表面与界面物理复习思考题

第 4 章练习 1.什么是表面吸附与偏析 气体分子碰到固体表面时，受到固体表面的不饱和力场的作用，停留在固体表面上，使气体分子 在表面上的浓度增大，称为气体分子在固体表面的吸附；偏析是指液相或固溶体中原子（分子）在固 -固、固-液界面上富集，即液相或固溶体中溶质原子在界面上的浓度大于其基相。 2.比较化学吸附与物理吸附，并画出它们的吸附能曲线；什么是快化学吸附和慢化学吸附 吸附性能吸附性能 作用力作用力 吸附热（能）吸附热（能） 选择性选择性 吸附速度吸附速度 形成吸附层形成吸附层 物理吸附物理吸附 范德华力范德华力 小小 无选择性无选择性 快；几乎不要活化能快；几乎不要活化能 单分子或多分子吸附层单分子或多分子吸附层 化学吸附化学吸附 剩余价键力剩余价键力 大大 有选择性有选择性 较慢，大多需要活化能较慢，大多需要活化能 只能形成单分子吸附层只能形成单分子吸附层 物理吸附热 化学吸附热 慢化学吸附EB0，需要激活，是一种活化化学吸附； 快化学吸附EB0，金属接正，半导体接，Vs0，能带下弯，多子堆积； 2）VG0，平带状态 3）VG0，金属接负，半导体接正，Vs0，能带上弯，多子耗尽； 4）VG，形成表面势垒。在势垒区，空间电荷主要由电场作用形成，电子浓度比体 内小的多，是一个高阻区域，称之为阻挡层（肖特基势垒） 。若 Ws Wm Vs 使能带下弯曲，这里的电子浓度比体内的大多了， 是一个高电导区，即欧姆接触区。当与P 型半导体接触时，若Ws Wm 形成欧姆接触。 实际情况 由于表面态浓度比较大， 最终使 E F 向E F s 靠近， 这就是表面费米能级的钉扎作用。 实际接触的势垒高度由界面态势垒决定，对于许多半导体材料，它们位于禁带宽度 1/3 处，这个 界面态势垒始终存在，这就是导致实际和理论上的差别的根本原因。 29. 试分析多晶 ZnO 材料中具有双向整流效应的 I-V 特性曲线与界面电子结构的关系。 由于氧化锌晶界区存在晶界相，所以它的晶界区势垒较厚；在低偏压时，势垒随电压变化小，电 导的主要形式是热电子发射，隧道效应很弱。随着电压增加，出现弱反型；当电压超过某一个值 后，能带弯曲很大，出现强反型。表面区空穴浓度很高，通过复合中心传导电流，界面态上的电 子会通过隧道效应道进入右边，所以电流迅速增大。 多晶 ZnO 材料中“ZnO 晶粒-晶界-ZnO 晶粒”可视为对称的结构，即双向的 I-V 曲线对称。 30. 什么是表面吸附与偏析晶界偏析产生的新相凝聚会出现何种状态 吸附吸附属于一种传质过程，当流体与固体接触时，由于受到固体表面的不饱和力场的作用， 流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，使物质在表面外的浓度增大，此现象称为吸 附。也指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象。 偏析指液相或固溶体中的原子（分子）在固-固、固-液界面上富集，即液相或固溶体中质原子 在界面上的浓度大于其基相。 31. 比较化学吸附与物理吸附，并画出它们的吸附能曲线；什么是快化学吸附和慢化学吸附 见首页 32. 请解释第 IV 型吸附等温线。 见首页 33. N 型半导体表面吸附氧后它的表面电导和表面能带如何变化 见首页 34. 氧在硅表面的吸附状态有哪些 一般认为，刚开始时为快吸附，达到 1ML 就会变成慢吸附。 35. 水在 N 型半导体表面吸附后对电导和能带会发生哪些影响 见首页 36. 扩散有哪些微观机制其激活能与扩散速度有何不同 由构成物质的微观粒子（离子、原子、分子）的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散。 扩散微观机制空位机制，间隙机制，复合机制，环形机制 间隙机制原子在点阵的间隙位置间跃迁面导致的扩散。间隙扩散只要能够挤到另一个填隙位置 就完成一个扩散过程，需要的能量很小，扩散速度比较快； 空位机制必须原子前面出现空位时，才有可能进入空位改变它的位置，等待前面又出现了空位 后它又可能再向前移动一步。需要一定的激活能，消耗的畸变能不大，容易扩散；交换机制， 原子的扩散是相邻两原子直接对调位置，所需的激活能比前两者大得多，扩散速度也更慢。 环形机制同一晶面上距离相等的 n 个原子可以同时轮换位置以构成扩散 37. 试比较原子在表面、晶界、相界、晶内扩散的方式、速度的异同 表面扩散跳跃式和替位式是两种主要扩散方式。其扩散的类型 1表面区浓度梯度引起的扩散 2毛细管效应引起的扩散； 相界扩散一般称基尔肯特（Kirkendall）扩散，由于原子间扩散速度不等，可能发生两种情况 （1）导致界面移动，产生疏孔和陇起物。 （2）通过相互扩散生成金属间化合物，如Au-Al 键合时 生成的紫斑（AuAl2）等； 晶界扩散扩散系数和扩散时间的关系, 晶界扩散分为三种类型 A. 对应于体扩散系数较大的情况 --杂质沿晶粒和晶界都发生扩散 --基本上杂质是均匀扩散的 B. 为体内扩散慢，晶界扩散快的情况 --这种扩散使杂质包裹在晶界上 C. 对应于晶粒扩散非常小的情况 --杂质全部通过晶界往体内扩散 --热处理杂质快速污染材料的可能机理 38. 什么是 Kirkendall 扩散，其发生会导致何种后果 一般称分界面上原子间产生的相互扩散为 Kirdenkall （基尔肯特） 扩散。 由于原子间扩散速度不等， 可能发生两种情况 1，导致界面移动，产生疏孔和陇起物 2，通过相互扩散生成金属间化合物 kirkendall 扩散在一般情况是通过体扩散和晶界扩散来进行的， 只有在温度较高和时间较长时才明 显，它造成的后果对界面的强度、附着力、噪声、接触电阻和抗腐蚀性等有重要影响 39. 固相反应的发生是如何进行的反应速度的快慢影响因素有哪些 固相反应指所有包含固相物质参加的化学反应， 包括固-固相反应， 固-液相反应， 固-气相反应等。 固相反应也可能发生在单一固相内部，如均相反应。 第一步开始时，A 晶格中的原子在反应驱力 F 驱动下，原子键合断裂，形成 A 原子流 JA 向 B 晶格扩散。类似过程也会在 B 晶格中发生。 第二步经过一段时间后，A、B 原子在界面处发生反应生成 AαBβ，AB 界面标志为 A/AαBβ/B, AαBβ是一种新化合物。 影响反应速度的因素有原子的扩散速度，原子键断裂速度。 40. 在硅片直接键合SBD工艺中，键合过程是如何完成的 直接键合是指在不需要任何粘接剂和外加电场的情况下，将两个表面经亲水处理的硅片面对面贴 合，通过高温处理可以直接键合在一起，形成一个具有一定强度的键合片。 硅片表面化学吸附的-OH 团是室温下两接触硅片互相吸引的主要来源，硅醇键（Si-OH）在热处理 时聚合脱水转变为硅氧键（Si-O-Si）是硅片键合的主要机理。要使硅片充分键合，硅片键合前要 经过亲水处理（ “表面活化” ） ，使硅片表面产生一个易于吸附-OH 基团的结构。 41. 硅片-钠硅玻璃在高温强电场下（硅接负）会发生什么现象为什么 现象表面力使硅与玻璃可能有粘接性；高温下硅与玻璃会发生扩散（室温下不明显）；高场使 得 Na发生漂移。 原因由于硅片接电源正极，玻璃接负极，就会