2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：半導(dǎo)體表面

半導(dǎo)體表面

如：1、半導(dǎo)體表面狀態(tài)影響著：晶體管和半導(dǎo)體集成電路的參數(shù)和穩(wěn)定性。2、利用表面效應(yīng)的半導(dǎo)體器件：

MOS器件、電荷耦合器件、表面發(fā)光器件等。半導(dǎo)體表面

許多半導(dǎo)體器件的特性都和半導(dǎo)體的表面性質(zhì)有密切關(guān)系。表面態(tài)及表面空間電荷區(qū)

在半導(dǎo)體表面，晶格不完整性使勢(shì)場(chǎng)的周期性被破壞，在禁帶中形成局部狀態(tài)的能級(jí)分布（產(chǎn)生附加能級(jí)），這些狀態(tài)稱為表面態(tài)或達(dá)姆能級(jí)。達(dá)姆證明：一定條件下，每個(gè)表面原子在禁帶中對(duì)應(yīng)一個(gè)表面能級(jí)，這些表面能級(jí)組成表面能帶。達(dá)姆能級(jí)：清潔表面的表面態(tài)所引起的表面能級(jí)，彼此靠得很近，形成準(zhǔn)連續(xù)的能帶，分布在禁帶內(nèi)。表面空間電荷區(qū)的形成：

從化學(xué)鍵的角度來(lái)說(shuō)明表面態(tài)的概念：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(gè)硅原子將有一個(gè)未配對(duì)的電子，即有一個(gè)未飽和的鍵，這個(gè)鍵稱為懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)就是表面態(tài)。

單位面積上的原子數(shù)約為1015cm－2，由于垂直表面處的每個(gè)原子鍵都被切斷，達(dá)姆能級(jí)密度等于表面原子密度，～1015cm－2。

由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴。例如，N型Si，懸掛鍵可以從體內(nèi)獲得電子，使表面帶負(fù)電。這負(fù)的表面電荷可排斥表面層中電子使之成為耗盡層甚至變成P型反型層。

Si（111）面上的表面態(tài)密度≈8×1014cm-2Si—SiO2交界面處，表面態(tài)密度≈1011cm-2實(shí)際表面中，表面缺陷、表面粘污、表面氧化層都可以形成表面能級(jí)。

上述討論為理想表面，即，表面層中原子排列的對(duì)稱性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無(wú)限晶體表面。實(shí)際上，這種理想表面是不存在的。近表面幾個(gè)原子厚度的表面層中，離子實(shí)所受的勢(shì)場(chǎng)作用顯然不同于晶體內(nèi)部，這使得晶體所固有的三維平移對(duì)稱性在表面層中受到破壞，因此實(shí)際的晶體表面是一個(gè)結(jié)構(gòu)比體內(nèi)復(fù)雜得多的系統(tǒng)。現(xiàn)在已經(jīng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到在超高真空下共價(jià)半導(dǎo)體的表面發(fā)生再構(gòu)現(xiàn)象，表面上形成新的原子排列結(jié)構(gòu)，這種排列具有沿表面的二維平移對(duì)稱性。如，Si（111）面，在超高真空下可觀察到（7×7）結(jié)構(gòu)，即表面上形成以（7×7）個(gè)硅原子為單元的二維平移對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。

由表面態(tài)（表面能級(jí)）的性質(zhì)和費(fèi)米能級(jí)的位置，它們可能成為施主能級(jí)或受主能級(jí)，或者成為電子－空穴對(duì)的復(fù)合中心。半導(dǎo)體表面態(tài)為施主態(tài)時(shí)，它可能是中性的，也可能向?qū)峁╇娮雍笞兂烧姾?，表面帶正電；若表面態(tài)為受主態(tài)，則可接受導(dǎo)帶電子，表面帶負(fù)電。表面電荷量QSS與表面態(tài)密度NS及俘獲陷阱的分布函數(shù)有關(guān)，熱平衡態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體整體是電中性的，表面態(tài)中QSS電荷的存在使表面附近形成電場(chǎng)，導(dǎo)致表面附近可動(dòng)電荷重新分布，形成空間電荷區(qū)和表面勢(shì)，而使表面層中的能帶發(fā)生變化。空間電荷QSP的數(shù)量和表面態(tài)電荷相等，但帶電符號(hào)相反，則保持了電中性條件。一、表面勢(shì)以MIS（金屬—絕緣體—半導(dǎo)體）電容器為例，空間電荷區(qū)很薄，可看成一層電荷，其面密度為QSC，則：di為氧化層厚度；xd為半導(dǎo)體空間電荷區(qū)厚度；Vs為表面勢(shì)（即：半導(dǎo)體表面相對(duì)于體內(nèi)的電勢(shì)差）MSI0金屬和半導(dǎo)體中電荷分布情況不同§9.２ 空間電荷區(qū)的理論分析二、能帶的彎曲N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體反型層表面態(tài)為受主態(tài)表面態(tài)為施