2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体表面及同质、异质接触

半导体表面及同质、异质接触 Semiconductor Physics *表面态及表面电场效应 *半导体同质接触-PN结 *MIS结构及电容-电压特性(C-V) *金半接触及电流整流特性(I-V) (课时少，但非常重要和有用，建议加强课后自学） 表面态与表面电场效应 By increasing miniaturization in semiconductor-device technology, the interface itself is the device! Kroemer, the 2000 Nobel winner of physics 1928年出生于德国.1952年获得德国哥廷根大 学理论物理学博士学位.他的博士论文的题目 是在晶体管中热电子的效应,这成为他从事半 导体物理和半导体设备研究职业生涯的开端. 现为加州圣巴巴拉加州大学的物理学教授。 达姆在1932年用量子力学严格证明，晶体的自由表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，电子被局域在表面附近，这种电子状态称为表面态，所对应的能级为表面能级。每个表面原子对应一个能级，组成表面能带 从化学键方面分析，在晶体最外层的原子存在未 配对的电子，即未饱和的键－－悬挂键，与之对 应的电子能态就是表面态。 1、未饱和的键－－悬挂键dangling band “理想表面”就是指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。 但在实际中，理想表面是不存在的，即使在绝对清洁的半导体表面，由于表面对称性破坏，原子所受的势场作用完全不同于体内，实验中观测到原子发生再构现象，以达到能量的最小化。 例如，对硅(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。 硅表面7× 7重构的原子照片 由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。如n型硅的清洁表面带负电。 如下图所示： Si Si Si Si Si Si 硅表面悬挂键示意图 表面悬挂键 1015cm-2 从硅表面态的实验测量中，证实其表面能级由两组组成： 一组为施主能级，靠近价带； 另一组为受主能级，靠近导带。 除了上述表面态外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。 2、表面缺陷和吸附原子 目前，对硅表面态的研究比较多，表面态在禁带 的分布有一定的了解，但对具体的工艺重复性比 较差，最急待研究的是Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体的 表面态情况，对微电子的发展具有重要意义。 这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法有关；而达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值大约为1015cm-2(每个表面原子对应禁带中的一个能级)，实际上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010～1015cm-2 。 表面态对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。 3、表面态的影响 表 面 电 场 效 应 在外加电场作用下，在半导体的表面层内发生的 物理现象，主要载流子的输运性质的改变。 可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电 场，如：功函数不同的金属和半导体接触（金/ 半接触）、使半导体表面吸附某种带电的离子、金属/绝缘体/半导体(MIS)结构等。 3、第一个实际的半导体器件就是点接触整流性 的金半接触，就是将细须状金属压在半导体表面 。从1904年起，该器件有许多不同的应用。 1938年，Schottky提出其整流作用，可能由半导体中稳定的空间电荷区所产生的电势能差引起的，由此所建立的模型称肖特基势垒（Schottky barrier). 4、两个要点： ①功函数和禁带宽度的不同金属/半导体接触能带图的变化； ②肖特基接触的整流特性即电流－电压I-V特性。 金属和半导体的功函数Wm 、Ws 1、金属的功函数Wm 表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。 E0 (EF)m Wm E0为真空中静止电子的能量，又称为真空能级。 金属铯Cs的功函数最低1.93eV，Pt最高为5.36eV $