表面化学物理2-1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,思考题：,1.,什么是偶电层，它对固体表面的电学和化,学性质有何影响。,2.,什么是空间电荷层，指出,偶电层与空间电荷层,的区别。,3.,什么是耗尽层？什麽是累积层？什麽是,反型层？说明它们的形成原因及对固体表面的,影响,(,侧重电学性质,),。,1/31/2026,1,1/31/2026,2,1/31/2026,3,第二章 空间电荷效应,1/31/2026,4,1.,偶电层,偶电层的定义：,是指一个有一定厚度的电荷不均匀区，在此区域内厚,度方向上电荷密度有相当大的变化。,偶电层的形成：,两相接触到一定的距离内，只要两相的,Fermi,能级,(,或,化学势,),不同，就能形成偶电层。,1/31/2026,5,在表面，双电层的发展情况强烈地影响固体的性能，包括其电学及化学性质。半导体及绝缘体的电学性质在许多方面为双电层所支配。,例如,:,双电层的形成表示将电荷注入半导体能带或从中抽出,.,两种固体材料的存在功函差,半导体的光电响应。双电层对光生电子空穴的分离、扩,散有影响，表面处的偶电层对复合率有决定性的作用。,固体表面的化学性质也取决于表面双电层。,1/31/2026,6,形成偶电层的各种形式：,金属金属,金属气体,金属液体,金属半导体、绝缘体,半导体、绝缘体气体,半导体、绝缘体液体,半导体、绝缘体半导体,1/31/2026,7,图,2.1,双电层,(a),原子模型,(b),能带模型,(c),电势变化。,平行板模型,空间电荷模型,(a),原子模型,1/31/2026,8,处理偶电层中电荷分布的数学模型：,研究偶电层主要是研究偶电层中的电位分布，如果表面,电荷在二维表面上是均匀的话，那么电位分布就是一维,的问题。,对于一维的问题，,决定电荷和空间电位之间的关系,是：,Poisson,方程,Gauss,公式,1/31/2026,9,Poisson,方程：,f,:,电位；,X,：,表面的距离；,r,：,体电荷密度,(,C/m,3,),；,e,：,材料的介电常数；,e,0,：,真空介电常数,1/31/2026,10,Gauss,公式：,Q,：,表面净电荷密度,1/31/2026,11,r,：体电荷密度,(C/m3),Q,：,表面净电荷密度,这里提出这样的问题：,什么时候使用,Poisson,方程,什么时候使用,Gauss,公式,1/31/2026,12,对于氧在半导体上的吸附所形成,的偶电层具有,空间电荷区,“,带弯,”,的概念，用,V,来表示,V,f,b,-,f,(2.5),注意：,1/31/2026,13,Vs:,表面带弯,根据,Gauss,公式：,1/31/2026,14,Vs,是表面带弯,Vs,f,b,-f,0,1/31/2026,15,处理偶电层中的的电位分布实例：,金属,气 或 金属,液,2.,半导体或绝缘体,气,1/31/2026,16,2.1.1,金属,气 或 金属,液,可以看成带电的平板电容器由于两层电荷之间的电荷密度为零,这种情况下，使用,Poisson,方程很易求解,1/31/2026,17,求解这种情况的,Poisson,方程,0,0,0,将（,2.1,）式积分两次,得,1,2,(2.3),1,2,为积分常数，其值由具体的物理条件来定，,由于电位是个相对值，可令,s,(,0),0,(,0,),1/31/2026,18,1,2,(2.3),s (,0),0,(,0,),1/31/2026,19,仅对,平板电容结构的偶电层,1/31/2026,20,1/31/2026,21,举个数字例子，在一个典型的结晶面上，（假设每个原,子带一个电荷）原子密度为,210,19,/m,2,;,=1;,=8.8510,-12,c,2,N,-1,m,-2,=8.8510,-12,F/m,Q =N,g,=210,19,/m,2,1.60210,-19,c,；,如果,0,=1 =3.6V x=0,实际中并没有发现这么大的跨压，主要是假定的条件不合理，即不能表面上每个都产生一个电荷,1/31/2026,22,2.1.2,半导体,气体，离子性吸附所生成的偶电层,V,f,b,-,f,定义,:V,是带弯,Vs,是表面带弯,f,空间电荷区任意一点的电位,*注意偶电层与空间电荷层的区别,对于有空间电荷的偶电层，需要采用,Schottky,模型：,.,近表面空间电荷不能移动,.,在整个空间电荷区电荷是均匀的,.,少数载流子忽略不计,.,多数载流子被表面能级捕获,1/31/2026,23,晶体的单位体积中有,N,D,个施主原子和,N,A,个受主原子，,并,且全部电离,.,导带的体相电子密度为,n,b,，,价带的体相空穴密度为,p,b,。,由电中性条件得到体相材料中,1/31/2026,24,例如，对于,n,型半导体,(,p,b,0),，,施主中的,N,A,个电子被受主所俘获，在体内的导带中留下的电子密度为,n,b,N,D,一,N,A,.,这些电子被俘获在表面位置上，在空间电荷区的单位体积中留下的电荷为,e(N,D,一,N,A,),。,X X,0,r=0,x,0,1/31/2026,25,代入,Poisson,方程，,积分后,这里已经用了边界条件，即在,x,x,0,处，,b,x,x,0,处，,d,/,dx,=0,。,利用,Vs,f,b,-f,s,1/31/2026,26,1/31/2026,27,1/31/2026,28,典型高掺杂半导体的例子,取,Vs,的量级为,1,伏特,介电常数为,8,N,D,N,A,=10,20,m,-3,或,10,25,m,-3,Ns,的值各为,310,14,m,-2,或,10,17,m,-2,。,这分别相当于,1.510,-5,或,510,-3,个单层。显然，如果不导致很高双电层电势的话，就只能容纳小的表面电荷。,Weisz,首先指出这是表面覆盖度的极限。由于,Ns,随杂质浓度的平方根变化，无论样品的掺杂有多高，当有耗尽层存在时，平衡离子吸附仅限于约,10,-3,10,-2,个单层。,1/31/2026,29,少数载流子和多数载流子的概念,N,D,+,p,b,=N,A,+,n,b,(2.4),N,D,、,N,A,：,单位体积内的受主、施主数目,p,b,、,n,b,：,载流子空穴、电子的密度,半导体空间电荷层的三种形式,倒空层,聚集层,反型层,单位体积内的受主施主数目,1/31/2026,30,2.1.3,能带中的双电层，钉住的,Fermi,能级,(a),固体中的电势作为不变的参考电势；,(b),真空中电子的电势作为不变的参考电势,图,2.2,半导体空间电荷区形成的能带模型,1/31/2026,31,1.,倒空层,.,倒空层,(,耗尽层,),的概念,.,空间电荷层厚度,.Fermi,能级“钉住”,.,表面势垒高度与,Eto,和,Et,之差的关系,1/31/2026,32,2.,聚集层,.,聚集层,(,累积层,),概念,.,空间电荷层厚度,.,聚集层厚度,.,表面势垒高度,.,定域空间电荷的变化和注入导带上的自由电子,1/31/2026,33,3.,反型层,.,反型层概念,.,空间电荷层厚度,.,反型层厚度,.,表面势垒高度,.,定域空间电荷的变化和注入导带上的自由电子,1/31/2026,34,