表面物理

5.4 半导体陶瓷界面电子过程,姓名：张伟伟 学号：2014201903 2015年6月,目录,1,晶粒间界的界面势垒模型,2,非线性ZnO压敏陶瓷,3,BaTiO3热敏陶瓷,4,气敏与湿敏陶瓷,晶粒间界的界面势垒模型,由于晶粒界面存在表面态，对于n型半导体晶粒主体相若存在低于费米能级EF的受主表面态，则晶粒内表面附近导带电子形成一个表面电荷层，晶粒内部电离施主形成正的空间电荷区，产生指向边界的电场，形成界面势垒。当界面势垒高度es远大于kT时，载流子极为稀少，它们对空间电荷的贡献可以忽略，杂质全部电离，正的空间电荷几率完全由施主的电离电荷构成，这就是耗尽层近似。 耗尽层中的电荷密度为eND，ND为施主浓度，这时的泊松方程为,晶粒间界的界面势垒模型,在半导体晶粒内电场为零，因而 并应用电中性条件可得出 从界面x=0到x=b区域内的体电荷密度eND，由电中性条件表面受主电荷面密度应为-eNs，则空间电荷层的厚度(或界面势垒的宽度)可表示为,晶粒间界的界面势垒模型,在界面(x=0)处势高 由此可见，晶粒界面上势垒的高度(s)与施主浓度ND成反比，而与界面受主界面密度N2S成正比。即界面上吸附受主杂质浓度能有效地控制n型半导体陶瓷的势垒高度s。进而影响半导体陶瓷的导电性能。 对于如图5.4-1所示的陶瓷，主体半导体晶粒由两个性质不一同的部分组成，即:颗粒中间的半导体部分和颗粒边界的势垒层部分。对这种由势垒包围的颗粒的等效电导率，可用著名的Maxwell-Garnett混合规则描述:,晶粒间界的界面势垒模型,其中 g为颗粒主体电导率，b为势垒层电导率，b为势垒宽度b=(2s/eND)1/2，d为颗粒直径。 由这个模型看出，半导体陶瓷的等效电导率不仅取决于施主、受主密度对界面势垒的影响，而且也和主体颗粒的颗粒度大小、均匀程度有关，这就为生产工艺控制可靠性和得到一致性的器件指出了方向。,非线性Zn0压敏陶瓷,Zn0陶瓷是近年来发展起来的敏感半导体陶瓷，具有很多独特的电性能。其I-V特性曲线由图5.4-1表示。 Zn0是n型半导体，其中施主通常由三价Al3+ 、In3+等引入。在通常的温度范围内，掺杂Zn0半导体的电导率可表示为 边界势垒层电导 其中g是Zn0中电子迁移率，约为100cm2/V*S。,非线性Zn0压敏陶瓷,Zn0-Zn0颗粒边界结上形成双Schottky势垒层，在外加偏压(V=VR-VL)下，晶粒界面上的能带发生倾斜。如图5.4-2所示。当偏压右边为正时，右侧势垒反偏，耗尽层变宽，势垒增高；左侧势垒正偏，耗尽层变窄，势垒降低。 在低偏压区(VR Ug )(即击穿区)，根据半导体表面理论，当VRVg/2时，表面层开始出现弱反型层，其特性同耗尽层。但当VR=Vg时表面层就出现强反型层，这时能带弯曲更甚。不但电子在表面发生更强的耗尽，而且空穴在表面会产生聚,非线性Zn0压敏陶瓷,积，形成P型强反型层。势垒高度s随电压的增加而急剧下降，正是由于晶粒边界的势垒变化而导致了Zn0陶瓷的非线性导电行为。s随电压V下降的关系曲线由图5.4-3示出。在击穿区内，隧道效应明显地增大。 在高偏压区(VRV)(即回升区)，偏压继续增加，仍处于强反型层，势垒变化小，Zn0颗粒的本身压降开始明显地增加，不能再忽略。此时整个结电导很大，成为一正常良导体。,BaTiO3热敏陶瓷,1985年Haayman等发现在BaTi03陶瓷中掺入微量的稀上元素，室温下电阻率将大幅度下降，但在温度升高到某一温度范围后，其电阻率陡增三个数量级。根据此特性制成的热敏电阻元件已得到广泛地应用。 BaTiO3热敏特性曲线即电阻率-温度T曲线如图5.4-4所示。温度在Tc以下时BaTiO3陶瓷发生自发极化,而在Tc以上时自发极化消失，晶格由立方晶型转变为四方晶型。当在陶瓷中掺入Sr或Zr等元素时，可以使居里温度Tc向低温方向移动，当掺入pb元素时可使Tc向高温方向移动。通常BaTiO3热敏陶瓷的Tc一般取在-40O-2500C之间。,BaTiO3热敏陶瓷,BaTiO3陶瓷的PTC效应取决于陶瓷的晶界效应。根据Hey- Wang-Jonkey模型，在施主掺杂的BaTiO3陶瓷晶粒边界上存在着受主型表面态，这些受主型表面态与晶粒内的载流子相互作用，从而产生晶粒表面的势垒层，如图5.4-5。,BaTiO3热敏陶瓷,BaTiO3热敏陶瓷,气敏与湿敏陶瓷,气敏与湿敏陶瓷,气敏与湿敏陶瓷,仍用Ns表示因吸附产生的受主表面态密度，则总的表面电荷为e(Ns十N0)。其中N0为没有吸附发生时初始表面净电荷密度。在耗尽层情况下可得势垒s与Ns的关系 晶粒边界上的势垒宽度b可表示为 对于气敏陶瓷，Ns与气体温度、浓度有关;对于湿敏陶瓷，Ns与大气湿度、温度有关。,谢谢大家,图,图,