如何减少复合中心？——晶体表面态

表面能级，又称为达姆能级，是指由于固体与真空之间的分界面不具有体内周期性的原子层，使得势场的周期性受到破坏时，在禁带中产生的附加能级^[41]。这些附加能级上的电子将定域在表面层中，并沿着与表面垂直的方向向体内指数衰减。这些附加的电子能态就是表面态。表面态可以作为复合中心，缩短载流子的寿命，同时表面电荷可以引起器件的表面漏电。在实际晶体表面上往往存在着微氧化膜或附着其他分子和原子，这使表面情况变得更加复杂而难以弄清。因此这里先就理想情形，即晶体表面不附着任何其他分子或氧化膜的情形进行讨论。

达姆曾计算了一维半无限克龙尼克—潘纳模型情形，证明在一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级。上述结论可推广到三维情形，可以证明，在三维晶体中，仍是每个表面原子对应禁带中一个表面能级，这些表面能级组成表面能带。因单位面积上的原子数约为10¹⁵cm^-2，故单位表面积上的表面态数也具有相同的数量级。表面态的概念还可以从化学键方面来说明。以硅晶体为例，因晶格的表面处突然终止，在表面的最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，如图7.16所示。这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。因每平方厘米表面有约10¹⁵个原子，故相应的悬挂键数亦应为约10¹⁵个。

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图7.16 晶硅表面悬挂键示意图

以上讨论的是“理想表面”情形。“理想表面”就是指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。这种理想表面实际上是不存在的。近表面几个原子厚度的表面层中，离子所受的势场作用显然不同于晶体内部，这使得晶体所固有的三维平移对称性在表面层中受到破坏，因此实际的晶体表面是一个结构比体内要复杂得多的系统。除了上述表面态外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。