高等半導(dǎo)體物理學(xué)

高等半導(dǎo)體物理學(xué)

第四章半導(dǎo)體表面2020年11月24日第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面第四章半導(dǎo)體表面§4.1半導(dǎo)體的表面一、理想表面和實(shí)際表面

理想表面：

表面對(duì)半導(dǎo)體各中物理過(guò)程有重要影響，特別是對(duì)許多半導(dǎo)體器件的性能影響更大。指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。真實(shí)表面：表面吸附雜質(zhì),或表面原子生成氧化物或其它化合物清潔表面：在表面沒(méi)有吸附雜質(zhì)，也沒(méi)有被氧化的實(shí)際表面。實(shí)際表面又分為：

求解薛定諤方程→在x=0處，出現(xiàn)新的本征值→附加的電子能態(tài)→表面態(tài)硅表面懸掛鍵由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴。二、表面態(tài)

達(dá)姆表面能級(jí):晶體自由表面的存在使其周期場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷,在禁帶中引起的附加能級(jí).

例如:對(duì)硅(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)。理想表面實(shí)際上不存在共價(jià)半導(dǎo)體的表面再構(gòu)現(xiàn)象:

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)作用不同于晶體內(nèi)部,使得晶體的三維平移對(duì)稱性在表面層中受到破壞,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.清潔表面的電子態(tài)，稱為本征(達(dá)姆)表面態(tài)。

真實(shí)表面由于吸附原子或其它不完整性，產(chǎn)生表面電子態(tài)，稱為外誘表面態(tài)。外誘表面態(tài)的特點(diǎn)是，其數(shù)值與表面經(jīng)過(guò)的處理方法有關(guān);達(dá)姆表面態(tài)對(duì)給定的晶體在“潔凈”表面時(shí)為一定值。表面態(tài)分為施主型表面態(tài)和受主型表面態(tài)。施主型表面態(tài):不論能級(jí)在禁帶中的位置如何,能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性,施放電子后帶正電.這樣的表面態(tài)叫

受主型表面態(tài):不論能級(jí)在禁帶中的位置如何,能級(jí)空著時(shí)呈電中性,接受電子后帶負(fù)電,這樣的表面態(tài)叫

§4.2

半導(dǎo)體的表面電場(chǎng)一、形成表面電場(chǎng)的因素

1．表面態(tài)的影響

由于表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子，結(jié)果產(chǎn)生了垂直于表面的電場(chǎng)。(EF)s→表面費(fèi)米能級(jí)(EF)s≠EF如果(EF)s＜EFEcEvEF(EF)s?+－E2．功函數(shù)的差異金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí)。金屬功函數(shù)的定義上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。EFE0真空中靜止電子的能量EoEcEv(EF)sWsWm金(M)半(S)WS>WM，即(EF)S<(EF)M

+－E形成由金

半的電場(chǎng)。(EF)m金屬半導(dǎo)體接觸

如果WS<WM，即(EF)S>(EF)M半導(dǎo)體中的電子向金屬流動(dòng)，形成由半

金的電場(chǎng)

3．氧化層中的雜質(zhì)離子S+++I－M－－－－E例如:Si-SiO2系統(tǒng)中,SiO2層中有過(guò)剩硅離子4．外加偏壓

二、表面電場(chǎng)效應(yīng)1．空間電荷區(qū)和表面勢(shì)

討論在外加電場(chǎng)作用下半導(dǎo)體表面層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。d金屬絕緣體半導(dǎo)體歐姆接觸MIS結(jié)構(gòu)理想的MIS結(jié)構(gòu):金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零絕緣層中無(wú)電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)

MIS結(jié)構(gòu)是一電容

在金屬與半導(dǎo)體間加電壓后,金屬和半導(dǎo)體相對(duì)的兩個(gè)面上被充電,符號(hào)相反金屬中,電荷分布在一個(gè)原子層范圍內(nèi);

半導(dǎo)體中,電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)---

空間電荷區(qū)－－－－－－－－－－+++++++++－MISVG空間電荷區(qū)表面與體內(nèi)的電勢(shì)差為表面勢(shì)，用VS表示。

規(guī)定：

表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，VS>0，反之，表面電勢(shì)比內(nèi)部低時(shí)，VS<0。

外加正偏壓VG時(shí)(M為正)，電場(chǎng)由表面指向體內(nèi)，VS>0；

外加反向偏壓時(shí)，VG<0，電場(chǎng)由體內(nèi)指向表面，VS<0。x0V(x)VsxV(x)0VsVG＞0VG＜02．能帶彎曲和載流子濃度的變化(1)能帶彎曲

有表面勢(shì)存在時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)的電子受到一個(gè)附加電勢(shì)的作用，電子的能量變?yōu)椋篍C(x)=EC

q

V(x)、EV(x)=EV

q

V(x)●VG>0，VS>0時(shí)，取負(fù)號(hào)，空間電荷區(qū)的能帶從體內(nèi)到表面向下彎曲●VG<0，VS<0時(shí)，取正號(hào)，空間電荷區(qū)的能帶從體內(nèi)到表面向上彎曲(2)載流子濃度體內(nèi)：EC，EV

空間電荷區(qū)：V(x)>0，能帶向下彎

V(x)>0空穴的勢(shì)壘

空間電荷區(qū)：0xEFV(x)<0，能帶向上彎

V(x)<0電子的勢(shì)壘

空間電荷區(qū)：0xX=0V(x)=Vs表面上3．P型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài)

(1)VG<0，金屬接負(fù)，半導(dǎo)體接正

VS為負(fù)，能帶上彎

多子堆積表面層出現(xiàn)空穴堆積,

帶正電EFmEFs0

將這種多子濃度高于體內(nèi)平衡濃度的表面層叫多子堆積層，稱此時(shí)的表面空間電荷層處于多子堆積狀態(tài)。多子空穴空間電荷特征：1）能帶向上彎曲并接近EF；2）多子（空穴）在半導(dǎo)體表面積累，越接近半導(dǎo)體表面多子濃度越高。xQsQmEFmEcEiEvEv1Ec1EFs無(wú)空間電荷(2)VG=0，VS=0，平帶半導(dǎo)體表面電荷堆積為0，稱這種狀態(tài)為平帶狀態(tài)。特征：半導(dǎo)體表面能帶平直。(3)VG>0，金屬接+，半導(dǎo)體接負(fù)

EcEvEFEiqVsqVBVB是體內(nèi)勢(shì)：多子耗盡

ps<(po)p，空間電荷區(qū)的負(fù)電荷絕大部分為過(guò)剩的電離的受主IM++++++S－－－－－－電離的受主這種狀態(tài)稱為多子的耗盡狀態(tài)，空間電荷區(qū)為耗盡層?？臻g電荷特征：1）表面能帶向下彎曲；2）表面上的多子濃度比體內(nèi)少得多，基本上耗盡，表面帶負(fù)電。QmQsx（4）VG>>0反型層界面EcEiEFEvqVsxqVqVBEg半導(dǎo)體絕緣體表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲P電子稱這個(gè)狀態(tài)為反型狀態(tài)

電子電離受主空間電荷反型少子堆積弱反型：ps<ns<(po)p

強(qiáng)反型：ns>(po)p

特征：1）Ei與EF在表面處相交（此處為本征型）；2）表面區(qū)的少子數(shù)>多子數(shù)——表面反型；3）反型層和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層。表面反型條件出現(xiàn)強(qiáng)反型的臨界條件，ns=(po)p強(qiáng)反型出現(xiàn)VG<0VS<0,VG=0,VG>0,VG>>0多子堆積,平帶,多子耗盡,反型少子堆積VG變化

VS變化能帶彎曲

電荷分布變化

4．N型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài)

1)

VG>0,VS>0能帶下彎，ns>(n0)n多子的堆積

?????EF2)VG=0，