半导体物理课件-第九章

由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。例如， N型Si，悬挂键可以从体内获得电子，使表面带负电。这负的 表面电荷可排斥表面层中电子使之成为耗尽层甚至变成P型反 型层。
上述讨论为理想表面，即，表面层中原子排列的对称性与 体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限 晶体表面。
实际上，这种理想表面是不存在的。近表面几个原子厚度 的表面层中，离子实所受的势场作用显然不同于晶体内部，这 使得晶体所固有的三维平移对称性在表面层中受到破坏，因此 实际的晶体表面是一个结构比体内复杂得多的系统。
di
0
xd
x Vs为表面势（即：半导体 表面相对于体内的电势差）
金属和半导体中电荷分布情况不同
二、能带的弯曲
Vs x
0
En En0 eV x 能带弯曲
Vs x
表面态为受主态
表面态为施主态
x
0
x
eV ( E ) E
S
FS
FS
N型半导体
E
eVs
E
电子势垒
Ec EF
反型层
空间电荷QSP的数量和表面态电荷相等，但带电符号相反， 则保持了电中性条件。
§9.２ 空间电荷区的理论分析
M
I
S
E i
VG
Vx
V
VG
Vs
一、表面势
以MIS（金属—绝缘体—半 导体）电容器为例，空间电 荷区很薄，可看成一层电荷， 其面密度为QSC，则：
E －Q
i
SC 0 i
di为氧化层厚度； xd为半导体空间电荷区厚 度；
现在已经可以通过实验观察到在超高真空下共价半导体的 表面发生再构现象，表面上形成新的原子排列结构，这种排列 具有沿表面的二维平移对称性。如，Si（111）面，在超高真 空下可观察到（7×7）结构，即表面上形成以（7×7）个硅原 子为单元的二维平移对称性结构。
实际表面中，表面缺陷、表面粘污、表面氧化层都可以形成 表面能级。
设E f Ei0 (e) f，其中 f 为费米势（表示费米能级的高

低），则
n 0
n i
exp
e f kT
，p0
n i
exp
e f kT
n
n i
exp
eV
x
kT
f
，p
n i
expe
f
V kT
x
N型半导体： f 0；P型半导体： f 0。
四、积累层，耗尽层和反型层
M
S
VG
O P型
以理想MOS为例，衬底为P型。
n0
ni
exp
E f Ei0 kT
p0
ni
exp
Ei0 E f kT
Ei Ei0 (e)V ( x)，则Ei Ei0 eV ( x)
所以
n
ni
exp
E
f kT
Ei
ni
exp
E
f
Ei0 kT
exp
eV ( x) kT
n0
exp
eV ( x) kT
同理
p
p0
exp
eV (x) kT
在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在 禁带中形成局部状态的能级分布（产生附加能级），这些状态 称为表面态或达姆能级。
达姆证明：一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面 能级，这些表面能级组成表面能带。
达姆能级：清洁表面的表面态所引起的表面能级，彼此靠得很 近，形成准连续的能带，分布在禁带内。
第九章 半导体表面
许多半导体器件的特性都和半导体的表面性质有密切关系。
如： 1、半导体表面状态影响着：
晶体管和半导体集成电路的参数和稳定性。 2、利用表面效应的半导体器件：
MOS器件、电荷耦合器件、表面发光器件等。
§9.1 表面态及表面空间电荷区
表面空间电荷区的形成：
1.外加电场 2.接触电势差 3.表面态
单位面积上的原子数约为1015 cm－2，由于垂直表面处的
每个原子键都被切断，达姆能级密度等于表面原子密度，～
1015 cm－2。
Si（111）面上的表面态密度≈8×1014cm-2 Si—SiO2交界面处，表面态密度≈1011cm-2
从化学键的角度来说明表面态的概念：以硅晶体为例，因 晶格在表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原子将有一个 未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键，与 之对应的电子能态就是表面态。
Ec
d. 反型层：若VG足够高， 使得在表面处的少子电子浓
Ei E fs
Ec
Ei
E fs
E fM
Ev
（c）耗尽层（VG＞0）
b. 积累层：VG<0时，电场由 体内指向表面，能带向上弯曲， 形成空穴势阱，多子空穴被吸 引至表面附近，因而表面空穴 浓度高于体内，形成多子积累， 成为积累层。
c. 耗尽层：VG>0时，表面处 空穴被排斥走，当空穴势垒足 够高时，表面层价带空穴极为 稀少，可认为该层多子空穴被 耗尽，称为耗尽层。
理想MOS： ⒈金属与半导体不存在接触电势差（费米能级一致）； ⒉氧化层中无电荷； ⒊半导体与氧化层中无表面态（无界面态）。
Ec
Ｐ型样品衬底：
E fM
Ei E fs
a. 平带：VG=0时，能带无弯
Ev
曲，无空间电荷区；
（a）平带（VG=0）
Ec
E fM
Ei
E fs
Ev
（b）积累层（VG＜0） （Vs<0）
Ei
P型半导体
Ec
Ei 空穴势垒 EF Ev
Ev
eVs
Vs 0：能带向上弯，电子势垒，空穴势阱； Vs 0：能带向下弯，电子势阱，空穴势垒； EF 保持恒定，热平衡体系不变。电势变化的区域：载流子分布与体内不同。
三、载流子浓度的变化
eVs
Ei (x)
( e ) f
Ec Ef Ei0
Ev
n 0
n i
exp
E E
f
i0
kT
p 0
n i
exp
E E
i0
f
kT
0
x
N型半导体，表面态为受主态，Vs<0
Ei Ei0 ( e )V ( x )
n 0
n i
exp
e f kT
p 0
n i
exp
e f kT
非简并时：
n
ni
exp
E
f kT
Ei
p
ni
exp
Ei E f kT
设内部电子、空穴浓度为n0，p0，本征费米能级为Ei0。所以，
由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位置，它们可 能成为施主能级或受主能级，或者成为电子－空穴对的复合中 心。
半导体表面态为施主态时，它可能是中性的，也可能向 导带提供电子后变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态， 则可接受导带电子，表面带负电。
表面电荷量QSS与表面态密度NS及俘获陷阱的分布函数 有关，热平衡态时，半导体整体是电中性的，表面态中QSS电 荷的存在使表面附近形成电场，导致表面附近可动电荷重新分 布，形成空间电荷区和表面势，而使表面层中的能带发生变化。