固体材料表面与界面电子过程
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表面与界面-电子教案
第四章表面与界面1.表面与界面的意义表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。
这就使物体表面呈现一系列特殊的性质。
高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、催化、固相反应）方面有很大的差别。
随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受到科学界的重视。
随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一门独立学科——表面化学和表面物理。
表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。
例如固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。
2.固体的表面表面——一个相和它本身蒸汽（或真空）接触面~；界面——一个与另一个相（结构不同）接触的分界面~；固体表面力——固体表面质点排列的周期重复性中断质点的对称性破坏，表现出剩余的键力~。
2.1表面力场1．长程力：作用范围较范德华力大得多，两相分子间的分子引力，实质是范德华力。
2．范德华力：A-静电力（极性分子之间）；B诱导力（极性与非极性分子）；C色散力（非极性分子之间）2.2晶体表面结构2.2.1晶体表面的微观排列状态（维尔威结构学说）A．松弛过程：如图（图4-1）表面层负电子外侧不饱和，电子云将被拉向内侧正离子一方，极化变形，通过电子云极化变形来降低表面能过程~（瞬间完成改变表面层键性）B．重排过程：晶格必须稳定，作用力大，极化率小的正离子应处于稳定位置，正离子向内负离子排斥向外——重排。
C．离子键逐渐过渡为共价键，表面为一层负离子所屏蔽——表面双电层。
D．表面等负性：易吸附正离子E．双电层厚度由极化程度来决定，并影响表面能和硬度（极化变形大——表面能小——硬度小）2.2.2晶体表面的几何结构2.2.2.1洁净晶体的表面结构图4-2是一个具有面心立方结构的晶体的表面结构，详细描述了（100）、（110）、（111）三个低指数面上原子的分布。
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
平衡时，此膨胀功必然等于新增加的表面能8πrγdr, 即
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
《表面与界面》PPT课件
〔3〕重构外表 重构是指外表原子层在水平方向上的周期性不
同于体内，但垂直方向的层间距那么与体内一样。
as
a
d0 d0
图4－8 重构外表示意图
3、吸附外表 吸附外表有时也称界面。它是在清洁外表
上有来自体内扩散到外表的杂质和来自外表周 围空间吸附在外表上的质点所构成的外表。
根据原子在基底上的吸附位置，一般可分 为四种吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸 附和中心吸附等。
表面能减少
图4—10 离子晶体外表的电子云变形 和离子重排
〔2〕 从晶格点阵稳 定性考虑作用力较大， 极化率小的正离子应 处于稳定的晶格位置 而易极化的负离子受 诱导极化偶极子排斥 而推向外侧，从而形 成外表双电层。重排 结果使晶体外表能量
0.286nm
0.02nm
在NaCl晶体中，阳离子从〔100〕 面缩进去， 在外表层中形成一个 0.02nm厚度的双电层
化学性质：化学活性、催化、固相反响 等 〔反响能力增强、存在固体的外表 二、固体外表的特征 三、固体外表构造 四、固体的外表能 定义： 外表:一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面。 界面:一相与另一相(构造不同)接触的分界面。
液—气界面
固—气界面
液—液界面
《表面与界面》PPT课件
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概述：
晶体和玻璃体：假定任一个原 子或离子都处在三维无限连续的 空间中，周围对它作用完全一样。
(5) 固体外表无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，
第7章 固体表面与界面
W=-ΔG=(LV +SV)-SL 粘附功愈大则表示固－液界面结合愈牢，也即附着润湿愈强。 （一般γSV、γLV均是固定的，可改变γSL） γSL↓（选择固液组成接近）→W↑→坯、釉完全粘附、适应、结 15 合牢固。
2、铺展润湿
SV= SL+LV cos）
LVcos= SV-SL=F cos=(SV- SL)/LV
面能大小来估计。对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化
作用（表面能与晶格能成正比）。主要形成化学吸附。
2
2、分子引力（范德华力）
一般是指固体表面与被吸附质点（如气体分子）之间相互作用
力。它是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的原因。分子间引力 主要来源于三种不同效应。
1) 定向力：相邻两个极化电矩因极性不同而相互作用的力。主
c．凸面上的饱和蒸气压>平面>凹面(P凸>Po> P凹)。
12
讨 论：
1 Ln （球面）， P0 RT r
P
2M
Ln
P P0
M
RT
（
1 r1
＋
1 r2
)( 非球面）
r↓→凸面上蒸气压升高P凸↑; r↓→凹面上蒸气压下降P凹↓
这种蒸气压差，在高温下足以引起微细粉体表面质点由凸面
SL很大，不润湿。
16
3、浸渍润湿（液体表面没有变化）
浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。 例：生 坯的浸釉。把固体浸在液体之中，固-气界面 为固-液界面所代替，γSV→γSL： ΔG=γSL-γSV 当γSV >γSL，润湿自发进行。
固
液体
三种润湿共同点：液体将气体从固体表 面挤开，由固－液界面→固－气(或液气) 界面，铺展是润湿的最高标准，能铺展 则必能附着和浸渍。
2、铺展润湿
SV= SL+LV cos）
LVcos= SV-SL=F cos=(SV- SL)/LV
面能大小来估计。对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化
作用（表面能与晶格能成正比）。主要形成化学吸附。
2
2、分子引力（范德华力）
一般是指固体表面与被吸附质点（如气体分子）之间相互作用
力。它是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的原因。分子间引力 主要来源于三种不同效应。
1) 定向力：相邻两个极化电矩因极性不同而相互作用的力。主
c．凸面上的饱和蒸气压>平面>凹面(P凸>Po> P凹)。
12
讨 论：
1 Ln （球面）， P0 RT r
P
2M
Ln
P P0
M
RT
（
1 r1
＋
1 r2
)( 非球面）
r↓→凸面上蒸气压升高P凸↑; r↓→凹面上蒸气压下降P凹↓
这种蒸气压差，在高温下足以引起微细粉体表面质点由凸面
SL很大，不润湿。
16
3、浸渍润湿（液体表面没有变化）
浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。 例：生 坯的浸釉。把固体浸在液体之中，固-气界面 为固-液界面所代替，γSV→γSL： ΔG=γSL-γSV 当γSV >γSL，润湿自发进行。
固
液体
三种润湿共同点：液体将气体从固体表 面挤开，由固－液界面→固－气(或液气) 界面，铺展是润湿的最高标准，能铺展 则必能附着和浸渍。
41表面与界面
度的阶梯构成，使真实面积比理论面积大。 (3) 周围环境条件影响：固体和液体的表面能与温度、气
压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
1、离子晶体的表面结构
在固体表面力的作用下，离子晶体表面 结构发生怎样的变化？受哪些因素影响？
NaCl 晶 体
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
说明：
1. 离子晶体MX在表面 力作用下，处于表面层 的负离子X在外侧不饱 和，负离子极化率大， 通过电子云拉向内侧正 离子一方的极化变形来 降低表面能。这一过程 称为松弛，它是瞬间完 成的，接着发生离子重 排。
Uis：第i个原子（离子）在晶体表面上和最邻近原子（离子） 的作用能；
nib：第i个原子（离子）在晶体内部时，最邻近原子（离子） 的数目（配位数）；
nis：第i个原子（离子）在晶体内部时，最邻近原子（离子） 的数目（配位数）；
0
LsU 0 N
(1
nis ) nib
r0 为0K时的表面能； LS 为1m2表面上的原子数； nis、nib分别表示第i个原子在晶体表面和晶体体内最 邻近的原子数;
色散力：位于凹谷深处的质点，其色散力最 大，凹谷面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；
静电力：位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深 处最小。
表面粗糙度：
(1) 使表面力场变得不均匀，其活性及其它表 面性质也随之发生变化。
(2) 直接影响固体表面积，内、外表面积比值 以及相关的属性。
(3) 与两种材料间的封接和结合界面间的啮合 和结合强度有关。
固体中表面力分为哪几类？
▲▲
表面力的分类：
(1) 化学力（长程力）：本质上是静电力
(2) 范得华力(分子引力)
压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
1、离子晶体的表面结构
在固体表面力的作用下，离子晶体表面 结构发生怎样的变化？受哪些因素影响？
NaCl 晶 体
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
说明：
1. 离子晶体MX在表面 力作用下，处于表面层 的负离子X在外侧不饱 和，负离子极化率大， 通过电子云拉向内侧正 离子一方的极化变形来 降低表面能。这一过程 称为松弛，它是瞬间完 成的，接着发生离子重 排。
Uis：第i个原子（离子）在晶体表面上和最邻近原子（离子） 的作用能；
nib：第i个原子（离子）在晶体内部时，最邻近原子（离子） 的数目（配位数）；
nis：第i个原子（离子）在晶体内部时，最邻近原子（离子） 的数目（配位数）；
0
LsU 0 N
(1
nis ) nib
r0 为0K时的表面能； LS 为1m2表面上的原子数； nis、nib分别表示第i个原子在晶体表面和晶体体内最 邻近的原子数;
色散力：位于凹谷深处的质点，其色散力最 大，凹谷面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；
静电力：位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深 处最小。
表面粗糙度：
(1) 使表面力场变得不均匀，其活性及其它表 面性质也随之发生变化。
(2) 直接影响固体表面积，内、外表面积比值 以及相关的属性。
(3) 与两种材料间的封接和结合界面间的啮合 和结合强度有关。
固体中表面力分为哪几类？
▲▲
表面力的分类：
(1) 化学力（长程力）：本质上是静电力
(2) 范得华力(分子引力)
材料表面和界面的表征简介
谱
Raman效应产生于入射光旳电场与介质表面上振动旳感生 偶极子旳相互作用，造成分子旳旋转或振动模式旳 跃 迁变化。
Raman光谱仪器
石墨旳Raman光谱图
Raman光谱旳特点
（1） Raman光谱研究分子构造时与红外光 谱互补
（2） Raman光谱研究旳构造必需要有构造 在转动或者振动过程中旳极化率变化
SPM扫描探针显微镜
AFM线性剖面图
AFM立体显示图
Average roughness Ra
特点 （1）针尖与样品之间旳排斥作用力；来反应
样品旳形貌 (2)辨别率可达： 0.1 nm (3) 能够在真空、大气、溶液条件下进行表面
分析，图象旳质量与针尖非常亲密有关 （4） 样品形貌起伏不能太大
三种观察原子旳措施比较
红外光谱研究旳构造必需要有有构造在转动 或者振动过程中偶极矩差别
（3）能够测定物质旳晶体构造和晶相判断， 但只能是研究光能到达旳表面区域
（4）样品能够是固态、液体或者气体
2.4 XPS光电子谱
1. 光电发射定律
原子由核和绕核运动旳电子所构成，电子具有拟定旳能量并在一定 轨道上运动(EB(i), )。当能量为hv旳光激发原子或者分子时，只要 hv >EB(i),,便可激发出i轨道上电子，并取得一定动能Ek，留下一种离子： M + hv = M+* + e-1
5. Bruggle 方程
2dhklsinhkl=n
A
hkl
m N
B
hkl
= n = mB+ BN = 2dhklsinhkl
2.3 拉曼光谱（Raman spectra）
• 光经过样品时产生散射
hv
Raman效应产生于入射光旳电场与介质表面上振动旳感生 偶极子旳相互作用，造成分子旳旋转或振动模式旳 跃 迁变化。
Raman光谱仪器
石墨旳Raman光谱图
Raman光谱旳特点
（1） Raman光谱研究分子构造时与红外光 谱互补
（2） Raman光谱研究旳构造必需要有构造 在转动或者振动过程中旳极化率变化
SPM扫描探针显微镜
AFM线性剖面图
AFM立体显示图
Average roughness Ra
特点 （1）针尖与样品之间旳排斥作用力；来反应
样品旳形貌 (2)辨别率可达： 0.1 nm (3) 能够在真空、大气、溶液条件下进行表面
分析，图象旳质量与针尖非常亲密有关 （4） 样品形貌起伏不能太大
三种观察原子旳措施比较
红外光谱研究旳构造必需要有有构造在转动 或者振动过程中偶极矩差别
（3）能够测定物质旳晶体构造和晶相判断， 但只能是研究光能到达旳表面区域
（4）样品能够是固态、液体或者气体
2.4 XPS光电子谱
1. 光电发射定律
原子由核和绕核运动旳电子所构成，电子具有拟定旳能量并在一定 轨道上运动(EB(i), )。当能量为hv旳光激发原子或者分子时，只要 hv >EB(i),,便可激发出i轨道上电子，并取得一定动能Ek，留下一种离子： M + hv = M+* + e-1
5. Bruggle 方程
2dhklsinhkl=n
A
hkl
m N
B
hkl
= n = mB+ BN = 2dhklsinhkl
2.3 拉曼光谱（Raman spectra）
• 光经过样品时产生散射
hv
第四章材料的表面与界面
6、表面力场 固体表面上的吸引作用，是固体的表 面力场和被吸引质点的力场相互作用所产 生的，这种相互作用力称为固体表面力。 依性质不同，表面力可分为： 1）化学力 2）分子引力
二、固体表面的特征 1. 固体表面的不均匀性，表现在： (1) 绝大多数晶体是各向异性，因而同一晶体可以有许多性能不 同的表面。
• 由于分散度的变化，可使细 粉石英表面能增加了106倍，
这些能量可以使650kg的水升
高1°C。 • 粉碎石英的机械能转化为表 面能贮存在石英粉内。
概述
• 高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于 分散度的变化而使两者在物理性质（如熔点、沸点、蒸气压、 溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、催化、 固相反应）方面有很大的差别。 • 界面是晶体中的面缺陷，具有高的能量，在化学介质中不稳 定，产生晶界腐蚀，影响材料的化学性能。 • 界面也影响材料的物理性能，如材料组织中晶粒增大，界面 减少，提高导磁率，降低矫顽力，
理想表面结构示意图
2、清洁表面
清洁表面是指不存在任何吸附、催化反 应、杂质扩散等物理化学效应的表面。这
种清洁表面的化学组成与体内相同，但周
期结构可以不同于体内。根据表面原子的
排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫
表面、重构表面等。
（1）台阶表面
台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或 不规则的台阶的表面所组成
说明：
NaCl 晶 体
1. 离子晶体MX在表面 力作用下，处于表面层 的负离子X在外侧不饱 和，负离子极化率大，
通过电子云拉向内侧正
离子一方的极化变形来 降低表面能。这一过程
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
称为松弛，它是瞬间完
固体表面与界面行为
第2晶界构型车小节不讲
2、晶界构型 晶界形状也由表面张力相互关系决定 多晶体结构，多晶体晶界形状 （1）固-固-固相 晶界交汇处均为固相，此时
多晶体面中，每一个晶界相交角度均为120°所有晶体断面的有 规律六角形状，晶界以120°相等，能量D趋于最稳定系统的总 界面能最小，且晶应当是平直的。
（2）固-固-气相 （3）固-固-液相
由此式得，曲面附加压力引饱和蒸气压变化曲面半径越小引起 蒸汽变化与愈大。
6-6 润湿分相分布
1、润湿 表面与界面之间形成液-固-气，固-固-液，固-固-气三种体
系，其中转为重要的是液-固-气系统 润湿：液体与固体接触，使固体表面能下降的现象。 润滑角θ ：液体表面张力γLV与固—液界面张力γSL之间夹角。 γSV，γSL，γLV，分别为液-固-气、固-液，固-气之界面张力
晶界应力与热彭胀系数Δ α 温度变化原底d成正比，如热膨胀为各向同性即Δα =0,τ =0。 如产生应力则晶粒越大，应力愈大强度越差，搞热冲击性也差。
6-6弯曲表面
1、弯曲表面附加压力 表面张力的存在造成弯曲表面上产生附加压力
如右图一根毛细管向其中吹气在管端形成一半径为气泡压力 增大，气泡体积增大相应表面积增加，阻碍其体积增加的阻力 为由于扩大表面积所需总表面能为克服此表面张力环境做功为
γAγB ：A、B两界面的表面能 γAB ：AB之间的表面能
粘附功：剥开单位粘附面积所需作功，粘附功W大则VAB小，
两者结合粘附牢固 相似表面易于粘附，一般金属排登陆艇它们之间的吸附层且
具足够的塑性变形可出现率固粘附即为冷焊。
4、实际表面结构 硅酸盐表面由于吸附都带有硅酸基团，吸附水而成水膜。
6-5 晶界
T↑表面能V0↓介质不同，表面能数值不同
2、晶界构型 晶界形状也由表面张力相互关系决定 多晶体结构，多晶体晶界形状 （1）固-固-固相 晶界交汇处均为固相，此时
多晶体面中，每一个晶界相交角度均为120°所有晶体断面的有 规律六角形状，晶界以120°相等，能量D趋于最稳定系统的总 界面能最小，且晶应当是平直的。
（2）固-固-气相 （3）固-固-液相
由此式得，曲面附加压力引饱和蒸气压变化曲面半径越小引起 蒸汽变化与愈大。
6-6 润湿分相分布
1、润湿 表面与界面之间形成液-固-气，固-固-液，固-固-气三种体
系，其中转为重要的是液-固-气系统 润湿：液体与固体接触，使固体表面能下降的现象。 润滑角θ ：液体表面张力γLV与固—液界面张力γSL之间夹角。 γSV，γSL，γLV，分别为液-固-气、固-液，固-气之界面张力
晶界应力与热彭胀系数Δ α 温度变化原底d成正比，如热膨胀为各向同性即Δα =0,τ =0。 如产生应力则晶粒越大，应力愈大强度越差，搞热冲击性也差。
6-6弯曲表面
1、弯曲表面附加压力 表面张力的存在造成弯曲表面上产生附加压力
如右图一根毛细管向其中吹气在管端形成一半径为气泡压力 增大，气泡体积增大相应表面积增加，阻碍其体积增加的阻力 为由于扩大表面积所需总表面能为克服此表面张力环境做功为
γAγB ：A、B两界面的表面能 γAB ：AB之间的表面能
粘附功：剥开单位粘附面积所需作功，粘附功W大则VAB小，
两者结合粘附牢固 相似表面易于粘附，一般金属排登陆艇它们之间的吸附层且
具足够的塑性变形可出现率固粘附即为冷焊。
4、实际表面结构 硅酸盐表面由于吸附都带有硅酸基团，吸附水而成水膜。
6-5 晶界
T↑表面能V0↓介质不同，表面能数值不同
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电位差 电场力 漂移运动
漂移电流
漂移电流大小与电场强度成正比
14
3.1 PN结
1. pn 结定义：
把一块p型半导体和 一块n 型半导体结合 在一起，由于P 、N 区载流子浓度不等， N 区电子浓度向P区 扩散，P 区空穴向N 区扩散，结果在交界 面处积累电荷形成电 偶极层，将该结构称 为p-n 结
20
PN结加反向电压
U
流过PN结的电流称为
反向饱和电流 (即IS)， PN结呈现为大电阻。
该状态称为 PN结反向
截止状态。
U
PN反向运用
21
3) p-n 结电容特性
一个p-n 结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电 压频率增高时，其整流特性变坏 p-n 结电容包括势垒电容 和扩散电容两部分。
扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的 运动称为扩散运动。
扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流 称为扩散电流。
浓度差 扩散力 扩散运动
扩散电流
扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比
13
载流子运动方式及其电流
? 漂移运动和漂移电流
漂移运动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。 漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流 称为漂移电流。
热激发
电子 空穴对
呈电中性
N型半导体中的多数载流子(多子）
为电子。空穴为少数载流子（少子）
10
杂质半导体
? P型半导体
结构图
11
杂质半导体
载流子
受主杂质原子电离 空穴 负离子对
热激发
空穴 电子对
呈电中性
P型半导体中的多数载流子(多子）
为空穴。电子为少数载流子（少子）
12
载流子运动方式及其电流
? 扩散运动及扩散电流
18
PN结基本特性
VD：势垒电压 VD = 0.6~0.8V 或
0.2~0.3V
VD阻止多子继 续扩散，同时有 利少子定向漂移
PN结平衡VDຫໍສະໝຸດ 192)单向导电性
PN结加正向电压 流过PN结的电流随外 加电压U的增加而迅 速上升， PN结呈现为 小电阻。 该状态称为 PN结正向 导通状态。
U U
U
PN正向应用
电子电势能-qV(x)
n ? p区不断升高
p区的能带? 上移，
n区能带? 下移，直至费米能 级处处相等时，p-n结达到平
衡状态。 16
2 PN结基本特性
1) 空间电荷
电离受主与
少量电子的
负电荷严格
平衡空穴电
荷
电中性
空间电荷
电离施主与少 量空穴的正电 荷严格平衡电 子电荷
电中性
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主 负电荷区 正电荷区
的电容效应，称为 p-n 结的扩散电容。 p-n 结的势垒
电容和扩散电容都随外加电压而变化，是可变电容。
无数电子形成一个系统以后，电子运动特性(范围) → 能带
3
能带理论简介
4
在k空间中，电子能量En(k)函数关系
K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空 间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态
K空间是以倒格子为基础的倒格空间
5
E～k, 能带结构（能量色散关系）
价带顶
导带底
导带
价带
Si立方晶系 晶体的能带结构（半导体，间接能隙）
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空间电荷区的特点：
E
a）内建电场 在内建电场作用下，载流子作漂移运动。 电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方 向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作 用。 b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终 将达到动态平衡， c）电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反 而互相抵消。 d ）对于空穴，情况完全相似。 e）没有电流流过p-n 结。或者说流过p-n 结的净电流为零
第二章
固体材料表面与界面电子 过程
3.1 半导体与半导体界面特性 -PN结 3.2 金属与半导体的接触特性 3.3 表面势、表面态、表面电导 3.4 MIS 结构 3.5 PN结与功能器件 3.6 晶界势垒及其电荷区
电子的特点
?电子运动状态：能量、运动的范围 电子运动的特点：微质点、高速度运动
??
在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入” 势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强， 势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电 子和空穴从势垒区中“取出”。
p-n 结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的 “存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随 外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这 种p-n 结的电容效应称为势垒电容
6
半导体的基础知识
半导体；N-type P-type半导体；导带；价带；禁带 本征半导体
杂质半导体 载流子运动方式及形成电流
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1.1 本征半导体
? 纯净的、不含杂质 的半导体
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杂质半导体
?杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类 ?N型半导体
结构图
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杂质半导体
载流子
施主杂质原子电离 电子 正离子对
不可能确定某电子在某空间位置 →用
在空
间出现的概率 (电子云及密度 )
能量不连续 →能级
??
?决定电子运动状态是主要取决于对电子的作用势
(原子核、电子间 )
?具体电子运动状态是通过薛定鄂方程求出电子的波
函数及其对应的本征能量。
2
原子能级分裂成能级示意图
当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互 作用，电子存在共有作用；
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扩散电容 正向偏压
电子从n 区
注入P区，
增加了P区
的电子积累， h+
h+
增加了浓度
梯度
e-
e-
空穴从P区注入n 区，增加了n区的 空穴积累，增加了 浓度梯度
积累的非平衡 空穴也增加,与 它保持电中性 的电子也相应 增加
非平衡电子 和与它保持 电中性的空 穴也要增加
由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主
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EFn和EFp分别表示n型和p型半导 体的费米能级
平衡p-n 结的能带图
能带图特点：
1） 电子从费米能级高的n 区流向费米能级低的p区，空 穴则从p区流向n区，因而EFn 下移，而EFp移，直至EFn=EFp 时为止。这时p-n结中有统一
的费米级能Ef
2)空间电荷区内电势V(x) V(x):n? p降低
部分电子和空穴 “存入”势垒区
电子和空穴中和
势垒区宽度变窄， 空间电荷数量减少
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当p-n 结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增 加而减弱势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少，因为空 间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷 的减少是由于n 区的电子和p 区的空穴过来中和了势垒区 中一部分电离施主和电离受主；