勢(shì)、表面態(tài)、表面電導(dǎo)3.4 MIS3.4 MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3.5 PN3.5 PN結(jié)與功能器件結(jié)與功能器件3.6 3.6 晶界勢(shì)壘及其電荷區(qū)2 電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：能量、運(yùn)動(dòng)的范圍電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：能量、運(yùn)動(dòng)的范圍 電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：微質(zhì)點(diǎn)、高速度運(yùn)動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：微質(zhì)點(diǎn)、高速度運(yùn)動(dòng) 不可能確定某電子在某空間位置不可能確定某電子在某空間位置用用在空在空 間出現(xiàn)的概率間出現(xiàn)的概

2、率(電子云及密度電子云及密度) 能量不連續(xù)能量不連續(xù)能級(jí)能級(jí)決定電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是主要取決于對(duì)電子的作用勢(shì)決定電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是主要取決于對(duì)電子的作用勢(shì)(原子核、電子間原子核、電子間)具體電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是通過(guò)薛定鄂方程求出電子的波具體電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是通過(guò)薛定鄂方程求出電子的波函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的本征能量。函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的本征能量。電子的特點(diǎn)電子的特點(diǎn)3無(wú)數(shù)電子形成一個(gè)系統(tǒng)以后，電子運(yùn)動(dòng)特性無(wú)數(shù)電子形成一個(gè)系統(tǒng)以后，電子運(yùn)動(dòng)特性(范圍范圍) 能帶能帶當(dāng)原子與原子結(jié)合成固體時(shí)，原子之間存在相互當(dāng)原子與原子結(jié)合成固體時(shí)，原子之間存在相互作用，電子存在共有作用；作用，電子存在共有作用；原子能級(jí)分裂成能級(jí)示意圖4能帶理論簡(jiǎn)

3、介能帶理論簡(jiǎn)介 5 K空間：又稱波矢空間，描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的空間，K空間中的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的狀態(tài)K空間是以倒格子為基礎(chǔ)的倒格空間在k空間中，電子能量En(k)函數(shù)關(guān)系6E Ek, k, 能帶結(jié)構(gòu)（能量色散關(guān)系）能帶結(jié)構(gòu)（能量色散關(guān)系）SiSi立方立方晶系 晶體的能帶結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體，間接能隙）晶體的能帶結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體，間接能隙）價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶頂價(jià)帶頂導(dǎo)帶底導(dǎo)帶底7 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 半導(dǎo)體；半導(dǎo)體；N-type P-typeN-type P-type半導(dǎo)體；導(dǎo)帶；價(jià)帶；禁半導(dǎo)體；導(dǎo)帶；價(jià)帶；禁帶帶本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 載流子運(yùn)動(dòng)方式及形成電流載流

4、子運(yùn)動(dòng)方式及形成電流8v純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體1.1 本征半導(dǎo)體9v雜質(zhì)半導(dǎo)體分雜質(zhì)半導(dǎo)體分：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩類vN型半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖10電子 正離子對(duì)施主雜質(zhì)原子電離 電子 空穴對(duì) 熱激發(fā) 載流子載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 N N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子( (多子）多子） 為為電子電子?？昭昭樯贁?shù)載流子（少子為少數(shù)載流子（少子）呈電中性 11v P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體12 空穴 負(fù)離子對(duì)受主雜質(zhì)原子電離 空穴 電子對(duì) 熱激發(fā) 載流子載流子 P P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子( (多子）多子） 為

5、為空穴空穴。電子電子為少數(shù)載流子（少子）為少數(shù)載流子（少子）雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體呈電中性 13v 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子受擴(kuò)散力的作用所作的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流：載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱為擴(kuò)散電流。 載流子運(yùn)動(dòng)方式及其電流載流子運(yùn)動(dòng)方式及其電流 擴(kuò)散電流大小與載流子濃度梯度成正比擴(kuò)散電流大小與載流子濃度梯度成正比濃度差 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散電流擴(kuò)散力14v 漂移運(yùn)動(dòng)和漂移電流漂移運(yùn)動(dòng)和漂移電流 漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)力作用下所作的 運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。漂移電流漂移電流：載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱為漂移電流。載流子運(yùn)動(dòng)方式及其電流載流子運(yùn)動(dòng)方

6、式及其電流 漂移電流大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比漂移電流大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比電位差 漂移運(yùn)動(dòng) 漂移電流電場(chǎng)力153.1 PNPN結(jié)結(jié)1. pn結(jié)定義：結(jié)定義：把一塊把一塊p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和一塊一塊n型半導(dǎo)體結(jié)合型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，由于在一起，由于P、N區(qū)區(qū)載流子濃度不等載流子濃度不等，N區(qū)電子濃度向區(qū)電子濃度向P區(qū)區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散，P區(qū)空穴向區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散，結(jié)果在交界區(qū)擴(kuò)散，結(jié)果在交界面處積累電荷形成面處積累電荷形成電電偶極層偶極層，將該結(jié)構(gòu)稱，將該結(jié)構(gòu)稱為為p-n結(jié)結(jié) 帶負(fù)電荷的電離受主電離受主帶正電荷電離施主帶正電荷電離施主16 平衡平衡p-n結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖 1） 電子從費(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)流

7、向費(fèi)米能級(jí)低的p區(qū)，空穴則從p區(qū)流向n區(qū)，因而EFn下移，而EFp移，直至EFn=EFp時(shí)為止。這時(shí)p-n結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)米級(jí)能Ef2)空間電荷區(qū)內(nèi)電勢(shì)V(x) V(x):np降低電子電勢(shì)能-qV(x)n p區(qū)不斷升高p區(qū)的能帶上移，n區(qū)能帶下移，直至費(fèi)米能級(jí)處處相等時(shí)，p-n結(jié)達(dá)到平衡狀態(tài)。EFn和EFp分別表示n型和p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)能帶圖特點(diǎn)：172 PNPN結(jié)基本特性結(jié)基本特性帶負(fù)電荷的帶負(fù)電荷的電離受主電離受主帶正電荷電離施主帶正電荷電離施主電離施主與少量空穴的正電荷嚴(yán)格平衡電子電荷電離受主電離受主與少量電子少量電子的負(fù)電荷嚴(yán)格平衡空穴電荷電中性電中性負(fù)電荷區(qū)負(fù)電荷區(qū)正電荷區(qū)正電荷區(qū)

8、空間電荷1) 空間電荷空間電荷18d）對(duì)于空穴，情況完全相似。）對(duì)于空穴，情況完全相似。e）沒(méi)有電流流過(guò)）沒(méi)有電流流過(guò)p-n結(jié)。或者說(shuō)流過(guò)結(jié)?；蛘哒f(shuō)流過(guò)p-n結(jié)的凈電流為零結(jié)的凈電流為零 空間電荷區(qū)的特點(diǎn)：空間電荷區(qū)的特點(diǎn)：a）內(nèi)建電場(chǎng)）內(nèi)建電場(chǎng) 在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，載流子作漂移運(yùn)動(dòng)。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，載流子作漂移運(yùn)動(dòng)。電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。內(nèi)建電場(chǎng)起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作向相反。內(nèi)建電場(chǎng)起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作用。用。b）在無(wú)外加電壓的情況下，載流子的擴(kuò)散和漂移最終在無(wú)外加電壓的情況下，載流子的擴(kuò)散和漂移

9、最終將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，c）電子的擴(kuò)散電流和漂移電流的大小相等、方向相反電子的擴(kuò)散電流和漂移電流的大小相等、方向相反而互相抵消而互相抵消。E19PNPN結(jié)基本特性結(jié)基本特性PNPN結(jié)平衡結(jié)平衡 VD阻止多子繼阻止多子繼續(xù)擴(kuò)散，同時(shí)有續(xù)擴(kuò)散，同時(shí)有利少子定向漂移利少子定向漂移VD：勢(shì)壘電壓VD = 0.60.8V 或 0.20.3VVD202)單向?qū)щ娦?PNPN結(jié)加正向電壓結(jié)加正向電壓流過(guò)PN結(jié)的電流隨外加電壓U的增加而迅速上升，PN結(jié)呈現(xiàn)為小電阻。該狀態(tài)稱為PN結(jié)正向?qū)顟B(tài)。PN正向應(yīng)用UUU21 PNPN結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓流過(guò)PN結(jié)的電流稱為反向飽和電流(即IS)，PN結(jié)

10、呈現(xiàn)為大電阻。該狀態(tài)稱為PNPN結(jié)反向結(jié)反向截止?fàn)顟B(tài)。截止?fàn)顟B(tài)。PN反向運(yùn)用 UU22一個(gè)一個(gè)p-n結(jié)在低頻電壓下，能很好地起整流作用，但是當(dāng)電結(jié)在低頻電壓下，能很好地起整流作用，但是當(dāng)電壓頻率增高時(shí)，其整流特性變壞壓頻率增高時(shí)，其整流特性變壞 p-n結(jié)電容包括結(jié)電容包括勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電容兩部分。兩部分。3) p-n結(jié)電容特性結(jié)電容特性部分電子和空穴部分電子和空穴“存入存入”勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū) 勢(shì)壘區(qū)寬度變窄，勢(shì)壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少空間電荷數(shù)量減少 電子和空穴中和電子和空穴中和23在外加正向偏壓增加時(shí)，將有一部分在外加正向偏壓增加時(shí)，將有一部分電子和空穴電子和空穴“存入存

11、入”勢(shì)勢(shì)壘壘區(qū)。反之，當(dāng)正向偏壓減小時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘區(qū)。反之，當(dāng)正向偏壓減小時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘區(qū)寬度增加，空間電荷數(shù)量增多，這就是有一部分區(qū)寬度增加，空間電荷數(shù)量增多，這就是有一部分電子和空電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)中穴從勢(shì)壘區(qū)中“取出取出”。當(dāng)當(dāng)p-n結(jié)加結(jié)加正向偏壓正向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)隨正向偏壓的增時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)隨正向偏壓的增加而減弱加而減弱勢(shì)壘區(qū)寬度變窄勢(shì)壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少空間電荷數(shù)量減少，因?yàn)榭眨驗(yàn)榭臻g電荷是由不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子組成的，所以空間電荷間電荷是由不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子組成的，所以空間電荷的減少是由于的減少是由于n區(qū)的電子和區(qū)的電子和p區(qū)的空穴過(guò)來(lái)中

12、和了勢(shì)壘區(qū)的空穴過(guò)來(lái)中和了勢(shì)壘區(qū)區(qū)中一部分中一部分電離施主和電離受主電離施主和電離受主；p-n結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的“存入存入”和和“取出取出”作用，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨作用，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個(gè)電容器的充放電作用相似。這外加電壓而變化，這和一個(gè)電容器的充放電作用相似。這種種p-n結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容24擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容積累的非平衡積累的非平衡空穴也增加空穴也增加,與與它保持電中性它保持電中性的電子也相應(yīng)的電子也相應(yīng)增加增加非平衡電子非平衡電子和與它保持和與它保

13、持電中性的空電中性的空穴也要增加穴也要增加正向偏壓空穴從P區(qū)注入n區(qū)，增加了n區(qū)的空穴積累，增加了濃度梯度由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為的電容效應(yīng)，稱為p-n結(jié)的擴(kuò)散電容。結(jié)的擴(kuò)散電容。 p-n結(jié)的勢(shì)壘結(jié)的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化，是可變電容。電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化，是可變電容。h+h+e-e-電子從n 區(qū)注入P區(qū)，增加了P區(qū)的電子積累，增加了濃度梯度25a.平衡p-n結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的電勢(shì)差VD，稱為p-n結(jié)的接觸電勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)差。4）p-n結(jié)接觸電勢(shì)差結(jié)接觸電勢(shì)差b. 相應(yīng)的電子電勢(shì)能之差即能

14、帶的彎曲量相應(yīng)的電子電勢(shì)能之差即能帶的彎曲量qVD稱為稱為p-n結(jié)的勢(shì)壘高度結(jié)的勢(shì)壘高度 qVDEFn-EFp 263.2 金屬和半導(dǎo)體的接觸特性金屬和半導(dǎo)體的接觸特性1.1.金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬的功函數(shù)金屬的功函數(shù): 在絕對(duì)零度時(shí)，一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中靜止所需要的最小能量 Wm=E0-(EF)mE0表示真空中靜止電子的能量 27在絕對(duì)零度時(shí)，一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由半導(dǎo)體內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量半導(dǎo)體的功函數(shù)半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws=E0-(EF)s E0-Ec 從Ec到E0的能量間隔 又稱為電子親合能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)

15、帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。 半導(dǎo)體的功函數(shù)又可表示為 Ws= + = +En sFcEE)( En=Ec-(EF)s 又稱肖特基勢(shì)壘28 半導(dǎo)體功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系半導(dǎo)體功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系(計(jì)算值計(jì)算值) 292.接觸電勢(shì)差（1 1）設(shè)想有一塊金屬和一塊）設(shè)想有一塊金屬和一塊n n型半導(dǎo)體，它們有共型半導(dǎo)體，它們有共同的真空靜止電子能級(jí)，并假定金屬的同的真空靜止電子能級(jí)，并假定金屬的功函數(shù)大于功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即半導(dǎo)體的功函數(shù)，即W Wm mWWs s；EF(S) EF(M)(a)接觸前(b)間隙很大30(c)緊密接觸；(d)忽略間隙 金屬和金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖型

16、半導(dǎo)體接觸能帶圖(WmWs) 31特點(diǎn)：特點(diǎn)：1 1）隨著）隨著D D的減小，靠近半導(dǎo)體一的減小，靠近半導(dǎo)體一側(cè)的金屬表面負(fù)電荷密度增加，同時(shí)，側(cè)的金屬表面負(fù)電荷密度增加，同時(shí)，靠近金屬一側(cè)的半導(dǎo)體表面的正電荷密靠近金屬一側(cè)的半導(dǎo)體表面的正電荷密度也隨之增加。度也隨之增加。2 2）由于半導(dǎo)體中自由電荷密度的限制，由于半導(dǎo)體中自由電荷密度的限制，正電荷分布在半導(dǎo)體表面相當(dāng)厚的一層正電荷分布在半導(dǎo)體表面相當(dāng)厚的一層表面層內(nèi)，即空間電荷區(qū)表面層內(nèi)，即空間電荷區(qū)。(c)緊密接觸緊密接觸表面勢(shì)：在空間電荷區(qū)內(nèi)便存在一定的電場(chǎng)，造成能帶彎表面勢(shì)：在空間電荷區(qū)內(nèi)便存在一定的電場(chǎng)，造成能帶彎曲，使半導(dǎo)體表面和

17、內(nèi)部之間存在電勢(shì)差曲，使半導(dǎo)體表面和內(nèi)部之間存在電勢(shì)差Vs，即表面勢(shì)，即表面勢(shì)。接觸電勢(shì)差一部分降落在空間電荷區(qū)，另一部分降落在金接觸電勢(shì)差一部分降落在空間電荷區(qū)，另一部分降落在金屬和半導(dǎo)體表面之間，于是有屬和半導(dǎo)體表面之間，于是有 VmsVs qWWmsVm金屬的電勢(shì)；Vs半導(dǎo)體電勢(shì)；Vms:接觸電勢(shì)；Vs:表面電勢(shì)32若若D小到可以與原子間距相比較，小到可以與原子間距相比較，電子就可自由穿過(guò)間隙，這時(shí)電子就可自由穿過(guò)間隙，這時(shí)Vms很小，接觸電勢(shì)差絕大部分很小，接觸電勢(shì)差絕大部分降落在空間電荷區(qū)。降落在空間電荷區(qū)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）(Ws-Wm)/q=Vs。d）忽略間隙）忽略間隙3)金屬一邊

18、的勢(shì)壘高度：金屬一邊的勢(shì)壘高度：q ns=qVD+En=-qVs+En=Wm-Ws+En=Wm- 2)半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為qVD=-qVs=Wm-Ws334) 半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)，區(qū)，電場(chǎng)體內(nèi)指向表面；電場(chǎng)體內(nèi)指向表面；Vs 0,半導(dǎo)體表面電子的能量高于體半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)，能帶向上彎曲，形成表面勢(shì)壘。內(nèi)，能帶向上彎曲，形成表面勢(shì)壘。勢(shì)壘空間中空間電荷由電離施主形成，勢(shì)壘空間中空間電荷由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小，形成一個(gè)阻擋層電子濃度比體內(nèi)小，形成一個(gè)阻擋層。34nsqn型型Ge、Si，GaAs的的 測(cè)量值測(cè)量

19、值(300K)353.3 表面勢(shì)與表面態(tài)表面勢(shì)與表面態(tài)363738其中v(r)為體內(nèi)價(jià)電子電荷密度，a為常數(shù)。在定性地討論在定性地討論Vzc(r)的特征時(shí)，其表達(dá)式可表的特征時(shí)，其表達(dá)式可表示為：示為：Vzc(r): 價(jià)電子間的交換和相關(guān)勢(shì)3924041(3)表面態(tài)類型表面態(tài)類型42(4)43產(chǎn)生表面空間電荷層的條件：產(chǎn)生表面空間電荷層的條件：表面的外電場(chǎng)表面的外電場(chǎng)；半導(dǎo)體上的絕緣層中存在的半導(dǎo)體上的絕緣層中存在的電荷在表面感生的電荷在表面感生的電場(chǎng)電場(chǎng)；表面因產(chǎn)生表面因產(chǎn)生離子吸附離子吸附而引起的表面電場(chǎng)而引起的表面電場(chǎng); 金屬、金屬、與半導(dǎo)體與半導(dǎo)體(或絕緣體或絕緣體)因因功函數(shù)不同而形

20、成接觸功函數(shù)不同而形成接觸電勢(shì)電勢(shì)等。等。表面處電場(chǎng)存在表面處電場(chǎng)存在載流子在表面響應(yīng)載流子在表面響應(yīng)重新分重新分布布產(chǎn)生屏蔽作用，阻止外場(chǎng)深入內(nèi)部；產(chǎn)生屏蔽作用，阻止外場(chǎng)深入內(nèi)部；(5)金屬材料金屬材料：自由載流子密度很大，表面形成：自由載流子密度很大，表面形成極薄層極薄層(數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí))就足以將外場(chǎng)屏蔽掉；就足以將外場(chǎng)屏蔽掉；半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料：自由載流子密度小，必須經(jīng)過(guò)：自由載流子密度小，必須經(jīng)過(guò)一定距離后，才能將外電場(chǎng)屏蔽掉，這個(gè)區(qū)一定距離后，才能將外電場(chǎng)屏蔽掉，這個(gè)區(qū)域就是表面空間電荷層區(qū)。域就是表面空間電荷層區(qū)。如果載流子密度愈小，則空間電荷層就愈厚。如果載流子密度愈小，則空間電

21、荷層就愈厚。在室溫下，表面層厚度可以用在室溫下，表面層厚度可以用Debey長(zhǎng)度長(zhǎng)度LD來(lái)估記來(lái)估記:46(6)氧化物表面的結(jié)構(gòu)單元是離子，它們之氧化物表面的結(jié)構(gòu)單元是離子，它們之間的電作用主要是庫(kù)侖勢(shì)。間的電作用主要是庫(kù)侖勢(shì)。表面離子的表面離子的配位數(shù)、空位等缺陷配位數(shù)、空位等缺陷，對(duì)氧化物的，對(duì)氧化物的 對(duì)氧對(duì)氧化物的電子化物的電子 電子電子 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)有明顯影響結(jié)構(gòu)有明顯影響 有明顯影響。有明顯影響。4748(7)495051(8)氧化物氧化物-半導(dǎo)體界面態(tài)半導(dǎo)體界面態(tài)化學(xué)處理后的硅表面會(huì)存在一層極薄SiO2層。對(duì)Si表面電子輸運(yùn)有影響是SiO2-Si的界面所形成的附加態(tài)，即界面態(tài)。因

22、為在外場(chǎng)作用下響應(yīng)時(shí)間快。界面態(tài)的來(lái)源界面態(tài)的來(lái)源界面態(tài)產(chǎn)生原因與表面態(tài)相同，電子受到的周期性勢(shì)場(chǎng)發(fā)生突變所致。與表面態(tài)相比，界面態(tài)對(duì)應(yīng)的勢(shì)場(chǎng)并沒(méi)有完全中斷，態(tài)密度要小。如Si-SiO2界面，與表面態(tài)不同的是在界面上不可能每個(gè)硅原子都平均有一根懸掛鍵。Si-SiO2界面態(tài)密度僅為1010/cm2，表面態(tài)密度則為1015 /cm2 。氧化物-半導(dǎo)體界面電子態(tài)(Si-SiO2)523.4 MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體器件的特性都和半導(dǎo)體的表面性質(zhì)有著密切的關(guān)系。半導(dǎo)體器件的特性都和半導(dǎo)體的表面性質(zhì)有著密切的關(guān)系。半導(dǎo)體的表面狀態(tài)對(duì)晶體管和半導(dǎo)體集成電路的參數(shù)和穩(wěn)半導(dǎo)體的表面狀態(tài)對(duì)晶體管和半導(dǎo)體集成電路的

23、參數(shù)和穩(wěn)定性有很大影響。定性有很大影響。MOS(金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體)器件、電荷耦合器件，表面發(fā)器件、電荷耦合器件，表面發(fā)光器件光器件等，就是利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)而制成的。等，就是利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)而制成的。因此，研究半導(dǎo)體表面現(xiàn)象，發(fā)展有關(guān)半導(dǎo)體表面的理論，因此，研究半導(dǎo)體表面現(xiàn)象，發(fā)展有關(guān)半導(dǎo)體表面的理論，對(duì)于改善器件性能，提高器件穩(wěn)定性，以及指導(dǎo)人們探索對(duì)于改善器件性能，提高器件穩(wěn)定性，以及指導(dǎo)人們探索新型器件等都有著十分重要的意義。新型器件等都有著十分重要的意義。MIS(指金屬指金屬絕緣層絕緣層半導(dǎo)體半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)53 MIS結(jié)構(gòu)示意圖 MIS結(jié)構(gòu)中滿足以下條件（由于金

24、屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的不同、絕緣層內(nèi)可能存在帶電離子及界面態(tài)等原因，情況還是很復(fù)雜的。先考慮理想情況）：(1)金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零(2)在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電(3)絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。541）當(dāng)在金屬與半導(dǎo)體之間加電壓電壓后，在金屬與半導(dǎo)體相對(duì)的兩個(gè)面上就要被充電充電。兩者所帶電荷符號(hào)相反，電荷分布情況亦很不同。2）在金屬中，自由電子密度很高，電荷基本上分布在一個(gè)原一個(gè)原子層的厚度范圍之內(nèi)子層的厚度范圍之內(nèi)，而在半導(dǎo)體中，由于自由載流子密度要低得多，電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)一定厚度的表面層內(nèi)；這個(gè)帶電的表面層稱做空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)。3）在空間電荷

25、區(qū)內(nèi)，從表面到內(nèi)部電場(chǎng)逐漸減弱表面到內(nèi)部電場(chǎng)逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另端，場(chǎng)強(qiáng)減小到零。MIS結(jié)構(gòu)空間電荷層及表面勢(shì)55MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管也被稱為MOS FET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor P-N結(jié)的二極管的工作過(guò)程 含有一個(gè)含有一個(gè)P-N結(jié)的二極管的工作過(guò)程結(jié)的二極管的工作過(guò)程 1)加上正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過(guò)。在P型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng)，從而形成導(dǎo)通電流。2) 反向電壓時(shí)，

26、在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電荷被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒(méi)有電流通過(guò)，二極管截止。56N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作過(guò)程 NPN型通常稱為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。 N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上 正電壓加在N溝道的MOS 場(chǎng)效應(yīng)管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來(lái)而涌向柵極，但由于氧化膜氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中, 從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。兩個(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。 57 半導(dǎo)體三極

27、管示意圖和三極管的符號(hào)58LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫，）是發(fā)光二極管的縮寫，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED光源廣泛見(jiàn)于日常生活光源廣泛見(jiàn)于日常生活中，如家用電器的指示燈、汽車的后防霧燈等。中，如家用電器的指示燈、汽車的后防霧燈等。 3.5 p-n結(jié)與光電功能器件結(jié)與光電功能器件593.5 p-n結(jié)與光電功能器件結(jié)與光電功能器件(1)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本原理晶片中晶片中PN結(jié)結(jié)構(gòu)和發(fā)光二極管的發(fā)光原理結(jié)結(jié)構(gòu)和發(fā)光二極管的發(fā)光原理60聚三苯胺(poly-TPD)-八羥基喹啉鋁(Alq3)-無(wú)機(jī)半導(dǎo)體QD-LED器件 中科院化學(xué)所有機(jī)固體室的中科院化學(xué)所有機(jī)固體室的研究人員使用美國(guó)研究人員使用美國(guó)Ocean NanoTech公司制備的高質(zhì)公司制備的高質(zhì)量的具有核殼結(jié)構(gòu)的量的具有核殼結(jié)構(gòu)的CdSe/ZnS和和CdSe/CdS/ZnS納晶量子納晶量子點(diǎn)點(diǎn)，同時(shí)使用，同時(shí)使用聚三苯胺聚三苯胺(poly-TPD)為空穴傳輸層、為空穴傳輸層、八羥基喹啉鋁八羥基喹啉鋁(Alq3)為電子為電子傳輸層，通過(guò)調(diào)節(jié)量子