在實際的半導體器件中，半導體材料不可能是無窮大的，總有一定的邊界，因此表面（邊界）效應對半導體器件的特性具有非常重要的影響。實際上，在多數情況下半導體器件特性是由半導體表面效應而不是體內效應決定。（如MOS）
理想表面是指表面層中原子排列的對稱性與體內原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無限晶體表面(即晶體的自由表面)。當一塊半導體突然被中止時，表面理想的周期性晶格發生中斷，從而導致禁帶中出現電子態（能級），該電子態稱為表面態(Tamm state)
基本介紹
表面態的形成,發展與現狀,分類,
表面態的形成
1) 理想、清潔半導體表面：理想表面產生表面能級(表面態)的原因是塔姆(Tamm)首先提出的,他認為晶體的周期性勢場在表面處發生中斷引起了附加能級.因此,這種表面能級稱為塔姆表面能級或塔姆能級(Tamm Level).塔姆曾計算了半無限克龍尼克–潘納模型情形,證明在一定條件下每個表面原子在禁帶中對應一個表面能級.上述結論可推廣到三維情形,可以證明,在三維晶體中,仍是每個表面原子對應禁帶中一個表面能級,這些表面能級組成表面能帶.因單位面積上的原子數約為,故單位面積上的表面態數也具有相同的數量級.表面態的概念還可以從化學鍵的方面來說明.以矽晶體為例,因晶格在表面處突然終止,在表面的最外層的每個矽原子將有一個未配對的電子,即有一個未飽和的鍵.這個鍵稱為懸掛鍵,與之對應的電子能態就是表面態.因每平方厘米表面約有個原子,故相應的懸掛鍵數也應為約個.表面態的存在是肖克萊等首先從實驗上發現的.以後有人在超真空對潔淨矽表面進行測量,證實表面態密度與上述理論結果相符。
2) 實際表面：在表面處還存在由於晶體缺陷或吸附原子等原因引起的表面態這種表面態的特點是其數值(表面態密度)與表面經過的處理方法及所處的環境有關。
發展與現狀
表面態是固體自由表面或固體間接口附近局部性的電子能態。由於固體表面原子結構不同於體內原子結構，使得表面能級既不同於固體體能帶，也不同於孤立原子能級。半導體表面通常位於基本禁帶中或禁帶邊緣附近，電子波函式在表面向內、向外都是衰減的。
塔姆（Tamm）態的概念最早是在1932年提出的。塔姆指出由於表面處晶格突然中斷形成一階躍勢壘來描述一維半無限晶體中電子行為，且在真空區（Z0）仍具有布洛赫波性質。而且晶體布洛赫波函式與指數衰減波函式在表面處（Z=0）必須滿足波函式及其一階導數連續的條件，基於此條件解出能量表達式。當k取複數對應向體內方向衰減的定域在表面的電子態即塔姆態。
1935年Maue利用準自由電子（N.F.E）模型，用傅立葉級數展開晶體勢函式，取波函式及其一階導數在表面處連續的條件，證明波勢k取複數時在晶帶中有表面態存在條件。
1939年消克萊（Shockley）考慮具有兩個終端的一維有限鏈晶體的電子態。並根據原子間距大小提出表面態存在條件。Shockley的研究表明，只有較低態是S態時才產生表面態（Shockley態）。它是由表面原子出現懸掛鍵而產生的本徵表面態。
1939年戈德溫利（Goodvain）用緊束縛（TB）模型，用原子軌道線性組合法（LCAO），同樣由求解久期矩陣，得到表面態存在於能帶的結論。
1947年巴丁（Bardeen）吉布尼發現，可以用一種電解質對半導體表面加電場來控制載流子。他們研究半導體鍺的表面性質，把一隻鍺二極體浸在電解液里，並接上直流電源，發現有一部分電流是由鍺表面附近的空穴流動而形成的。他們企圖改進場效應的回響時間，卻出乎意料地發現了電晶體效應。他們採用兩根細金屬絲與鍺片的表面接觸，兩根絲分隔的距離很小時（0.005cm左右）發現一根絲與鍺片之間有微小的電流變化，這就是電晶體的放大作用。由此他們兩人發明了三極體，標誌著現代電子技術的第二次飛躍。同時Bardeen提出了費米能級釘扎的概念。認為在半導體表面存在一些能級處理禁帶中的本徵表面態。它是半導體的費米能級在表面處釘扎在這些能級位置上，因而勢壘在與金屬接觸前已經形成。不同功函式的金屬與半導體接觸不會明顯改變勢壘高度，這就是Bardeen模型。
1948年肖克萊和皮爾松（Pearson）為驗證巴丁的假說設計了世界上最早的場效應實驗裝置。證明在表面電場的作用下，表面空間電荷的一部分會發生移動，但大部分不動，原因是這些電荷“陷阱”了表面態。
1957~1960年間，庫特基和托馬希克（Tomasck）等人用線性組合法（LCAO）較有成效地處理了理想晶體表面的各種局域態，發現肖克萊型表面態形成能帶，其寬度很窄（0.2ev左右）。當表面勢微擾相當強烈時表面態形成的能帶會移到禁帶中央以下。
1964年Pugh也採用線性組合法，完成了緊束縛模型的計算。計入了第一、二、三層近鄰原子勢的微擾作用，得到了金剛石（111）表面態能帶的E~K關係，並計算了這種位於禁帶中央附近的表面態能帶態密度。發現表面態非常集中，在極窄的頻寬中的狀態占總數的90%以上。
1974年埃皮爾包姆（Appelbaum）和赫曼（Hamamn）對表面電子態的計算邁出了很重要的一步。他們採用了能很成功地計算體內能帶的自洽贗勢法，提出一種充分考慮表面上各種相互作用的表面勢公式，反覆協調錶面勢、表面電荷密度與表面能譜結構，對半導體表面電子結構進行了定量計算，取得了與實驗一致性較好的結果。除此之外，Pandy和Phillips用LCAO方法對Si（111）表面態進行計算。得到與Appelbaum等用自洽贗勢計算大致相符的結果。
還有Cohen等從另一角度，用自洽贗勢方法計算表面能帶。他們用無窮個十二層格點組成的薄片和真空薄片交替排列。這樣組成的結構具有三維周期性，可以沿用計算三維晶體能帶結構的方法。這種方法的優點是比較容易把表面的晶格重構考慮進去。後來，人們利用這種方法作了許多工作，並計算出各種表面重構的情況下系統的總能。從總能的極小值求出穩定的重構結構，並和實驗進行比較得到了很好的結果。
自洽贗勢方法用於表面計算的一個最新發展是Hybertsen和Louie用於準粒子方法來計算表面態。計算得到了As在Ge（111）面上形成的表面態與最近的角分辨光電子譜實驗結果符合得十分好。說明準粒子方法不但可用於體能帶的計算，而且在表面態的能量計算方面，也帶來了很大的改進。
1977年Spicer等用光電子譜研究了CaAs半導體的表面電子結構。在CaAs（110）表面，As原子懸掛鍵被電子占據形成填滿的表面帶，而Ca原子的懸掛鍵則完全是空的，形成全空的表面帶。表面吸附、外來原子或表面的不完整性（缺陷、台階、雜質）都會產生表面態，被稱為非本徵表面態。近幾年來，謝希德和同志們主要從事表面物理研究。對表面弛豫、表面吸附以及各種接口的研究取得了一定進展。他們用能量最低的原理研究CaAs（110）表面弛豫情況。通過一系列元素吸附前後表面結構的變化得出，CaAs（110）面費米能級的釘扎可能是由於吸附後表面馳豫減小，使表面態重新進入禁帶的緣故，與法國和德國一些學派從實驗角度得出的觀點一致。國外原有的理論計算認為Cl只能吸附在Ge（111）面的三度開位上，而謝希德首次根據自己的計算提出Cl更可能吸附在Ge（111）面的頂位上。這一結論在1982年已為國外實驗所證實。於是國際理論界重新做了計算，在1983年同意了他們關於Cl吸附在Ge（111）頂位的結論。除此之外他們還研究各種接口的電子態。由於矽化物具有較低的形成溫度和較高的電導，大規模積體電路中有廣泛的套用前景。因此她和同事們選擇了鎳矽化合物和矽界面為對象，做系統的理論研究，不僅搞清了鎳在Si（111）和Si（100）表面吸附初始階段的位置和電子特性，詳細研究不同組分鎳矽化合物的電子結構，得到鎳矽化合物電子結構隨組分的變化規律。這些研究能幫助人們了解表面的幾何結構，外來原子或分子吸附引起的各種電子態的變化、電荷的再分布、化學鍵合等許多基本原理，是半導體表面電子態研究中的前沿。
分類
1)按來源分：
本徵表面態：清潔表面（可存在再構 弛豫等）的表面態
非本徵表面態：外來因素（如存在雜質原子、吸附物、晶格缺陷等）引入的表面態
2)按電子占據情況分
滿態：已被電子占據的表面態
空態：未被電子占據的表面態
3)按帶電類型分
類施主表面態：電子占據呈中性 不被電子占據帶正電
類受主表面態：不被電子占據呈電中性 電子占據帶負電
4)按與晶體體內交換載流子的時間常數分
快表面態：與體內快速交換載流子 弛豫時間<1ms
慢表面態：與體內緩慢交換載流子 弛豫時間1ms-100s
5)按能級位置分
束縛表面態：能級在體內禁帶之中
表面共振態：能級與體內允許帶部分或全部重合 且波函式與體內波函式產生共振
