2024年4月13日发(作者：乌雅玟丽)
第八章 半导体表面
§8-1 表面态与表面空间电荷区
1. 表面态：在半导体表面，晶体的周期性遭破坏，在禁带中形成局域状态
的能级分布，这些状态称为表面态；当半导体表面与其周围媒质接触时，会吸附
和沾污其他杂质，也可形成表面态；另外,表面上的化学反应形成氧化层等也是
表面态的形成原因。
2．施主表面态、受主表面态和复合中心表面态：当表面态起施主作用时称
施主表面态，起受主作用时称受主表面态，起复合中心作用时则称复合中心表面
态。
3．表面电荷和表面空间电荷区：半导体表面具有的施主态，可能是中性的，
也可能向导带提供电子后成为正电荷，此时半导体表面也带正电荷。反之，如果
表面态为受主态时，半导体表面则可能带负电荷。这些电荷称表面电荷，一般用
Q
ss
表示。表面电荷Q
ss
与表面态密度N
s
及表面态能级E
s
上的电子分布函数有关。
在热平衡条件下，半导体整体是电中性的。表面电荷Q
ss
的存在使表面附近形成
电场，从而导致表面附近的可动电荷重新分布，形成空间电荷Q
sp
，其数量与表
面电荷相等，但带电符号相反，即有Q
sp
=-Q
ss
，以保持电中性条件。表面空间电
荷存在的区域称表面空间电荷区。在半导体中，由于自由载流子的密度较小（和
金属比），因此空间电荷区的宽度一般较大。如：对表面能级密度为10
11
cm
-2
，
载流子密度为10
15
cm
-3
的Ge，其空间电荷区的宽度约为10
-4
cm。而对本征Ge，
n
i
约为10
13
cm
-3
，其空间电荷区的宽度可达0.1cm。半导体表面空间电荷区的存
在，将使表面层的能带发生弯曲。
下面以具有受主型表面态能级E
as
的n型半导体为例，分析表面空间电荷区
的形成。如图8.1a所示，当电子占据受主型表面能级时，半导体表面产生负表
面电荷，而在表面附近由于缺少电子而产生正表面空间电荷，从而在空间电荷区
产生指向半导体表面的电场，引起表面区附近的能带向上弯曲。如果用eV
s
表示
表面区能带弯曲量，则V
s
为表面势。在这种半导体的表面层中，依据导带底与
费米能级之间距的不同，可能产生耗尽层和反型层。反型层的形成与样品的掺杂
浓度有关。
在n型半导体表面若有施主型表面态E
ds
，半导体表面层的能带将下弯，从
而形成积累层。对于p型半导体，如果存在受主型表面态，则表面层的能带将上
弯，形成积累层，若存在施主型表面态，则表面层的能带将下弯，形成耗尽层，
甚至反型层。
§8-2 空间电荷区的理论分析
84
由于半导体表面层中的能带发生弯曲，该区中的载流子密度将随坐标变化，
如图8-1b﹑c所示。为了给出其函数关系，应解泊松方程。在第七章讨论金半接
触时曾针对耗尽层情况给出过一种近似解，当时忽略了少子的影响。这种近似称
肖特基耗尽层近似，得到的结果为电势与坐标的平方成正比。肖特基近似不适合
描述具有积累层和反型层的情况。对这样的情况，必须解可动载流子空间电荷密
度不可忽略的泊松方程。
为分析方便，首先假定E
i
为本征半导体的费米能级，并认为E
i
位于禁带中
心，用Φ表示由如下公式决定的静电势
e
E
f
E
i
（以E
f
为能量零点） （8-1）
Φ
B
表示半导体体内的静电势，Φ
s
表示半导体表面的静电势。空间电荷区任一点
的电势则为
V(x)
(x)
B
（8-2）
表面势则为
V
s
s
B
（8-3）
空间电荷区中的电子和空穴密度可通过V和Φ表示为
nn
0
exp(eV/K
0
T)n
i
exp(e
B
/K
0
T)exp[e(
B
)/K
0
T]
n
i
exp(e
/K
0
T)
(8-4)
pp
0
exp(eV/K
0
T)n
i
exp(e
B
/K
0
T)exp[e(
B
)/K
0
T]
n
i
exp(e
/K
0
T)
(8-5)
半导体表面电子和空穴密度为
n
s
n
0
expeV(
s
/K
0
T)n
i
expe
(
s
/K
0
T)
和
p
s
p
0
exp
(eV
s
/K
0
T)n
i
exp(e
s
/K
0
T)
（8-6）
从（8-4）--（8-6）式不难看出，当能带上弯时，V
s
<0，而下弯时则V
s
>0。如果
体内的Φ
B
和表面的Φs具有相同的符号，则表面层为多子的积累层或耗尽层。
对n型半导体，当Φ
B
<Φ
s
时，是积累层，当Φ
B
〉Φ
s
时，为耗尽层。如果二者
具有不同符号，则表面层为反型层，见图8-2。
85
2024年4月13日发(作者：乌雅玟丽)
第八章 半导体表面
§8-1 表面态与表面空间电荷区
1. 表面态：在半导体表面，晶体的周期性遭破坏，在禁带中形成局域状态
的能级分布，这些状态称为表面态；当半导体表面与其周围媒质接触时，会吸附
和沾污其他杂质，也可形成表面态；另外,表面上的化学反应形成氧化层等也是
表面态的形成原因。
2．施主表面态、受主表面态和复合中心表面态：当表面态起施主作用时称
施主表面态，起受主作用时称受主表面态，起复合中心作用时则称复合中心表面
态。
3．表面电荷和表面空间电荷区：半导体表面具有的施主态，可能是中性的，
也可能向导带提供电子后成为正电荷，此时半导体表面也带正电荷。反之，如果
表面态为受主态时，半导体表面则可能带负电荷。这些电荷称表面电荷，一般用
Q
ss
表示。表面电荷Q
ss
与表面态密度N
s
及表面态能级E
s
上的电子分布函数有关。
在热平衡条件下，半导体整体是电中性的。表面电荷Q
ss
的存在使表面附近形成
电场，从而导致表面附近的可动电荷重新分布，形成空间电荷Q
sp
，其数量与表
面电荷相等，但带电符号相反，即有Q
sp
=-Q
ss
，以保持电中性条件。表面空间电
荷存在的区域称表面空间电荷区。在半导体中，由于自由载流子的密度较小（和
金属比），因此空间电荷区的宽度一般较大。如：对表面能级密度为10
11
cm
-2
，
载流子密度为10
15
cm
-3
的Ge，其空间电荷区的宽度约为10
-4
cm。而对本征Ge，
n
i
约为10
13
cm
-3
，其空间电荷区的宽度可达0.1cm。半导体表面空间电荷区的存
在，将使表面层的能带发生弯曲。
下面以具有受主型表面态能级E
as
的n型半导体为例，分析表面空间电荷区
的形成。如图8.1a所示，当电子占据受主型表面能级时，半导体表面产生负表
面电荷，而在表面附近由于缺少电子而产生正表面空间电荷，从而在空间电荷区
产生指向半导体表面的电场，引起表面区附近的能带向上弯曲。如果用eV
s
表示
表面区能带弯曲量，则V
s
为表面势。在这种半导体的表面层中，依据导带底与
费米能级之间距的不同，可能产生耗尽层和反型层。反型层的形成与样品的掺杂
浓度有关。
在n型半导体表面若有施主型表面态E
ds
，半导体表面层的能带将下弯，从
而形成积累层。对于p型半导体，如果存在受主型表面态，则表面层的能带将上
弯，形成积累层，若存在施主型表面态，则表面层的能带将下弯，形成耗尽层，
甚至反型层。
§8-2 空间电荷区的理论分析
84
由于半导体表面层中的能带发生弯曲，该区中的载流子密度将随坐标变化，
如图8-1b﹑c所示。为了给出其函数关系，应解泊松方程。在第七章讨论金半接
触时曾针对耗尽层情况给出过一种近似解，当时忽略了少子的影响。这种近似称
肖特基耗尽层近似，得到的结果为电势与坐标的平方成正比。肖特基近似不适合
描述具有积累层和反型层的情况。对这样的情况，必须解可动载流子空间电荷密
度不可忽略的泊松方程。
为分析方便，首先假定E
i
为本征半导体的费米能级，并认为E
i
位于禁带中
心，用Φ表示由如下公式决定的静电势
e
E
f
E
i
（以E
f
为能量零点） （8-1）
Φ
B
表示半导体体内的静电势，Φ
s
表示半导体表面的静电势。空间电荷区任一点
的电势则为
V(x)
(x)
B
（8-2）
表面势则为
V
s
s
B
（8-3）
空间电荷区中的电子和空穴密度可通过V和Φ表示为
nn
0
exp(eV/K
0
T)n
i
exp(e
B
/K
0
T)exp[e(
B
)/K
0
T]
n
i
exp(e
/K
0
T)
(8-4)
pp
0
exp(eV/K
0
T)n
i
exp(e
B
/K
0
T)exp[e(
B
)/K
0
T]
n
i
exp(e
/K
0
T)
(8-5)
半导体表面电子和空穴密度为
n
s
n
0
expeV(
s
/K
0
T)n
i
expe
(
s
/K
0
T)
和
p
s
p
0
exp
(eV
s
/K
0
T)n
i
exp(e
s
/K
0
T)
（8-6）
从（8-4）--（8-6）式不难看出，当能带上弯时，V
s
<0，而下弯时则V
s
>0。如果
体内的Φ
B
和表面的Φs具有相同的符号，则表面层为多子的积累层或耗尽层。
对n型半导体，当Φ
B
<Φ
s
时，是积累层，当Φ
B
〉Φ
s
时，为耗尽层。如果二者
具有不同符号，则表面层为反型层，见图8-2。
85