《薄膜材料物理-第四章薄膜的表面和界面.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《薄膜材料物理-第四章薄膜的表面和界面.ppt（37页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第四章 薄膜的表面和界面(续)第10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。,43 电接触,4.3.1 逸出功和接触电势差 认为表面电势近似为突变如图图中：E0：表示真空中静止电子的能级,Ec：导带底 Ev：价带顶 Ec即是晶体中自由电子所具有的最低能级，它相当于晶体中静止的自由电子的能量.W：真空能级与导带底能级
2、之差，即将晶体中静止电子移至晶体处真空中所需要的能量电子亲和能 逸出功:是将电子从费米能级EF移至真空中所需要的最小能量，若以Ec为参数能级,则 EF 费米能级是系统的化学势能，即是系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化。,接触电势差是逸出功不同的两个物体接触以后，由于电子从逸出功小的物体流向逸出功较大的物体，最后达到平衡状态，两物体的费米能级相同。结果前者带正电，电势降低；后者带负电，电势升高；在两者之间产生了电势差接触电势差,式中V1和V2分别为物体1和2的逸出电势,4.3.2 金属与金属的接触 例如Ag(银)和铜接触，逸出功不同 从能量观点来看，电子将从逸出功较小的金属向另一金属流动，
3、直到最高能量的电子在这两种金属中占有相同的能级。,两金属自由电子浓度不同也要引起电势差，因为浓度大的要向浓度小的一方扩散，从而前者带正电，后者带负电。有自由电子论知，其静电电势差为：,所以，两个金属的接触电势差为：,上述是在理想接触情况下的结果事实上，接触有三种如下：,a.紧密接触,式中为金属的电阻率，Q为凸点的半径若有n个接触点，则总电阻为：,设间隙的宽度为d假设金属中的一个电子到x处，,当xd-x时，电子受到金属的吸引力为：（忽略多级镜像力）,因此，电子离开金属1后，反抗吸引力f多作用的功为：,当dx,x时，,显然：,为金属1的逸出功,若在外加电场E作用下如图,则电子所受电场力为-qE,势
4、能为-qEx.所以，电子由金属12所需要的功为：,同样分析，电子由金属21所需的功为：,根据肖特基发射理论，,总电流密度：,在强电场下，qEdkT，则有：,式中：,由此可得出间隙的电导率和电阻率分别为：,三种接触电阻是并联的，并且R1R2R3,4.3.3 半导体与半导体接触,半导体导电类型 电子导电n型半导体 空穴导电p型半导体,同质接触Pn结异质接触,依结的宽度可分为：实变型结：结宽仅有几个原子长度的范围内 缓变型结：结宽在几个扩散长度范围内 单边实变结：过渡在一种半导体中只有几个原子长度，而在另一种半导体中却为几个扩散长度同质方法P型半导体和N型半导体接触,这时，空间电荷层具有一定的厚度，
5、其厚度与接触类型和材料而异，通常是微米数量级。两边存在电位差，其中电荷分布与电位关系服从泊松方程，由,在反向连接情况下，耗尽层（空间电荷层）加宽，几乎没有多数载流子电流。但是，这时对于P型半导体中少数载流子空穴来说却是正向连接，形成少数载流子的电流（A数量级）饱和电流,在正向连接情况下，耗尽层变窄，多数载流子形成大电流（mA数量级）。这时，外加电流与自建电场方向相反，所以多数载流子的飘移电流减小，而扩散电流不变，因而流经p-n结的净电流是扩散电流。,下面建立流过p-n结的电流密度（正向连接）公式：,电子处于能量为E的状态几率为：,在p-n结的n型材料一边，导带中的电子数：,若在P型半导体上加以
6、正电压V，则其费米能级下降qV。在这种情况下，虽然 不变，,但是，在n型半导体一边具有能量为,的电子数nn不再是平衡状态下的nn，而是,和,因此，在界面两边产生电子密度差（nn-np）,电子从n型区向p型区扩散，从而产生从p型区向n型区的扩散电流，其电流密度为：,与此类似有：,式中：0是电子从n区到p区（或者空穴要从p区到n区）需要越过的一个势垒高度，这个势垒就是p-n结空间电荷区所形成的电势差Vd与电子电荷的乘积，而Vd称为p-n结的接触电势差，其值为：,式中：ND和NA分别为n区和p区的净杂质浓度 ni：为半导体的本证载流子浓度接触电势差Vd的大小由下述三方面决定：,薄膜p-n结二极管窄二
7、极管，p,n区很薄，其厚度远小于少数载流子的扩散度，这表示在p-n结两边，在结与欧姆接触（电极的）之间不发生电子与空穴的复合。,（2）异质结以n-n型同型异质结为例假设两种n型半导体的逸出功分别为1和2，亲和能分别为x1和x2，且12 和x1x2，如图,因为左边半导体的逸出功较小，所以接触以后，电子从左边流向右边，结果左边半导体的费米能级EF逐渐降低，右边半导体的费米能级逐渐升高，直到达到平衡，使通过结的费米能级相同为止。电子从左边流走以后，留下电离的施主，形成一个耗尽层，而在结的右边形成自由电子的积累层,双电层，位垒。,多数载流子）而类似一个导体，所以它不能支撑电场。因而没有电位差，电位差全
8、部降落在左边的耗尽层上。,为保持结的两侧费米能级相同，在界面左侧的耗尽层中导带必须上弯。因为两侧的费米能级要达到相同，结两边的费米能级必须相对移动2-1，由此，得到左边位垒为2-1，即右边位垒为（2-1）+（1-x1）-(2-x2)=x2-x1,如图:热激发：电子从左右，右左，两个方向电流相等，总电流为零。外加电压：右边的自由电子因为深度较高，因而具有类金属性质，电压全部加在左边 若左边接负位垒变小，从右左 电流大正向 若左边接正位垒变宽，从左右 电流小反向 这种n-n型异质结具有二极管的性质,4.3.4 金属与半导体接触,金属与n型半导体接触：当ms时，形成整流接触 当ms时，形成欧姆接触
9、在接触处形成结电容（阻挡层电容）是整流接触的特有情况，因为在这种接触的界面区，在半导体一边形成空间电荷层，该层形成结电容,金属与n型半导体接触 当ms时，接触后，半导体界面层中的电子流向金属，该层中留下带正电的施主；,半导体导带上弯,n型,金属,金属内电子很多，尽管半导体中的电子流向了金属，但这点电子数对金属来说增加不显然，如同大杯水中增加一两滴水一样。因此，金属一侧没有空间电荷层，即没有电位差。全部电位变化都发生在半导体的界面层中，并具有整流性。,通向,且（ns-nm）0 半导体中电子流向金属，或者说从金属到半导体的静电流密度为：,(c)半导体上加正电压(+V),半导体中电子的能 位下降且（
10、nm-ns）0,金属中电子流向半导体，或者说从半导体到金属的静电流密度为：,并且：VnsJms,由此可见：当ms时，金属与n型半导体具有整流特性,正向：金属接正，半导体接负，导通反向：金属接负，半导体接正，不导通,当ms时,接触后，自由电子从金属移向半导体，直到两者的费米能级相同为止。因为移入的电子在能量上尚达不到半导体的导带，所以不能形成负的空间电荷，而只构成半导体的表面电荷，结果在界面处形成很薄的双电层，半导体的导带不变，其界面区具有类金属的性质。在界面处没有位垒，而是形成了一个位谷。电子可以经过界面自由移动，成为欧姆接触。在外加电压时，电压全部降落在半导体内部，在相反两个方向上都是增大电流。,
