(最新整理)固体表面及界面接触现象(1)分解

q(ps pns n)
2021/7/26
30
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
若用 σ ( 0 ) 表示表面处为平带时的薄层电导，
则半导体表面层总的薄层电导为：
σ σ(0 ) q (p s p n s n )
2021/7/26
31
2021/7/26
32
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
从式（6-15）可以看到，当Vs改变时，Qs也改 变，也就是说表面空间电荷层的面电荷密度Qs随 表面势Vs改变而变化，这相当于一个电容效应。 可求得微分电容：
[1exp(qVs )]np0[exqpV (s )1]
Cs
rs0
LD
kBT pp0
kBT
F(qV,snp0)
9
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态
表面态对半导体的各种物理过程有重 要影响,表面态的带电将产生一个垂直半 导体表面的电场，与此相关的效应将在 下一节讨论。
2021/7/26
10
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
（一） 半导体表面受外场的影响
在一块与半导体表面平行的平板金属与半导 体之间加上外电压V，就会有一个电场（强度 E0)作用于半导体表面，这相当于金属与半导 体之间构成平板电容器。
2021/7/26
27
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
5. 深耗尽状态
因为空间电荷区中多子对外电场改变的响应几乎是瞬 时的（约10-12秒），而少子的响应则要慢得多（约100~102 秒），如果表面电场的幅度较大（其方向对P型半导体是 由表面指向体内）、变化又快（例如以阶跃脉冲形式加 上），则刚开始的瞬间少子还来不及产生，因而也就没有 反型层，为屏蔽外电场，只有将更多的空穴（多子）进一 步排斥向体内（空穴是多子，跟得上外电场变化），由更 宽的耗尽层（大于强反型状态时的耗尽层宽度）中的电离 受主来承担。这种非平衡状态就叫深耗尽状态。
kBT dV
2kBT VS F( qV , np0 )
kBT pp0
2021/7/26
29
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
➢ 因半导体表面的载流子浓度与体内的载流子浓 度是很不相同的，所以表面电导率与体内电导率 有明显的差别。 ➢ 又因表面层受电场影响，所以表面的迁移率与 体内的迁移率ห้องสมุดไป่ตู้同，因此可以得到用∆p和∆n表示 的表面层的附加电导为
2021/7/26
28
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
（四） 表面电导
单位面积的表面层中空穴的改变量为
exp( qV)1
p qpp0LD 0
kBT dV
2kBT VS F( qV , np0 )
kBT pp0
同理，单位面积的表面层中电子的改变量为
qV
exp( )1
n qnp0LD 0
8
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态
表面态的概念可以从化学键的角度来说明
硅的理想表面或清洁表面，原子密度为1015cm-2，
固悬挂键表面密度也是1015cm-2量级。当硅表面被氧
化后，其悬挂键应大部分被饱和，例如在Si/SiO2界 面可观察到约1011~1012cm-2的表面态。
2021/7/26
2021/7/26
5
§6 固体表面及界面接触现象
二、 表面态
6.1 表面态
周期性势场因晶格的不完整性（杂质原子或 晶格缺陷）的存在而受到破坏时，会在禁带中出 现附加能级。
当晶体存在表面时，在垂直表面的方向上破坏 了原来三维无限晶格的周期性，晶格电子的势能在 垂直表面的方向上不再存在平移对称性。
2021/7/26
CS
(
NAqrs0
1
)2
2Vs
2021/7/26
21
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
2021/7/26
22
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
耗尽层中单位面积微分电容Cs相当于一个距
离为Xd的平板电容器的单位面积电容。
CS
rs 0
xd
这说明表面势的增加，耗尽层宽度随之增加，
2021/7/26
7
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态
表面态分类：
按理论模型可分为： 塔姆（Tamm）表面态和肖克莱表面态。
按表面类型可分为： 本征表面态和外诱表面态。
按表面态与体内交换的是电子还是空穴可分为： 类受主态和类施主态。
按表面态和体内交换电子的速度可分为： 快态和慢态。
2021/7/26
(最新整理)固体表面及界面接触现象(1)分解
2021/7/26
1
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态 6.2 表面电场效应
2021/7/26
2
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态
通常把固体与真空之间的分界面叫“表 面”，而把不同相或不同类的物质之间的分 界面叫“界面”。
本章简单介绍有关表面的最初步的概念。 还将介绍不同导电类型的半导体相接触时发 生的现象以及金属和半导体接触时发生的现 象。
2021/7/26
11
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
2021/7/26
12
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
由于半导体载流子浓度是有限的，要积 累一定面电荷就要占相当厚的一层，通常 需要几百以至上千个原子间距，称这一带 电的半导体表面层为空间电荷区。
在空间电荷区内存在着电势差，称这种半 导体几何表面与体内之间的电势差为半导体 的表面势，用符号Vs表示。
2021/7/26
26
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
一旦出现强反型，表面耗尽宽度就达到一个极 大值，最大耗尽宽度为
xdm[4qr2sN 0kABTl
nN (A) ni
1
]2
最大耗尽宽度由半导体材料的性质和掺杂浓度来
确定，对某一种材料NA越大，（或ND越大）xdm越 小；对不同的材料，相同的掺杂，Eg越宽的材料， ni值越小，xdm越大。
面电荷密度的增加主要由加宽了的那部分耗尽
层中的电离杂质电荷来承担。电容Cs随Vs的变 化，体现在随xd的变化上。
2021/7/26
23
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
4. 少数载流子反型状态
表面处的少数载流子（电子）浓度超过在 该处的多数载流子（空穴）的浓度，形成了 与原来半导体衬底导电类型相反的表面层， 称为少数载流子的反型层，如图6-6所示。
kBT pp0
2021/7/26
17
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
（三） 各种表面层状态
下面以非简并P型半导体为例，对出现的不 同的表面层状态仅作一些定性讨论。
1. 多数载流子堆积态
外电场背对p型半导体，即Vs<0，表面处能带上弯，半 导体表面形成所谓多数载流子的堆积层，表面微分电容
2021/7/26
13
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
半导体表面空间电荷区多数载流子势能陡起 的情形称为表面势垒。
而半导体表面（x=0）处与内部（x=d)处的 势能之差称为表面势垒高度，势垒高度用符号 qVD表示。显然，表面势垒高度
qVDqVS
2021/7/26
14
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
（二） 表面空间电荷区的电场、面电荷密度和电容
空间电荷层中电势所满足的泊松方程为
d2V(x) (x)
dx2
0rs
通过求解泊松方程，可得到半导体表面处
的电场强度为
ES
2kBTF(qV,np0) qLD kBT pp0
（6-13)
已知表面电场，根据高斯定理，可以求得表面
电荷密度Qs
QSrs 0ES
(6-14)
2021/7/26
15
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
将式（6-13）代入（6-14）得：
QS2rqs0D L kBTF(k qBT V s ,n ppp00) （6-15)
式中：当VS>0时，QS取负号；而VS<0 时,QS取正号。
2021/7/26
16
6
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态
对于有一个表面的半无限晶格，与原来三维无 限晶格相比，其哈密顿的本征值谱中出现了一些新 的本征值，这就是由于表面的存在而引起的附加电 子能态，这些本征值所对应的波函数是沿着与表面 垂直的方向向体内指数衰减的，即处于这种状态的 电子将定域在表面层中，所以这些附加的电子能态 被称为表面态。
可用下式表示：
Csrs 0exp(qVS )
LD
2kBT
2021/7/26
18
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
2021/7/26
19
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
2. 平带状态 理想的自由半导体表面，没有任何外界作用因
素，表面能带不发生弯曲，半导体表面处于平带 的状态。称半导体处于平带状态时的微分电容为 平带电容，用CFBS表示。
CFBS
2 r s 0
LD
2021/7/26
20
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
3. 耗尽状态
假设外电场指向p型半导体表面，Vs>0，表 面处能带向下弯曲。外电场作用使半导体表面势 垒高到足以使表面层的多数载流子几乎丧失完， 表面层的电荷密度基本上等于电离杂质的浓度， 这样的半导体表面层称为多数载流子的耗尽状态， 耗尽状态表面微分电容表示式为：
2021/7/26
3
§6 固体表面及界面接触现象
一、理想表面和实际表面
6.1 表面态
在无限晶体中插进一个平面，然后 将其分成两部分，这个分界面叫“理想 表面”。
实际表面可分为清洁表面和真实表 面。
2021/7/26
4
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态
一个没有杂质吸附、也没有氧化层的实 际表面叫清洁表面，而日常接触到的大量实 际表面哪怕经过了严格的清洗，看起来是 “清洁的”，实际上由于环境的影响，表面 往往生成氧化物或其他化合物，还可能有物 理吸附层，甚至还有与表面接触过的各种物 体留下的痕迹，称这种表面为真实表面。
2021/7/26
24
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
2021/7/26
25
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
弱反型条件: qS V qB V E iE F
强反型条件:
VS
2kBT q
ln(NA) ni
可以看出，衬底掺杂质浓度越高，出现反型所
需要的VS就越大，就越难以达到强反型。