11-第十一讲--薄膜材料物理--第四章薄膜的表面和界面.ppt

第11讲 第4章 金属薄膜的导电 第四章 薄膜的表面和界面(续) 第11讲 在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面 界面: 固体和固体的分界面 几何表面：表面的几何分界面。 物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域 由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异 薄膜的常用厚度为几十到几百nm. 金属的表面区只有一.二个原子层； 半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层； 电介质的表面区更厚。 金属表面带正电，半导体的界面层中带负电， 由电子增多，所以半导体界面层的费米能解的 价带顶的距离增大，价带向下弯曲 正电荷面 金属一侧 半导体一侧 负电荷层（空间电荷层）， 由电离的受主构成 当ΦmΦs时，金属与p型半导体接触后，电子 从逸出功小的材料移向逸出功大的材料，即从 金属移向半导体，Egm=Egs=EF 形成双电层。 对电子形成能谷，对空穴则成为位垒。 (2) 金属与p型半导体接触 (a)接触前 金属 p 型 杂质能级 p 型 金属 (b)接触后 (c) p 型 金属 通向 (d) p 型 金属 阻向 (e) p 型 金属 图（c）：ρm=ρp’ ∴ 静电流为零 （Vm=0,Vs=0） 图（d）：Vm=0，Vs=+V，即半导体一侧接正 半导体中的电子的能位下降， 通向，正向 或半导体中的空穴的能位上升 ∵ρs’ρm 电流为 导致有较多的空穴从半导体流向金属： 图（e）：Vm=0，Vs=-V，即半导体一侧接负 半导体中的电子能为上升，或半导体中的空穴能 位下降 但： 对金属来说ρm很小. ∴ 阻向，反向 导致有空穴从金属流向半导体形成电流：ρmρs’’ 当ΦmΦs时，金属与p型半导体接触如图： (a)接触前 p 型 金属 杂质能级 ΦmΦs ΦmΦs p 型 金属 (b)接触后 接触后，电子从半导体流向金属，在半导体表面 形成空穴，在金属表面积积累电子，从而形成双电层。 对电子来说，界面处有相当大的位垒，但是对于空穴 来说，情况正好相反。因而空穴很易从空穴从半导体 流向金属，并瞬时得到中和。因为热激发，在金属导 带中形成的空穴也很易流入半导体，所以这种接触没 有整流效应，是欧姆接触 ∵ 有表面态的影响 对于金属与半导体薄膜的接触： 须进行研究 n型半导体Cds薄膜—碲，铂，金接触 整流接触 —铝，铬，铟接触 欧姆接触 (3) 表面态对接触特性的影响 接触界面的电荷分布和势垒是由金属表面态和 半导体这三个电子系统的相互平衡决定，这三个系统 美欧相互接触，如下 EF’是表面态处于电中性时的费米能级，可将它看成是填满的和空的表面能解的分界线。 金属 p 型 接触前: 各自处于电中性的情况→ Φs’：从表面态EF’到真空能解的能量 Φ0’：从表面态EF’到导带底的能量 硅，锗，砷化镓等 先讨论金属与表面态间的平衡 ∵ ΦmΦs’ ∴ 电子从金属流入半导体表面态 金属正，半导负， 相应形成点位差 （金属一边为正）。 ∵金属为正，∴费米能级下降→ 整个金属能带下降q ∵电子流进表面态 表面态的费米能级升高 间隙 在 金属 n 型 原来金属的费米能级比表面态的高（ ）， 接触后，金属的费米能级下降q，表面态的费米能 级上升 从金属费米能级到半导体导带的能量，即位垒为： 在没有表面态时，界面间距 很小，其上电位差 ∵ 在补偿 中，q 为主， 为辅。 平衡 很小可忽略在有表面态时，在 上的电位差可达 一伏特的数量级，此处电场大. 这说明金属和表面态上单位面积的电荷多再考虑与 半导体内部取得平衡由于半导体内部的Eg高于金属和表 面态的费米能级，电子将从半导体流向金属和表面态 双电层 在半导体一边形成有一定厚度的正空间电荷区， 在空间电荷区中的电位差（半导体一边为正） 使半导体内的能带连同费米能级一起下降，最后 使金属表面态，半导体三个系统的费米能级都相同。 在表面态很多，其能态密度很大的极端情况下， 不管表面态和金属交换多少电子，表面态的EF’都将 变化很小，甚至认为： 金属 n 型 为单位面积上由金属到表面态的电子数 D为表面态单位面积的态密度（单位能量） 所以，金属和表面态单位面积的电荷为 在 内的场强 （来源于电场高斯定理） 间的电位差 为： 所以在 由平衡条件： 但在一般情况下，金属的逸出功 对 （势垒高度） 是有影响的， 该式具体说明了势垒高度如何随金属逸出功 而变化的。 前面的系数是一个分数 对于n型硅：这个系数为 说明势垒高度的变化只有金属逸出功的