文档介绍：第七章
半导体表面与MIS结构
Semiconductor surface and MIS structure
Semiconductor Physics
主要内容及要求(10课时):
*了解表面态的概念和来源;
*理解并掌握热平衡下理想MIS结构中半导体的表
面电场效应,包括表面势、表面空间电荷区的电
场、电势和电容;
*理解并掌握理想的MIS结构的电容和电压特性,
并了解金属和半导体的功函数差、绝缘层的电荷
对MIS结构的电容--电压特性的影响;
*了解Si--SiO2系统的性质;
*定性掌握表面电导和迁移率。
§ 7·1 表面态
By increasing miniaturization in semiconductor-device technology, the interface itself is the device!
Kroemer, the 2000 Nobel
winner of physics

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。
a
X
V(x)
V0
E
0
一维晶体的势能函数
求解薛定谔方程:
在x=0处满足的
连续性条件
固体表面态的量子力学解释:
x≤0区的电子波函数为:
x≥0区的电子波函数为:
在x=0的两边,波函数是按指数关系衰减,这
表明电子的分布概率主要集中在x=0处,电子
被局域在表面附近。
WHAT?
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。