9-第九讲--薄膜材料物理--第四章薄膜的表面和界面+.pptVIP

第9讲 第四章 薄膜的表面和界面 第四章 薄膜的表面和界面 第9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。 §4.1 表面双电层的表面势 (1)金属表面的双电层和表面势 晶体中原子排列的三维周期性在表面处突然中断， 表面层中的原子可能发生 重新排列→能量↓（表面能） 金属中自由电子密度很高→屏蔽→金属表面处的电势 分布近于一个单原子层如图。 （∵电子的逸出功下降） 钨表面吸附氧原子，表面电势升高 钨表面吸附铯原子，表面电势降低——光电阴极材料 表面原子位能高，表面活性较大，易吸收外来原子，从而改变表面势能.影响电子的逸出功 . 能量 真空能级 距离 内部原子 表面原子 晶体表面势能 硅晶格在表面处突然终止，表面处硅原子有一个 未成键的电子,即有一个未被饱和的建—称为悬挂键 电子在悬挂键上的能态——表面态，处在禁带中， 起电子陷阱作用. (2)半导体表面的双电层和表面势 体内电子被表面态捕获而在体内产生空穴，而 表面原子得到一个稳定的八电子壳层带有负电荷， 它与体内空穴形成双电层. 若表面态能级在导带底附近→施主型 若表面态能级在价带顶附近→受主型 表面态使表面层带有过剩电荷，因而在表面层下 产生异种电荷的聚集层，耗尽层，反型空间电荷层， 例如： ①表面层带有正过剩电荷 电子聚集在空间电荷层 →导电好→形成聚集层 →导电更好（表面处） 内部 n型 表面层(空间电荷区) 表面正过剩电荷固定不动 聚集层 ②表面层带有负过剩电荷 电子向体内流动 →形成耗尽层（电子） →表面处比内部更不易导电. 内部 n型 表面层(空间电荷区) 表面负过剩电荷固定不动 耗尽层 ③表面层带很多负过剩电荷 n型中的少数载流子空穴 聚集在空间电荷层 →形成反型层 内部 n型 表面层(空间电荷区) 表面很多负过剩电荷固定不动 耗尽层 半导体空间电荷层厚102-103nm 金属空间电荷层厚零点几nm. 其因：半导体内自由载流子少，为聚集足够多 的电荷，以平衡表面层中的被陷过剩电荷， 在半导体中需要较厚的空间电荷层。 （3）介质表面的双电层和表面势 与半导体类似，但空间电荷层有厚，说明如下: 设表面态在介质的禁带中均匀分布，其密度 （单位面积单位能量）为Ns。热平衡表面态的费米 能级与体内一致，所以电子从导带填充到表面态上 表面态 表面和内部在平衡之前 EF n型 平衡后 电子从导带填充到表面态，知道表面态的最高填充 能级与体内费米级一致为止，但是在绝缘介质中， 导带上电子极少，所以d0很大。 （4）表面态分布 历史：达姆：电势在表面中断表面电子波函数 →薛定谔方程→允许能级 结果：这个允许能级在禁带中——达姆能级 位能 x 表面 位能 x 表面 EC EV 达姆能级 肖克莱：位能（表面）取如下： 位能 表面 位能 表面 EC Eｖ 量子力学 微扰 电子陷阱表面态能级 空穴陷阱表面态能级 一般来说： ①表面态处在禁带中，并且其最大态密度 靠近导带底和价带项.表面态是电子陷阱，表面态 能级靠近导带；表面态是空穴陷阱，表面态能靠 近价带. ②表面态的能级密度与表面的原子密度同数 量级. ③浅态→快态：交流电子快（介质与半导体） 深态→慢态：交流电子慢（金属与介质） §4—2 表面电场效应 采用加电感应的方法，使半导体表面感应出积累层，耗尽层，和反型层。在MIS结构上加电压可实现. MIS结构可视一个电容器，加电压充电。两端电 荷异号金属中，自由电子密度高，电荷仅在一个原 子层内. 半导体，自由载流子密度很低，电荷分布一 定厚度内→空间电荷层→电场减弱→电势变化 →半导体表面的电势为表面势Vs （1）多数载流子的积累 靠近表面处能带向上弯曲，形成电子的能量位垒。 但对空穴来说，则是能谷既是负的表面电势把空穴 （多数载流子）吸引到半导体表面区，形成带正电 的积累层。 对于P型半导体 欧姆接触 介质Ｉ 半导体Ｓ 金属Ｍ Ｍ Ｉ Ｓ ＥＣ ＥＶ ＥＦ Ｅｉ 导体 介质 半导体