第二章 固体材料表面及界面电子过程.ppt

* 气敏机理模型示意图 吸附气体产生新能级模型 * (a) 晶界势垒及空间电荷 ?晶界处集聚有杂质、缺陷和偏析相。 离子（陶瓷）在晶界上的凝集， 则会引起晶界带电。 ?阳离子空位形成数阴离子空位形成数，即晶界上正电荷累积。界面附近晶粒内部则通过空间电荷层将累积电荷抵消了。 ?晶界带电和空间电荷层的形成，引起晶界附近能带弯曲。 ?在氧化物中杂质浓度远大于平衡时的空位，晶界电荷主要由杂质控制。 3.6 晶界势垒及其电荷区 * * ?设界面态密度为Ns(个/cm2)，在耗尽层近似条件下，界面态Ns和施主浓度Nd应满足以下关系Ns= 2Nd?d 故晶界势垒高度φB为 φB=q2Ns/d * 作业： 1 什么是p-n结？ 2 简述p-n结电容特性 4 什么是功函数？什么是表面态？什么是表面势垒？ 5 简述MIS结构及其特性 6. 什么是晶界效应，基于晶界效应的常用器件特征 夜视仪；单反相机原理 * 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。 (c)紧密接触 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 ＝Vms＋Vs Vm金属的电势；V?s半导体电势；Vms:接触电势；Vs:表面电势 * 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。 d）忽略间隙 3)金属一边的势垒高度： q ns=qVD+En=-qVs+En=Wm-Ws+En=Wm- 2)半导体一边的势垒高度为 qVD=-qVs=Wm-Ws * 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； Vs?0,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。 * n型Ge、Si，GaAs的 测量值(300K) * 3.3 表面势与表面态 * * * 其中?v(r)为体内价电子电荷密度，a为常数。? 在定性地讨论Vzc(r)的特征时，其表达式可表示为： Vzc(r): 价电子间的交换和相关势 * 2 * * (3)表面态类型 * (4) * ?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。 ?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； (5) 金属材料：自由载流子密度很大，表面形成极薄层(?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: * (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。 * * (7) * * * (8)氧化物-半导体界面态 ?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。 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 。 氧化物-半导体界面电子态(Si-SiO2) * 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 * 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