半导体物理学第七版刘恩科编著chap8.ppt

第八章 半导体表面与MIS结构Semiconductor surface and metal-insulator- semiconductor structure,8.1 表面态,晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，同样也应引起附加能级这种能级称作达姆表面能级悬挂键所对应的电子能态就是表面态,理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低此外表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态；这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关§8.2 表 面 电 场 效 应Effect of Surface Electric,理想MIS结构,（1）Wm=Ws； （2）绝缘层内无电荷,且绝缘层不导电； （3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态Effect of Surface Electric,,,,,Co,Cs,MIS结构,等效电路,Effect of Surface Electric,,VG=0时,理想MIS结构的能带图,Ev1,Ec1,Ei,Ev,Ec,EFs,EFm,Effect of Surface Electric,,如果VG>0:,d,x,0,+VG,p型半导体表面感生一个荷负电的空间电荷层,,Effect of Surface Electric,,空间电荷层内的能带发生弯曲,qVs,Ec,Ev,EF,,,Effect of Surface Electric,,表面势：空间电荷层两端的电势差为表面势，以Vs表示之，规定表面电势比内部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。

8.2.1 空间电荷层及表面势,Effect of Surface Electric,,特征： 1）能带向上弯曲 并接近EF；,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,Qs,Qm,x,VG<0,2）多子（空穴） 在半导体表面 积累，越接近 半导体表面多 子浓度越高Effect of Surface Electric,,,（1）多数载流子堆积状态,(2) 平 带,特征：半导体表面能带平直VG=0,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,Effect of Surface Electric,,特征： 1）表面能带 向下弯曲；,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,VG≥0,Qm,Qs,x,2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电3）多数载流子耗尽状态,Effect of Surface Electric,,特征： 1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；,,,,2）表面区的少子数>多子数——表面反型； 3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层4）少数载流子反型状态,Effect of Surface Electric,,p型半导体：1.多数载流子堆积状态金属与半导体表面加负压，表面势为负，表面处能带向上弯曲。

2.多数载流子耗尽状态金属与半导体表面加正压，表面势为正，表面处能带向下弯曲，表面处空穴远低于体内空穴浓度3.少数载流子反型状态当金属与半导体表面间正压进一步增大，表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量，形成反型层半导体空间电荷层的负电荷由两部分组成：耗尽层中已经电离的受主负电荷和反型层中的电子Effect of Surface Electric,,,n 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；,Effect of Surface Electric,,（1a）表面电场分布Es,Effect of Surface Electric,,8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容,,Effect of Surface Electric,,Effect of Surface Electric,,Effect of Surface Electric,,（1b）表面电荷分布Qs,Effect of Surface Electric,,（1c）表面电容Cs,Effect of Surface Electric,,讨论：,Effect of Surface Electric,,（1）多子积累时：Vs<0,Qs>0,Effect of Surface Electric,,Effect of Surface Electric,,Vs,/Qs/,Effect of Surface Electric,,(2)平带：Vs=0,Effect of Surface Electric,,Effect of Surface Electric,,CFB,Effect of Surface Electric,,（3）耗尽： Vs>0,Effect of Surface Electric,,,/Qs/,Vs,Effect of Surface Electric,,xd,Effect of Surface Electric,,(4)反型,Effect of Surface Electric,,qVB,,qVs,,,Effect of Surface Electric,,根据Boltzmann统计：,Effect of Surface Electric,,,,Effect of Surface Electric,,开启电压VT：使半导体表面达到强反型时加在金属电极上的栅电压就是开启电压.,Effect of Surface Electric,,临界强反型时：,Effect of Surface Electric,,强反型后： Vs 》 VB ，且qVs》k0T,Effect of Surface Electric,,Effect of Surface Electric,,§8.3 MIS结构的C-V特性Capacitance-voltage Characteristics of MIS Structure,1、理想C-V特性,C/Co,C-V Characteristics of MIS Structure,,（1）多子积累时：,（1）当/Vs/较大时，有C Co 半导体从内部到表面可视为导通状态；,,C/Co,（2）当/Vs/较小时，有C/Co<1。

C-V Characteristics of MIS Structure,,(2)平带状态,do 绝缘层厚度,,特征：归一化电容与衬底掺杂浓度NA和绝缘层厚度do有关C-V Characteristics of MIS Structure,,（3）耗尽状态,,EFs,EFm,C-V Characteristics of MIS Structure,,C-V Characteristics of MIS Structure,,（4）强反型后：A、低频时,C-V Characteristics of MIS Structure,,B、高频时,EFm,EFs,C-V Characteristics of MIS Structure,,结 论,（1）半导体材料及绝缘层材料一定 时，C-V特性将随do及NA而 变化； （2）C-V特性与频率有关,C-V Characteristics of MIS Structure,,2、金属与半导体功函数差Wms 对MIS结构C-V特性的影响,例：当Wm

C-V Characteristics of MIS Structure,,ＭＩＳ结构连通后且VG=0时：,Wm,Ws,Ec,Ev,SiO2,EFm,EFs,C-V Characteristics of MIS Structure,,ＭＩＳ结构还未连接时：,,C-V Characteristics of MIS Structure,,接触电势差qVms ：因功函数不同而 产生的电势差qVms,qVi,EF,Ei,Ec,Ev,SiO2,Ws-Wm =q（Vms+Vi）≒qVms,C-V Characteristics of MIS Structure,,如何恢复平带状况？,VG=-Vms,,加上负栅压,C-V Characteristics of MIS Structure,,使能带恢复平直的栅电压,,CFB,VFB1,平带电压VFB1,C-V Characteristics of MIS Structure,,3、绝缘层电荷对MIS结构C-V特性的影响,C-V Characteristics of MIS Structure,,§8.4 Si-SiO2系统的性质Characteristics of Si-SiO2 System,,,1、可动离子,特点：半径较小，带正电，具 有热激活的特点。

如：Na+、K+、H+,Characteristics of Si-SiO2 System,,,,2、固定电荷,位于距Si-SiO2界面约30埃以内，主要是Si-SiO2界面附近的过剩Si+3、界面态,存在于Si-SiO2界面离Si表面3-5埃内 分为施主界面态和受主界面态4、陷阱电荷,特点：通常不带电Characteristics of Si-SiO2 System,,Semiconductor Physics,。