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）VG=0，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