半导体物理半导体表面和MIS结构.pptx
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1、第第8 8章章 半导体表面和半导体表面和MISMIS结构结构本章重点:本章重点:n表面态概念表面态概念n表面电场效应表面电场效应nMISMIS结构电容结构电容-电压特性电压特性n硅硅-二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质8.18.1表面态表面态n理理想想表表面面:表表面面层层中中原原子子排排列列的的对对称称性性与与体体内内原原子子完完全全相相同同,且且表表面面不不附附着着任任何何原原子子或或分分子子的半无限晶体表面。的半无限晶体表面。n在在半半导导体体表表面面,晶晶格格不不完完整整性性使使势势场场的的周周期期性性被被破破坏坏,在在禁禁带带中中形形成成局局部部状状态态的的能能级级分分布布(产产生生附
2、附加加能能级级),这这些些状状态态称称为为表表面面态态或或达达姆能级姆能级。清洁表面的表面态所引起的表面能级,彼此清洁表面的表面态所引起的表面能级,彼此靠得很近,形成准连续的能带,分布在禁带内。靠得很近,形成准连续的能带,分布在禁带内。n从从化化学学键键的的角角度度,以以硅硅晶晶体体为为例例,因因晶晶格格在在表表面面处处突突然然终终止止,在在表表面面最最外外层层的的每每个个硅硅原原子子将将有有一一个个未未配配对对的的电电子子,即即有有一一个个未未饱饱和和的的键键,这这个个键键称称为为悬悬挂挂键键,与与之之对对应应的的电电子能态就是表面态。子能态就是表面态。n实实际际表表面面由由于于薄薄氧氧化化
3、层层的的存存在在,使使硅硅表表面面的的悬悬挂挂键键大大部部分分被二氧化硅层的氧原子所饱和,表面态密度大大降低。被二氧化硅层的氧原子所饱和,表面态密度大大降低。n此此外外表表面面处处还还存存在在由由于于晶晶体体缺缺陷陷或或吸吸附附原原子子等等原原因因引引起起的的表面态;这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。表面态;这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。n由由表表面面态态(表表面面能能级级)的的性性质质和和费费米米能能级级的的位位置置,它它们们可可能能成成为为施施主主或或受受主主能能级级,或或者者成成为为电电子子空穴对的空穴对的复合中心复合中心。半导体表面态为施主态时,向导带提供电子后半导
4、体表面态为施主态时,向导带提供电子后变成正电荷,表面带正电;若表面态为受主态,变成正电荷,表面带正电;若表面态为受主态,表面带负电。表面带负电。表面附近可动电荷会重新分布,形成空间电荷表面附近可动电荷会重新分布,形成空间电荷区和表面势,而使表面层中的能带发生变化。区和表面势,而使表面层中的能带发生变化。8.28.2表面电场效应表面电场效应8.2.18.2.1空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势表面空间电荷区的形成:表面空间电荷区的形成:外加电场作用于半导体表面外加电场作用于半导体表面8.28.2表面电场效应表面电场效应8.2.18.2.1空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势电场电场电势电势电子
5、势能电子势能表面能带表面能带8.28.2表面电场效应表面电场效应8.2.18.2.1空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势n表表面面势势:空空间间电电荷荷层层两两端端的的电电势势差差为为表表面面势势,以以V Vs s表表示示之之,规规定定表表面面电电势势比比内内部部高时,高时,V Vs s取正值;反之取正值;反之V Vs s取负值。取负值。n三三种种情情况况:多多子子堆堆积积、多多子子耗耗尽尽和和少少子子反型。反型。8.2.28.2.2表面空间电荷层的电场、电表面空间电荷层的电场、电势和电容势和电容n规规定定x x轴轴垂垂直直于于表表面面指指向向半半导导体体内内部部,表表面处为面处为x x轴原点
6、。轴原点。n采采用用一一维维近近似似处处理理方方法法。空空间间电电荷荷层层中中电势满足泊松方程电势满足泊松方程n其中其中n设设半半导导体体表表面面层层仍仍可可以以使使用用经经典典分分布布,则则在在电电势势为为V V的的x x点点(半半导导体体内内部部电电势势为为0 0),电子和空穴的浓度分别为),电子和空穴的浓度分别为n在半导体内部,电中性条件成立,故在半导体内部,电中性条件成立,故即即n带入可得带入可得n上式两边乘以上式两边乘以dVdV并积分,得到并积分,得到n将上式两边积分,并根据将上式两边积分,并根据n得得n令令 n分别称为德拜长度分别称为德拜长度 ,F F函数函数。则则n式中当V大于0
7、时,取“+”号;小于0时,取“-”号。n在表面处在表面处V=VV=Vs s,半导体表面处电场强度,半导体表面处电场强度n根根据据高高斯斯定定理理,表表面面电电荷荷面面密密度度Q Qs s与与表表面面处的电场强度有如下关系处的电场强度有如下关系,n带入可得带入可得n当当金金属属电电极极为为正正,即即V Vs s00,Q Qs s用用负负号号;反反之之Q Qs s用正号。用正号。n在在单单位位表表面面积积的的表表面面层层中中空空穴穴的的改改变变量量为为n因为因为n考虑到考虑到x=0 x=0,V=VV=Vs s和和x=x=,V=0V=0,则得,则得 n同理可得同理可得n微分电容微分电容n单位单位F/
8、mF/m2 2。8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态n(1 1)多数载流子堆积状态(积累层)多数载流子堆积状态(积累层)(1)积累层()积累层(VG0)(Vs0)V VG G000时,表面处空穴被排斥时,表面处空穴被排斥走,当空穴势垒足够高时,走,当空穴势垒足够高时,表面层价带空穴极为稀少,表面层价带空穴极为稀少,可认为该层多子空穴被耗可认为该层多子空穴被耗尽,称为耗尽层。尽,称为耗尽层。表面微分电容为表面微分电容为采用耗尽近似采用耗尽近似8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态n(4 4)少数载流子反型状态(反型层,)少数载流子反型状态(反型层,VG0)开始出现反
9、型层的条件:开始出现反型层的条件:表面势费米势时表面势费米势时反型层的条件:反型层的条件:8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态强反型层出现的条件:型衬底表面处的电子密度等于体内强反型层出现的条件:型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。的空穴浓度时。强反型层条件强反型层条件:8.2.3 8.2.3 各种表面层状态各种表面层状态金属与半导体间加负压,多子堆积金属与半导体间加负压,多子堆积金属与半导体间加不太高的正压,多子耗尽金属与半导体间加不太高的正压,多子耗尽金属与半导体间加高正压,少子反型金属与半导体间加高正压,少子反型p p型半导体型半导体8.2.3 8.2.3 各种表
10、面层状态各种表面层状态n n 型半导体型半导体金属与半导体间加正压,多子堆积金属与半导体间加正压,多子堆积金属与半导体间加不太高的负压,多子耗尽金属与半导体间加不太高的负压,多子耗尽金属与半导体间加高负压,少子反型金属与半导体间加高负压,少子反型8.3 MIS8.3 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性nMISMIS结构的微分电容结构的微分电容n理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性n理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性n实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性8.3.1 8.3.1 MISMIS结构的微分电容结构的微分电容n栅
11、压栅压V VG G=V=VO O+V+VS S n当不考虑表面态电荷当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷半导体的总电荷 面密度面密度 Q QS S =-Q-QG G nMISMIS结构的微分电容结构的微分电容C C d dQ QG G/dV/dVG G n定义定义u 氧化层电容氧化层电容u 空间电荷区电容空间电荷区电容则有则有8.3.2 8.3.2 理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性n理想理想MISMIS结构结构:金属的功函数与半导体相同(金属的功函数与半导体相同(Vms=0Vms=0)氧化层中没有电荷存在(氧化层中没有电荷存在(Qo=0Qo=0)半导体氧化物没有界面态
12、(半导体氧化物没有界面态(Qss=0Qss=0)MSIMIS结构的微分电容公式结构的微分电容公式:V VG G0 V0 VS S0 0,00,0VS S 2V V VT T,V,VS S 2V 2VB Bu表面强反型表面强反型,C CS S很大很大,(C/Co)1,(C/Co)1n阈值电压阈值电压(开启电压开启电压)半导体表面刚达到强反半导体表面刚达到强反型时所加的栅压型时所加的栅压 n归一化电容归一化电容8.3.38.3.3理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性 表面积累表面积累,表面耗尽表面耗尽,高低频特性一样高低频特性一样 V VG G V VT T,V VS S
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