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1、2022/11/22,表面与界面物理,1,3.4 表面空间电荷,3.4.1 空间电荷区考虑两块半导体单晶：,2022/11/22,表面与界面物理,2,P型,型,电离受主,电离施主,空间电荷区,内建电 场,2022/11/22,表面与界面物理,3,3.4.2 表面空间电区的产生,表面空间电荷区的形成主要是在表面存在表面电场任何材料都具有屏蔽外场的特性金属：载流子浓度大，只需极薄一层载流子就可屏蔽外场半导体、绝缘体：载流子浓度小，需一定厚度层中的载流子来屏蔽电场空间电荷区产生,2022/11/22,表面与界面物理,4,假设表面有一层1015cm-2的电荷金属：电子浓度为1022cm-3，屏蔽需要1
2、0-7cm (1nm，12原子层）半导体：载流子浓度为1016cm-3，屏蔽需要10-1cm（106nm）绝缘体：载流子更少，屏蔽此电荷需要厚度更大屏蔽区的电荷就是空间电荷,2022/11/22,表面与界面物理,5,常用Debye长度LD表示空间电荷区的大小的单位,2022/11/22,表面与界面物理,6,3.4.3 形成表面电场的因素,1. 表面态的影响 由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场(EF)s为表面费米能级，体费米为EF 通常两者不等，(EF)s EF表面与体内发生电子（空穴）交换，产生空间电荷区,2022/11/22,表面与界面物理,7,如果(EF)s E
3、F,Ec,Ev,EF,(EF)s,+,电场由体内向表面,2022/11/22,表面与界面物理,8,2功函数的差异,Eo,Ec,Ev,(EF)s,Ws,Wm,金(M),半(S),WSWM， (EF)S(EF)M,+,形成由金半的电场,(EF)m,2022/11/22,表面与界面物理,9,如果WS(EF)M半导体中的电子向金属流动，形成由半金的电场,3氧化层中的杂质离子,S,+,+,O,M,4外加偏压,2022/11/22,表面与界面物理,10,3.4.3 表面能带的弯曲,1. 表面电势,+,-,M,S,空间电荷区,2022/11/22,表面与界面物理,11,表面与体内的电势差为表面（电）势，用V
4、S表示 规定：表面电势比内部高时，VS0反之，表面电势比内部低时，VS0,2022/11/22,表面与界面物理,12,电场由表面指向体内，VS0,电场由体内指向表面，VS0,Vs,2022/11/22,表面与界面物理,13,2. 能带弯曲,能带表示电子的能量状态的，电子能量越高，在能带上就是越靠上有表面势存在时，空间电荷区内的电子受到一个附加电势的作用，电子的能量变为： EC=ECqVS EV=EvqVS 这样表面区的能带就要发生弯曲,2022/11/22,表面与界面物理,14,VG0，VS0时，电子的能量为eVS为负值，空间电荷区的能带从体内到表面向下弯曲, 形成表面势阱,2022/11/2
5、2,表面与界面物理,15,VG0，VS0时，取正号，空间电荷区的能带从体内到表面向上弯曲表面电子能量比体内高是一个势垒,2022/11/22,表面与界面物理,16,3.4.5 表面区载流子浓度,体内：EC，Ev 空间电荷区 ：,2022/11/22,表面与界面物理,17,V(x)0，能带向下弯,V(x)0,空穴的势垒,电子的势阱,2022/11/22,表面与界面物理,18,V(x)0，,V(x)0,电子的势垒,空穴的势阱,2022/11/22,表面与界面物理,19,X=0 V(x)=Vs,2022/11/22,表面与界面物理,20,3.4.6表面空间电荷区的四种基本状态,1. VG0对于金属-
6、半导体系统，金属接负，半导体接正,VS为负，能带上弯, ,P型半导体,2022/11/22,表面与界面物理,21,0,这种多子浓度高于体内平衡浓度的表面层叫多子堆积层，称此时的表面空间电荷层处于多子堆积状态,2022/11/22,表面与界面物理,22,2. VG=0，VS=0能带是平坦的,Ec,Ev,表面区电荷为0，称这种状态为平带状态,2022/11/22,表面与界面物理,23,3. VS0金属接正，半导体接负,Ec,Ev,EF,Ei,qVs,qVB,VB是体内势 ：,2022/11/22,表面与界面物理,24,s(po)p，空间电荷区的负电荷绝大部分为过剩的电离的受主,M,+,S,电离的受
7、主,这种状态称为耗尽状态，空间电荷区为耗尽层,2022/11/22,表面与界面物理,25,4. VS0,N,P,-,电子,2022/11/22,表面与界面物理,26,称这个状态为反型状态,弱反型：psns(po)p,强反型：ns(po)p VS2VB,电子,电离受主,2022/11/22,表面与界面物理,27,VG变化VS变化能带弯曲电荷分布变化 VG0 VG0多子堆积 平带 多子耗尽 反型少子堆积,2022/11/22,表面与界面物理,28,多子堆积,平带,耗尽,耗尽层最大,2022/11/22,表面与界面物理,29,反型,2022/11/22,表面与界面物理,30,N型半导体表面空间电荷区
8、的四种基本状态：VG0，金属接正，半导体接负 Vs0，能带下弯，多子堆积；VG=0，平带状态 VG0，金属接负，半导体接正 Vs0，能带上弯，多子耗尽；VG0， 反型层,2022/11/22,表面与界面物理,31,3.4.7 表面空间电荷区的电场、电势和电荷的分布,1. Poisson方程只考虑一维情况，取x轴垂直于表面指向半导体内部，并规定表面处为x轴原点,2022/11/22,表面与界面物理,32,r(x)为总的空间电荷密度设表面空间电荷层中电离杂质浓度与体内相同在半导体内部：,2022/11/22,表面与界面物理,33,积分并考虑到：得到： V0，取“+”；V0，取“”。,2022/11
9、/22,表面与界面物理,34,其中：,德拜长度,F函数,2022/11/22,表面与界面物理,35,在表面处：V=Vs，,表面处电场强度：,由高斯定理，表面的电荷面密度Qs为：,2022/11/22,表面与界面物理,36,多子堆积状态（VG0),P型：,Vs0，当VG的绝对值足够大时：,2.各种表面层状态的定量分析,2022/11/22,表面与界面物理,37,表面势越负，能带在表面处向上弯曲得越厉害，表面层的空穴浓度急剧增加。,2022/11/22,表面与界面物理,38,平带状态（VG=0),2022/11/22,表面与界面物理,39,耗尽状态（VG0),Qs为负，表示空间电荷由电离的受主杂质
10、形成的负电荷,2022/11/22,表面与界面物理,40,弱反型：psns(po)p,强反型：ns(po)p,电子,电离受主,反型状态（VG0),2022/11/22,表面与界面物理,41,出现强反型的临界条件，ns=(po)p,2022/11/22,表面与界面物理,42,（NA为受主浓度）,2022/11/22,表面与界面物理,43,衬底杂质浓度越高，Vs越大，越不易达到强反型。,2022/11/22,表面与界面物理,44,强反型时：Vs=2VB,2022/11/22,表面与界面物理,45,2022/11/22,表面与界面物理,46,临界强反型时：,2022/11/22,表面与界面物理,47,当Vs2VB时：,2022/11/22,表面与界面物理,48,注意：,一旦出现强反型，表面耗尽层的宽度达到一个极大值：,
