半导体物理2010(第八章).ppt

第第8 8章章 半导体表面和半导体表面和MISMIS结构结构本章主要内容本章主要内容：：lMISMIS结构中的表面电场效应结构中的表面电场效应lMISMIS结构电容结构电容- -电压特性电压特性l硅硅- -二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l我们通过一个我们通过一个MIS结构来讨论在外加电场作用下结构来讨论在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象，并假设考虑的理想半导体表面层内发生的现象，并假设考虑的理想的的MIS结构满足以下条件：结构满足以下条件：⑴⑴金属与半导体功函数相等；金属与半导体功函数相等；⑵⑵绝缘层内无电荷且绝缘层完全不导电；绝缘层内无电荷且绝缘层完全不导电；⑶⑶绝缘层与半导体交界面处不存在任何界面态绝缘层与半导体交界面处不存在任何界面态MIS结构示意图及理想MIS的能带图8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势外加电场作用于该外加电场作用于该MIS结构，金属接高电位，即结构，金属接高电位，即VG>0MIS结构由于绝缘层的结构由于绝缘层的存在不能导电，实际就存在不能导电，实际就是一个电容器，金属与是一个电容器，金属与半导体相对的两个面上半导体相对的两个面上被充电，结果金属一层被充电，结果金属一层的边界有正电荷积累，的边界有正电荷积累，而在而在P型半导体表面形型半导体表面形成一定宽度的带负电荷成一定宽度的带负电荷的空间电荷区。

的空间电荷区8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势在空间电荷区内，电场的在空间电荷区内，电场的方向由半导体与绝缘层的方向由半导体与绝缘层的交界面（半导体表面）指交界面（半导体表面）指向半导体内部，同时空间向半导体内部，同时空间电荷区内的电势也随距离电荷区内的电势也随距离而变化，这样半导体表面而变化，这样半导体表面相对体内产生了电势差，相对体内产生了电势差，同时能带在空间电荷区内同时能带在空间电荷区内发生了弯曲发生了弯曲│E│8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l表表面面势势V Vs s ：：称称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高时时，，V Vs s取正值；反之取正值；反之V Vs s取负值l表表面面势势及及空空间间电电荷荷区区内内电电荷荷的的分分布布情情况况随随金金属属与与半半导导体体间间所所加加的的电电压压VGVG而而变变化化，，基基本本上上可可归归纳纳为为三三种种情情况况：：多多子子堆堆积积、、多多子子耗耗尽尽和和少少子子反反型分析要点分析要点：：①①表面空间电荷区电场方向和表面势；表面空间电荷区电场方向和表面势；②②半导半导体表面能带弯曲情况体表面能带弯曲情况;③;③表面空间电荷区电荷组成；表面空间电荷区电荷组成；④④名称名称由来。

由来8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l⑴⑴多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态：：电场由半导体内部指向表电场由半导体内部指向表面，表面势为负值，表面面，表面势为负值，表面处能带越靠近表面向上弯处能带越靠近表面向上弯曲越接近半导体表面，越接近半导体表面，价带顶越移近费米能级甚价带顶越移近费米能级甚至高过费米能级，同时价至高过费米能级，同时价带中空穴浓度也随之增加，带中空穴浓度也随之增加，即即表面空间电荷层为空穴表面空间电荷层为空穴的堆积而带正电荷，的堆积而带正电荷，且越且越接近表面空穴浓度越高接近表面空穴浓度越高——多子堆积状态多子堆积状态M MI IS Sε8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l⑵⑵多数载流子的耗尽状态多数载流子的耗尽状态电场由半导体表面指向体内，电场由半导体表面指向体内，表面势为正值，表面处能带表面势为正值，表面处能带越靠近表面向下弯曲越靠近表面向下弯曲越接越接近表面，半导体价带顶离费近表面，半导体价带顶离费米能级越远，价带顶处的空米能级越远，价带顶处的空穴浓度随之降低表面处空穴浓度随之降低表面处空穴浓度较体内空穴浓度低得穴浓度较体内空穴浓度低得多，多，表面层的负电荷基本上表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度等于电离受主杂质浓度——多子的耗尽状态（耗尽层）。

多子的耗尽状态（耗尽层）ε8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l⑶⑶少数载流子的反型状态少数载流子的反型状态当空间电荷区内能带进一步向下当空间电荷区内能带进一步向下弯曲使费米能级位置高于禁带中弯曲使费米能级位置高于禁带中线，意味着线，意味着表面处出现了一个与表面处出现了一个与衬底导电类型相反的一层，叫做衬底导电类型相反的一层，叫做反型层反型层发生在紧靠在半反型层发生在紧靠在半导体表面处，从导体表面处，从反型层到半导体反型层到半导体内部之间还夹着一个耗尽层内部之间还夹着一个耗尽层此时，时，表面空间电荷区由两部分组表面空间电荷区由两部分组成，一部分是耗尽层中的电离受成，一部分是耗尽层中的电离受主，另一部分是反型层中的电子，主，另一部分是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区后者主要堆积在近表面区ε——少子反型状态少子反型状态8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势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V VG G<0<0V VG G>0>0V VG G>>0>>08.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势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V VG G>0>0V VG G<0<0V VG G<<0<<08.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l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，，表表面面处处为为x x轴原点。

轴原点l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电势势满满足泊松方足泊松方程程l其中其中l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）），，电电子子和和空空穴穴的的浓浓度分别为度分别为8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l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l带入可得带入可得8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l上式两边乘以上式两边乘以dVdV并积分，得到并积分，得到l将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l得得l令令 1 2 3 48.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l分别称为德拜长度分别称为德拜长度 ，，F F函数函数 则则l式式中中当当V V大大于于0 0时时，，取取“+ +”号号；；V V小小于于0 0时时，，取取“- -”号。

号8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l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l根根据据高高斯斯定定理理，，表表面面处处电电荷荷面面密密度度Q Qs s与与表表面面处处的电场强度有如下关系的电场强度有如下关系，8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l带入可得带入可得l当当金金属属电电极极为为正正，，即即V Vs s>0>0，，Q Qs s用用负负号号；；反反之之Q Qs s用用正正号号可可以以看看出出，，表表面面空空间间电电荷荷层层的的电电荷荷面面密密度度Q QS S随随表表面面势势V VS S变变化化，，正正体体现现出出MISMIS结结构构的的电电容特性8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l在单位表面积的表面层中空穴的改变量为在单位表面积的表面层中空穴的改变量为l因为因为8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l考虑到考虑到x=0x=0，，V=VV=Vs s和和x=∞x=∞，，V=0V=0，则得，则得 l同理可得同理可得8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l表面处单位面积微分电容表面处单位面积微分电容l单位单位F/mF/m2 2。

下下面面以以P P型型半半导导体体构构成成的的MISMIS结结构构，，讨讨论论三三种种类类型时的电场、电荷面密度及电容情况型时的电场、电荷面密度及电容情况返回8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况l（（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）当当V VG G<0<0时，表面势时，表面势V VS S及表面层内的电势及表面层内的电势V V都是负值，都是负值，对于足够负的对于足够负的V VS S和和V V，，F F函数函数里只有负指数项起主要里只有负指数项起主要作用表面电荷作用表面电荷Q QS S随表面势的绝对值增大而按指数随表面势的绝对值增大而按指数增长，表面电场、电荷密度及单位面积微分电容为：增长，表面电场、电荷密度及单位面积微分电容为：l（（2 2）平带状态）平带状态V VS S=0=0时，半导体表面无空时，半导体表面无空间电荷区，能带不弯曲，间电荷区，能带不弯曲，此时此时 Q QS S =0 =0，，F F=0=0 当当V VS S→→0 0时，平带电容时，平带电容为为8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况l（（3 3）耗尽状态（耗尽层））耗尽状态（耗尽层）当当V VG G>0>0时，但其大小还不足以使表面出现反型状态时，空时，但其大小还不足以使表面出现反型状态时，空间电荷区为空穴的耗尽层。

间电荷区为空穴的耗尽层F F函数函数中起主要作用的为中起主要作用的为 ，此时：，此时：代入代入L LD D采用耗尽采用耗尽近似近似8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况返回对于耗尽状态，空间电荷区也可以用对于耗尽状态，空间电荷区也可以用““耗尽层近似耗尽层近似””来处来处理，即假设空间电荷区内所有负电荷全部由电离受主提供，理，即假设空间电荷区内所有负电荷全部由电离受主提供，对于均匀掺杂的半导体，电荷密度为：对于均匀掺杂的半导体，电荷密度为：代入泊松方程求解，得到：代入泊松方程求解，得到：电势分布电势分布 表面势表面势其中的其中的x xd d为空间电荷区宽度，若已知表面势为空间电荷区宽度，若已知表面势V VS S，可求出电，可求出电荷区荷区宽度为宽度为单位面积电容单位面积电容 电荷面密度电荷面密度 8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况l（（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， VG＞＞0 ））①①弱反型：如能带图所示，表面开始出现反型层的条件：弱反型：如能带图所示，表面开始出现反型层的条件： 表面处表面处即表面势＝费米势即表面势＝费米势所以形成弱反型层的条件：所以形成弱反型层的条件：8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况其中：其中：②②强反型层出现的条件：当Ｐ型衬底表面处的电子浓度等于体强反型层出现的条件：当Ｐ型衬底表面处的电子浓度等于体内的多子空穴浓度时。

内的多子空穴浓度时半导体表面达到强反型层的条件：半导体表面达到强反型层的条件：8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况此时表面势为：此时表面势为：当半导体表面进入强反型时，即当当半导体表面进入强反型时，即当VS=2VBVS=2VB时金属板上加的电时金属板上加的电压习惯上称为压习惯上称为开启电压开启电压，以，以VTVT表示，该电压由绝缘层和半导表示，该电压由绝缘层和半导体表面空间电荷区共同承担，即体表面空间电荷区共同承担，即其中其中V0V0是落在绝缘层上的电压降，是落在绝缘层上的电压降，2VB2VB是落在空间电荷区的电是落在空间电荷区的电压降，也就是表面势压降，也就是表面势 (注意注意：开启电压的求法）：开启电压的求法）对于弱反型和强反型，空间电荷区的电场、电荷面密度及电对于弱反型和强反型，空间电荷区的电场、电荷面密度及电容公式有一些区别，讨论如下：容公式有一些区别，讨论如下：8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况弱反型时弱反型时：空间电荷层的电场、电荷密度公式与：空间电荷层的电场、电荷密度公式与多子耗多子耗尽时尽时相似，相似，F F函数简化为：函数简化为：临界强反型时临界强反型时: :8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况到达强反型之后到达强反型之后，当表面势，当表面势V VS S比比2V2VB B大的多时，大的多时，F F函数函数简化简化为：为：此时，电场、面电荷密度及表面空间电荷层电容分别为：此时，电场、面电荷密度及表面空间电荷层电容分别为：8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况 对以对以P P型半导体为衬底的理想型半导体为衬底的理想MISMIS结构，半导体表面空结构，半导体表面空间电荷区的电荷面密度间电荷区的电荷面密度Q QS S随表面势随表面势V VS S变化的曲线如书中图变化的曲线如书中图8-68-6所示。

所示 此外，需要注意的是一旦出现强反型，表面耗尽层宽此外，需要注意的是一旦出现强反型，表面耗尽层宽度就达到一个极大值度就达到一个极大值x xdmdm，不再随外加电压的增加而继续，不再随外加电压的增加而继续增加，利用增加，利用耗尽层近似的方法耗尽层近似的方法求出求出最大宽度最大宽度：：这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用，当电压这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用，当电压继续增大时，通过电子的继续增多来保持电中性，而不必继续增大时，通过电子的继续增多来保持电中性，而不必使耗尽层向半导体内部继续延伸使耗尽层向半导体内部继续延伸8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况l⑸⑸深耗尽状态深耗尽状态 这是一种非平衡状态，如在这是一种非平衡状态，如在MISMIS结构上加一高频正弦结构上加一高频正弦波形成的正电压，虽然电压的幅度已经超过强反型条件，波形成的正电压，虽然电压的幅度已经超过强反型条件，但是由于空间电荷层中电子的产生速率赶不上电压的变化，但是由于空间电荷层中电子的产生速率赶不上电压的变化，反型层来不及建立，为了保持和金属板上的正电荷平衡，反型层来不及建立，为了保持和金属板上的正电荷平衡，只能依靠将耗尽层向半导体内部继续推进而产生更多的电只能依靠将耗尽层向半导体内部继续推进而产生更多的电离受主。

此时，空间电荷区的电荷全部由电离受主提供，离受主此时，空间电荷区的电荷全部由电离受主提供，耗尽层的宽度可超过最大宽度耗尽层的宽度可超过最大宽度x xdmdm，且宽度随电压，且宽度随电压V VG G的增加的增加而增大，称为而增大，称为““深耗尽状态深耗尽状态””，仍可用耗尽层近似来处理仍可用耗尽层近似来处理8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况§§8.3 MIS8.3 MIS结构的电容结构的电容- -电压特性电压特性lMISMIS结构的微分电容结构的微分电容l理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性l理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性l实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性8.3.1 MIS8.3.1 MIS结构的微分电容结构的微分电容l栅压栅压——V VG G= V= VO O+ V+ VS S l当不考虑表面态电荷当不考虑表面态电荷, ,半导体的总电荷面密度半导体的总电荷面密度 Q QS S = - Q= - QG G lMISMIS结构的微分电容结构的微分电容——C C  d dQ QG G/dV/dVG G l定义定义u 绝缘层电容绝缘层电容——u 空间电荷区电容空间电荷区电容——则有则有 即即 上式说明，上式说明，MISMIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，荷层电容的串联，其等效电路如右图。

其等效电路如右图8.3.1 MIS8.3.1 MIS结构的微分电容结构的微分电容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l理想理想MISMIS结构结构: :Ø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））Ø氧化层中没有电荷存在（氧化层中没有电荷存在（Qo=0Qo=0））Ø半导体－氧化物没有界面态（半导体－氧化物没有界面态（Qss=0Qss=0））lMISMIS结构的微分电容公式结构的微分电容公式: : 把把8.28.2节中计算出的各种状态下的节中计算出的各种状态下的C CS S代入公式，代入公式，可求得理想可求得理想MISMIS结构在各种状态下的结构在各种状态下的C/CC/C0 0值，仍以值，仍以P P型衬底的型衬底的MISMIS结构为例结构为例⒈⒈多子堆积状态多子堆积状态：：V VG G<0 V<0 VS S<0 <0 u当负偏压较大时，上式指数项远小于当负偏压较大时，上式指数项远小于1,(C/Co)→1, MIS1,(C/Co)→1, MIS结构的电容呈现为结构的电容呈现为CoCo，如图中，如图中ABAB段所示。

段所示u当负偏压较小时，指数项也要考虑，随着负偏压当负偏压较小时，指数项也要考虑，随着负偏压逐渐增大逐渐增大,(C/Co),(C/Co)逐渐减小，图中逐渐减小，图中BCBC段所示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⒉⒉平带状态平带状态，，V VG G=0, V=0, VS S=0=0u归一化平带电容（把归一化平带电容（把LDLD代入后）代入后）由由MISMIS结构的参数结构的参数εεrsrs、、εεr0r0、、N NA A、、d d0 0，就可以，就可以估算出平带电容的大小估算出平带电容的大小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⒊⒊多子耗尽状态多子耗尽状态及弱反型时：及弱反型时：V VG G>0, 00, 0

段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⒋⒋表面强反型表面强反型时：时： V VG G> V> VT T, V, VS S> 2V> 2VB Bu①①如果是如果是处于低频信号处于低频信号下，强反型的下，强反型的MISMIS结构上结构上qVqVS S>2qV>2qVB B>>k>>k0 0T T，上式分母第二项的很小趋近于零，，上式分母第二项的很小趋近于零，所以所以(C/Co)→1(C/Co)→1，说明，说明MISMIS结构电容又上升到等于绝结构电容又上升到等于绝缘层电容，如图缘层电容，如图EFEF段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♦②②如果是如果是处于处于高频信号高频信号下下, ,反型层中电子的产生与复合反型层中电子的产生与复合跟不上频率的变化跟不上频率的变化, ,空间电荷区电容呈现的是耗尽层电空间电荷区电容呈现的是耗尽层电容，由于强反型时耗尽层有最大宽度容，由于强反型时耗尽层有最大宽度x xdmdm，使耗尽层电，使耗尽层电容达最小值，所以容达最小值，所以MISMIS结构的电容也呈现极小电容结构的电容也呈现极小电容C Cminmin` `——不再随偏压不再随偏压V VG G变化，如图变化，如图GHGH段。

此时段此时8.3.3 8.3.3 理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性l⒌⒌深耗尽状态深耗尽状态：： 若理想若理想MISMIS结构处于深耗尽状态，此时耗尽层宽结构处于深耗尽状态，此时耗尽层宽度度x xd d随外加随外加V VG G而变化，而变化，C CS S不再是定值，所以不再是定值，所以MISMIS结构电结构电容容C/CC/C0 0不再呈现为最小值不再呈现为最小值8.3.3 8.3.3 理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 一、金属与半导体功函数差异的影响一、金属与半导体功函数差异的影响l⒈⒈无外加偏压时能带图：无外加偏压时能带图： 若金属和半导体存在功函数差异，当形成若金属和半导体存在功函数差异，当形成MISMIS系统系统时，为了使金属和半导体的费米能级保持水平，在半时，为了使金属和半导体的费米能级保持水平，在半导体表面会形成空间电荷区，表面能带发生弯曲，表导体表面会形成空间电荷区，表面能带发生弯曲，表面势面势V VS S不为零。

不为零 下图为某一实际下图为某一实际P P型型MISMIS结构在无外加偏压时的能结构在无外加偏压时的能带图，考虑带图，考虑W Wm m0>0，能带下弯能带下弯Vs>08.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性l⒉⒉功函数差对功函数差对C-VC-V曲线的影响：曲线的影响： 存在功函数差异的实际存在功函数差异的实际MISMIS结构和理想结构和理想MISMIS结构的结构的C-C-V V特性曲线形状一致，但位置有一些变化特性曲线形状一致，但位置有一些变化 在上面的例子中，无偏压时在上面的例子中，无偏压时V VS S>0>0，能带下弯，为了，能带下弯，为了恢复半导体表面平带状态，必须在金属一侧加一定的负恢复半导体表面平带状态，必须在金属一侧加一定的负电压，抵消半导体表面势对能带的影响电压，抵消半导体表面势对能带的影响这个为了恢复这个为了恢复平带状态所需加的电压叫做平带电压，以平带状态所需加的电压叫做平带电压，以V VFBFB表示表示，大小，大小为：为：8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 左图为该左图为该MISMIS结构的实际结构的实际C-C-V V特性曲线（曲线特性曲线（曲线2 2）。

从）从图中可知，与理想图中可知，与理想MISMIS结构结构C-VC-V曲线（曲线曲线（曲线1 1）相比，）相比，实际实际MISMIS的的C-VC-V曲线沿电压曲线沿电压轴向负方向平移了一段距轴向负方向平移了一段距离离││V VFBFB││ 综上：综上：金属与半导体存在功函数差的实际金属与半导体存在功函数差的实际MISMIS结构，结构，其其C-VC-V特性曲线会沿电压轴向左或右平移，平移的特性曲线会沿电压轴向左或右平移，平移的距离即为平带电压距离即为平带电压V VFBFB，其正负代表平移的方向其正负代表平移的方向BVFB8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性二、绝缘层电荷对二、绝缘层电荷对MISMIS结构结构C-VC-V特性的影响特性的影响 设绝缘层中有一薄层电荷，单位面积上的电荷量设绝缘层中有一薄层电荷，单位面积上的电荷量为为Q Q，离金属表面的距离为，离金属表面的距离为x x，带正电l⒈⒈无偏压时绝缘层电荷对半导体能带的影响无偏压时绝缘层电荷对半导体能带的影响 为了保持电中性，绝缘层的正电荷会在金属及半为了保持电中性，绝缘层的正电荷会在金属及半导体表面层中感应出负电荷，因此在半导体表面有负导体表面层中感应出负电荷，因此在半导体表面有负的空间电荷区，表面能带下弯，表面势的空间电荷区，表面能带下弯，表面势V VS S>0>0。

8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性Q>0l⒉⒉绝缘层电荷对绝缘层电荷对C-VC-V特性的影响特性的影响 半导体表面感应出的负电荷导致了半导体表面能半导体表面感应出的负电荷导致了半导体表面能带的弯曲，为了恢复半导体的平带状态，需要在金属带的弯曲，为了恢复半导体的平带状态，需要在金属一侧加一个负偏压一侧加一个负偏压V VFBFB，使金属板上的负电荷量增加到，使金属板上的负电荷量增加到等于绝缘层电荷等于绝缘层电荷Q Q，这样半导体表面就不会有感应的负，这样半导体表面就不会有感应的负电荷，表面能带恢复水平状态，电荷，表面能带恢复水平状态，V VFBFB的大小，我们这样的大小，我们这样来考虑：来考虑：8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 在平带电压在平带电压V VFBFB的作用下，电荷只出现在金属板和的作用下，电荷只出现在金属板和绝缘层中，内电场集中在金属板和绝缘层薄层电荷之绝缘层中，内电场集中在金属板和绝缘层薄层电荷之间，由高斯定理可推出：间，由高斯定理可推出： 该该MISMIS结构的结构的C-VC-V特性曲线也沿电压轴向负方向平移，特性曲线也沿电压轴向负方向平移，平移的距离即为平移的距离即为││V VFBFB││，如图中的，如图中的曲线（曲线（2 2））。

其中其中C C0 0————绝缘层单位面积电容绝缘层单位面积电容8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性l⒊⒊绝缘层电荷位置对绝缘层电荷位置对C-VC-V特性的影响特性的影响 当当x=0x=0时，绝缘层电荷贴近金属一侧，时，绝缘层电荷贴近金属一侧，V VFBFB=0=0 当当x=dx=d0 0时，绝缘层电荷贴近半导体一侧，平带电压时，绝缘层电荷贴近半导体一侧，平带电压有最大值有最大值 这说明绝缘层电荷越接近半导体表面，对这说明绝缘层电荷越接近半导体表面，对C-VC-V特性的影特性的影响越大，若位于金属与绝缘层界面处，对响越大，若位于金属与绝缘层界面处，对C-VC-V特性无影特性无影响8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性l⒋⒋体分布的绝缘层电荷对平带电压的影响体分布的绝缘层电荷对平带电压的影响 若绝缘层中的电荷不是薄层分布而是体分布，设金若绝缘层中的电荷不是薄层分布而是体分布，设金属与绝缘层界面为坐标原点，体电荷密度为属与绝缘层界面为坐标原点，体电荷密度为ρ(x)ρ(x)，其平，其平带电压为：带电压为： 当功函数差和绝缘层电荷同时存在时，平带电压为：当功函数差和绝缘层电荷同时存在时，平带电压为：8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性硅硅- -二氧化硅系统中的电荷和态二氧化硅系统中的电荷和态l1. 1. 二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子l2. 2. 二氧化硅中的固定表面二氧化硅中的固定表面电荷电荷l3. 3. 在硅在硅–二氧化硅界面处二氧化硅界面处的快界面态的快界面态l4.4.二氧化硅中的陷阱电荷二氧化硅中的陷阱电荷8.4 Si-SiO8.4 Si-SiO2 2系统的性质系统的性质8.4.1 8.4.1 二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子l二氧化硅中的可动离子有二氧化硅中的可动离子有NaNa、、K K、、H H等，其中最主等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是要而对器件稳定性影响最大的是NaNa离子。

离子l来源来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等体沾污等 l为什么为什么SiOSiO2 2层中容易玷污这些正离子而且易于在其层中容易玷污这些正离子而且易于在其中迁移呢？中迁移呢？二氧化硅的网络状结构二氧化硅的网络状结构l二氧化硅结构的基本单二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组元是一个由硅氧原子组成的四面体，成的四面体，NaNa离子存离子存在于四面体之间，使二在于四面体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从氧化硅呈现多孔性，从而导致而导致NaNa离子易于在二离子易于在二氧化硅中迁移或扩散氧化硅中迁移或扩散 l由于由于NaNa的扩散系数远远的扩散系数远远大于其它杂质根据爱大于其它杂质根据爱因斯坦关系，扩散系数因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故跟迁移率成正比，故NaNa离子在二氧化硅中的迁离子在二氧化硅中的迁移率也特别大移率也特别大 l温度达到温度达到127127摄氏度以上时，摄氏度以上时，NaNa离子在电场作用离子在电场作用下以较大的迁移率发生迁移运动下以较大的迁移率发生迁移运动二氧化硅中钠离子的漂移二氧化硅中钠离子的漂移对对C-VC-V曲线的影响曲线的影响曲线曲线1 1为原始为原始C-VC-V曲线，认曲线，认为此时所有可动钠离子都为此时所有可动钠离子都位于金属和绝缘层交界附位于金属和绝缘层交界附近；曲线近；曲线2 2是加正是加正10V10V偏压偏压在在127℃127℃下退火下退火3030分钟后测分钟后测得的得的C-VC-V曲线；接着在加负曲线；接着在加负10V10V偏压并在同样温度下退偏压并在同样温度下退火火3030分钟后测其分钟后测其C-VC-V曲线，曲线，即为曲线即为曲线3 3。

B B-T-T实验测定可动离子电荷密度：实验测定可动离子电荷密度：l上述实验称为偏压上述实验称为偏压–温度实验，简称温度实验，简称B-TB-T实验可以实验可以利用该实验测量二氧化硅中单位面积上的可动离子利用该实验测量二氧化硅中单位面积上的可动离子NaNa离子的电荷密度：离子的电荷密度： 从而求出二氧化硅层中单位面积钠离子数目为：从而求出二氧化硅层中单位面积钠离子数目为：——△V——△VFBFB是曲线是曲线1 1和和2 2平带电压之差平带电压之差l可动钠离子对器件的稳定性影响最大可动钠离子对器件的稳定性影响最大 （（1 1）漏电增加，击穿性能变坏）漏电增加，击穿性能变坏 （（2 2）平带电压增加）平带电压增加l如何解决钠离子玷污的问题如何解决钠离子玷污的问题 （（1 1）把好清洁关）把好清洁关 （（2 2）磷蒸汽处理）磷蒸汽处理8.4.2 8.4.2 二氧化硅中的固定表面电荷二氧化硅中的固定表面电荷二氧化硅层中固定电荷有如下特征二氧化硅层中固定电荷有如下特征 l电荷面密度是固定的电荷面密度是固定的l这些电荷位于这些电荷位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200Å范围以内范围以内l固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响 l固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系体的取向有很显著的关系 过剩硅离子是固定正电荷的来源过剩硅离子是固定正电荷的来源l这些电荷出现在这些电荷出现在Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200Å范围以内，范围以内，这个区域是这个区域是SiOSiO2 2与硅结合的地方，极易出现与硅结合的地方，极易出现SiOSiO2 2层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子过剩的硅离子l实验证明，若在硅晶体取向分别为实验证明，若在硅晶体取向分别为[111][111]、、[110][110]和和[100][100]三个方向生长三个方向生长SiOSiO2 2时，他们的时，他们的硅硅–二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为比约为3:2:13:2:1。

l将氧离子注入将氧离子注入Si-SiO2Si-SiO2系统界面处，在系统界面处，在450450度度进行处理，发现固定表面电荷密度有所下降进行处理，发现固定表面电荷密度有所下降l将将MOSMOS结构加上负栅偏压进行热处理实验发结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度高出钠离子漂移温度（现，当温度高出钠离子漂移温度（127127度）度）时，这些固定的表面电荷密度有所增加时，这些固定的表面电荷密度有所增加 固定表面电荷（带正电）位于固定表面电荷（带正电）位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面处，相当于绝缘层中有离金属的距离为处，相当于绝缘层中有离金属的距离为d0d0的一层带正电的面电荷一样，因此也会带的一层带正电的面电荷一样，因此也会带来平带电压的影响，如下图所示来平带电压的影响，如下图所示由由8.3.48.3.4节节的内容可知，固定表的内容可知，固定表面电荷面电荷Q Qfcfc引起的平带电压为：引起的平带电压为： 单位面积的固定正电荷数目单位面积的固定正电荷数目 固定表面电荷对固定表面电荷对MISMIS结构的结构的C-VC-V曲线的影响：曲线的影响： 与与B-TB-T实验相关的例题解析：实验相关的例题解析：l一、在一个一、在一个P型半导体构成的型半导体构成的MIS结构中，绝缘层里同时含结构中，绝缘层里同时含有可动钠离子和固定表面电荷，在已知该有可动钠离子和固定表面电荷，在已知该MIS结构各组成结构各组成物质的参数的前提下（绝缘层厚度、功函数、介电常数等）物质的参数的前提下（绝缘层厚度、功函数、介电常数等），分析如何通过，分析如何通过B-T实验来确定绝缘层中的可动离子电荷面实验来确定绝缘层中的可动离子电荷面密度密度Qm及固定表面电荷面密度及固定表面电荷面密度Qfc？？l注意结合注意结合C-V曲线和曲线和B-T实验的计算问题。

实验的计算问题与与B-TB-T实验相关的例题解析：实验相关的例题解析：l二、用二、用N型硅单晶作为衬底制成的型硅单晶作为衬底制成的MOS二极管，金属铝面二极管，金属铝面积为积为 在150℃℃下进行负下进行负B-T和正和正B-T处理，测得其处理，测得其C-V特性曲线分别如图特性曲线分别如图⑴⑴和和⑵⑵ 已知：已知： 求：求：⒈⒈二氧化硅层的厚度二氧化硅层的厚度d0；； ⒉⒉二氧化硅层中的固定表面电荷面密度二氧化硅层中的固定表面电荷面密度Qfc; ⒊⒊二氧化硅层中的可动离子电荷面密度二氧化硅层中的可动离子电荷面密度Qm8.4.3 8.4.3 在在Si-SiOSi-SiO2 2界面处的快界面态界面处的快界面态lSi-SiOSi-SiO2 2系统中位于两者界面处的界面态就是来自系统中位于两者界面处的界面态就是来自于悬挂键，即所谓塔姆能级于悬挂键，即所谓塔姆能级l硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，同样引入界面态同样引入界面态l在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态，这些界在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态，这些界面态位于面态位于Si-SiOSi-SiO2 2界面处，所以可以迅速地和界面处，所以可以迅速地和SiSi半半导体内导带或价带交换电荷，故此称为导体内导带或价带交换电荷，故此称为“快态快态”。

l界面态能级被电子占据时呈现电中性，而施放了电子界面态能级被电子占据时呈现电中性，而施放了电子之后呈现正电性，称为施主型界面态之后呈现正电性，称为施主型界面态 l若能级空着时为电中性而被电子占据时带上负电荷，若能级空着时为电中性而被电子占据时带上负电荷，即称为受主型界面态即称为受主型界面态 l界面态能级被电子或空穴所占据的概率，与半导体内界面态能级被电子或空穴所占据的概率，与半导体内部的杂质能级被电子占据的概率分布相同部的杂质能级被电子占据的概率分布相同 l一般分布：认为界面态能一般分布：认为界面态能级连续地分布在禁带中，级连续地分布在禁带中，其中有两个高密度峰：一其中有两个高密度峰：一个靠近导带底为受主界面个靠近导带底为受主界面态；另一个靠近价带顶为态；另一个靠近价带顶为施主界面态施主界面态 减少界面态的方法减少界面态的方法 l合理地选择面原子密度小的晶面，如（合理地选择面原子密度小的晶面，如（100100）晶面）晶面上生长上生长SiOSiO2 2，会减小未饱和的悬挂键的密度，从，会减小未饱和的悬挂键的密度，从而使界面态密度下降而使界面态密度下降 l通过选择在适当的条件和气氛下对通过选择在适当的条件和气氛下对Si-SiOSi-SiO2 2系统进系统进行退火，来降低表面态的密度行退火，来降低表面态的密度 8.4.4 SiO8.4.4 SiO2 2中的陷阱电荷中的陷阱电荷lSiSi－－SiOSiO2 2系统在器件工艺，测试或应用中常常会受系统在器件工艺，测试或应用中常常会受高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时，可以在氧高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时，可以在氧化层中产生电子－空穴对。

在偏压作用下，电子－化层中产生电子－空穴对在偏压作用下，电子－空穴对中的电子容易运动至外加偏置电路形成电流，空穴对中的电子容易运动至外加偏置电路形成电流，而空穴即被而空穴即被SiOSiO2 2层中的陷阱陷落而运动不到电极中层中的陷阱陷落而运动不到电极中去，那么氧化层就带上了正电荷，这就是去，那么氧化层就带上了正电荷，这就是陷阱电荷陷阱电荷 lSiSi－－SiOSiO2 2系统系统C-VC-V特性向负偏压方向平移而出现平带特性向负偏压方向平移而出现平带电压电压 l陷阱电荷在惰性气体中，在陷阱电荷在惰性气体中，在300300度以上进行低温退火，度以上进行低温退火，可以很快消除可以很快消除 本章主要内容回顾本章主要内容回顾l一、一、MISMIS结构在外加偏压情况下，半导体表面出现结构在外加偏压情况下，半导体表面出现的三种不同状态；的三种不同状态；l二、多子堆积、多子耗尽和少子反型三种状态下半二、多子堆积、多子耗尽和少子反型三种状态下半导体表面的导体表面的Q QS S、、E ES S和和C CS S的形式；强反型条件及开启的形式；强反型条件及开启电压的相关计算；电压的相关计算；l三、理想三、理想MISMIS结构的电容结构的电容C C公式及理想公式及理想C-VC-V曲线；功曲线；功函数差和绝缘层电荷对函数差和绝缘层电荷对MISMIS结构的结构的C-VC-V曲线的影响；曲线的影响；l四、如何利用四、如何利用B-TB-T实验的结果分析硅实验的结果分析硅- -二氧化硅系统二氧化硅系统中电荷的影响；中电荷的影响；。