第三章 固体材料表面与界面电子过程

部分电子和空穴 “存入”势垒区
电子和空穴中和
势垒区宽度变窄， 空间电荷数量减少
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当p-n结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增 加而减弱势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少，因为空 间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷 的减少是由于n区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区 中一部分电离施主和电离受主； 在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入” 势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强， 势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电 子和空穴从势垒区中“取出”。 p-n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的 “存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随 外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这 种p-n结的电容效应称为势垒电容
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表面空间电荷区域能带的弯曲
4）空间电荷区内的电势也要随距离逐渐变化，这样，半导体 表面相对体内就产生电势差，同时能带也发生弯曲。
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扩散电容
电子从n 区 注入P区， 增加了P区 的电子积累， 增加了浓度 梯度
正向偏压
空穴从P区注入n 区，增加了n区的 空穴积累，增加了 浓度梯度
h+ e-
h+ e-
积累的非平衡 空穴也增加,与 它保持电中性 的电子也相应 增加
非平衡电子 和与它保持 电中性的空 穴也要增加 由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生 的电容效应，称为p-n结的扩散电容。 p-n结的势垒
q
Vm金属的电势；Vs半导体电势；Vms:接触电势；Vs:表面电势
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d）忽略间隙
若D小到可以与原子间距相比较， 电子就可自由穿过间隙，这时 Vms很小，接触电势差绝大部分 降落在空间电荷区。 特点： 1）(Ws-Wm)/q=Vs。 2)半导体一边的势垒高度为 qVD=-qVs=Wm-Ws
3)金属一边的势垒高度： q ns=qVD+En=-qVs+En=Wm-Ws+En=Wm-
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电子
空穴对
N型半导体中的多数载流子(多子） 为电子。空穴为少数载流子（少子）
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杂质半导体
P型半导体
结构图
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杂质半导体
载流子
受主杂质原子电离 热激发 空穴 空穴 负离子对 电子对 呈电中性
P型半导体中的多数载流子(多子） 为空穴。电子为少数载流子（少子）
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载流子运动方式及其电流
扩散运动及扩散电流
������ •决定电子运动状态是主要取决于对电子的作用势 (原子核、电子间) •具体电子运动状态是通过薛定鄂方程求出电子的波 函数及其对应的本征能量。
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原子能级分裂成能级示意图
当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互 作用，电子存在共有作用； 无数电子形成一个系统以后，电子运动特性(范围) → 能带
半导体；N-type P-type半导体；导带；价带；禁带 本征半导体 杂质半导体 载流子运动方式及形成电流
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1.1 本征半导体
纯净的、不含杂质
的半导体
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杂质半导体
杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类
N型半导体
结构图
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杂质半导体
载流子
施主杂质原子电离 电子 正离子对 呈电中性
热激发
(6)
•氧化物表面的结构单元是离子，它们之
间的电作用主要是库仑势。表面离子的 配位数、空位等缺陷，对氧化物的 对氧 化物的电子 电子 结构 结构有明显影响 有明显影响。
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(7)
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(8)氧化物-半导体界面态
氧化物-半导体界面电子态(Si-SiO2)
•化学处理后的硅表面会存在一层极薄SiO2层。 •对Si表面电子输运有影响是SiO2-Si的界面所 形成的附加态，即界面态。因为在外场作用 下响应时间快。

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4) 半导体表面形成一个正的空间电荷
区，电场体内指向表面；Vs0,半导 体表面电子的能量高于体内，能带向 上弯曲，形成表面势垒。势垒空间中 空间电荷由电离施主形成， 电子浓度比体内小，形成一个阻挡层。
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n型Ge、Si，GaAs的qns 测量值(300K)
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3.3 表面势与表面态
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d）对于空穴，情况完全相似。 e）没有电流流过p-n结。或者说流过p-n结的净电流为零
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PN结基本特性
VD：势垒电压
VD =
0.6~0.8V 或 0.2~0.3V
VD阻止多子继
续扩散，同时有 利少子定向漂移
PN结平衡
VD
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2)单向导电性
U U
PN结加正向电压
流过PN结的电流随外 加电压U的增加而迅 速上升，PN结呈现为 小电阻。 该状态称为PN结正向 导通状态。
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能带图特点： 1） 电子从费米能级高的n 区流向费米能级低的p区，空 穴则从p区流向n区，因而EFn 下移，而EFp移，直至EFn=EFp 时为止。这时p-n结中有统一 的费米级能Ef 2)空间电荷区内电势V(x) V(x):np降低 电子电势能-qV(x) n p区不断升高
EFn和EFp分别表示n型和p型半导 体的费米能级
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空间电荷区的特点：
E
a）内建电场 在内建电场作用下，载流子作漂移运动。 电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方 向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作 用。 b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终 将达到动态平衡，
c）电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反 而互相抵消。
1）当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的 两个面上就要被充电。两者所带电荷符号相反，电荷分布情况 亦很不同。 2）在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原 子层的厚度范围之内，而在半导体中，由于自由载流子密度要 低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表 面层称做空间电荷区。 3）在空间电荷区内，从表面到内部电场逐渐减弱，到空间电 荷区的另—端，场强减小到零。
电容和扩散电容都随外加电压而变化，是可变电容。
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4）p-n结接触电势差
a.平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势 差VD，称为p-n结的接触电势差或内建 电势差。
b. 相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD
称为p-n结的势垒高度
qVD＝EFn-EFp
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3.2 金属和半导体的接触特性
1.金属和半导体的功函数 金属的功函数:
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Vzc(r): 价电子间的交换和相关势 在定性地讨论Vzc(r)的特征时，其表达式可表 示为：
其中v(r)为体内价电子电荷密度，a为常数。•
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(3)表面态类型
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(4)
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(5)
•产生表面空间电荷层的条件：表面的外电场；
半导体上的绝缘层中存在的电荷在表面感生的 电场；表面因产生离子吸附而引起的表面电场; 金属、与半导体(或绝缘体)因功函数不同而形 成接触电势等。


又称为电子亲合能，它表示要使半导体导带底 的电子逸出体外所需要的最小能量。
半导体的功函数又可表示为 Ws= + Ec ( EF ) s = En=Ec-(EF)s 又称肖特基势垒
+En
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半导体功函数与杂质浓度的关系(计算值)
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2.接触电势差 （1）设想有一块金属和一块n型半导体，它们有共
在绝对零度时，一个起始能量等于费米能级的电子， 由金属内部逸出到真空中静止所需要的最小能量
Wm=E0-(EF)m
E0表示真空中静止电子的能量
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半导体的功函数 在绝对零度时，一个起始能 量等于费米能级的电子，由 半导体内部逸出到真空中所 需要的最小能量
Ws=E0-(EF)s
从Ec到E0的能量间隔
＝E0-Ec
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3.4 MIS结构
半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切的关系。 半导体的表面状态对晶体管和半导体集成电路的参数和稳 定性有很大影响。 MOS(金属-氧化物-半导体)器件、电荷耦合器件，表面发 光器件等，就是利用半导体表面效应而制成的。 因此，研究半导体表面现象，发展有关半导体表面的理论， 对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及指导人们探索 新型器件等都有着十分重要的意义。 MIS(指金属—绝缘层—半导体)结构
界面态的来源•界面态产生原因与表面态
相同，电子受到的周期性势场发生突变所致。
•与表面态相比，界面态对应的势场并没有完 全中断，态密度要小。如Si-SiO2界面，与表 面态不同的是在界面上不可能每个硅原子都 平均有一根悬挂键。Si-SiO2界面态密度仅为 1010/cm2，表面态密度则为1015 /cm2 。
第三章
固体材料表面与界面电子 过程
3.1 半导体与半导体界面特性-PN结 3.2 金属与半导体的接触特性
3.3 表面势、表面态、表面电导
3.4 MIS结构
3.5 PN结与功能器件
3.6 晶界势垒及其电荷区
电子的特点
•电子运动状态：能量、运动的范围 电子运动的特点：微质点、高速度运动 ������ 在空 不可能确定某电子在某空间位臵→用 间出现的概率(电子云及密度) 能量不连续→能级
PN正向应用
U
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PN结加反向电压 流过PN结的电流称为 反向饱和电流(即IS)， PN结呈现为大电阻。
U
该状态称为PN结反向 截止状态。
PN反向运用
U
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3) p-n结电容特性
一个p-n结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电 压频率增高时，其整流特性变坏 p-n结电容包括势垒电容 和扩散电容两部分。
p区的能带上移， n区能带下移，直至费米能 级处处相等时，p-n结达到平 衡状态。 16
平衡p-n结的能带图
2 PN结基本特性
1) 空间电荷
电离受主与 少量电子的 负电荷严格 平衡空穴电 荷 电中性 空间电荷 电离施主与少 量空穴的正电 荷严格平衡电 子电荷
电中性
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主 负电荷区 正电荷区
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能带理论简介
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在k空间中，电子能量En(k)函数关系
K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空 间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态
K空间是以倒格子为基础的倒格空间
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E～k, 能带结构（能量色散关系）
导带底
价带顶
导带
价带
Si立方晶系 晶体的能带结构（半导体，间接能隙）
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半导体的基础知识
电位差 电场力 漂移运动 漂移电流
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漂移电流大小与电场强度成正比
3.1 PN结
1. pn结定义：
把一块p型半导体和 一块n型半导体结合 在一起，由于P、N 区载流子浓度不等， N区电子浓度向P区 扩散，P区空穴向N 区扩散，结果在交界 面处积累电荷形成电 偶极层，将该结构称 为p-n结
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主
•表面处电场存在→载流子在表面响应→重新分 布→产生屏蔽作用，阻止外场深入内部；
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金属材料：自由载流子密度很大，表面形成 极薄层(Å数量级)就足以将外场屏蔽掉； 半导体材料：自由载流子密度小，必须经过 一定距离后，才能将外电场屏蔽掉，这个区 域就是表面空间电荷层区。 如果载流子密度愈小，则空间电荷层就愈厚。 在室温下，表面层厚度可以用Debey长度LD 来估记:
同的真空静止电子能级，并假定金属的功函数大于 半导体的功函数，即Wm>Ws；EF(S) > EF(M)
(a)接触前
(b)间隙很大
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(c)紧密接触；(d)忽略间隙
金属和n型半导体接触能带图(Wm>Ws)
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(c)紧密接触
特点：1）随着D的减小，靠近半导体一 侧的金属表面负电荷密度增加，同时， 靠近金属一侧的半导体表面的正电荷密 度也随之增加。 2）由于半导体中自由电荷密度的限制， 正电荷分布在半导体表面相当厚的一层 表面层内，即空间电荷区。 表面势：在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯 曲，使半导体表面和内部之间存在电势差Vs，即表面势。 接触电势差一部分降落在空间电荷区，另一部分降落在金 属和半导体表面之间，于是有 Ws Wm＝Vms＋Vs
扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的 运动称为扩散运动。
扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流 称为扩散电流。
浓度差 扩散力 扩散运动 扩散电流
扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比
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载流子运动方式及其电流
漂移运动和漂移电流
漂移运动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。
漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流 称为漂移电流。
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MIS结构示意图 MIS结构中满足以下条件（由于金属和半导体功函数的不
同、绝缘层内可能存在带电离子及界面态等原因，情 况还是很复杂的。先考虑理想情况）： (1)金属与半导体间功函数差为零 (2)在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电 (3)绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。
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MIS结构空间电荷层及表面势