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1、半导体表面与MIS结构半导体的表面结构表面的电场效应MIS的电压电容特性真实的Si-SiO2系统性质表面电导和迁移率半导体器件的特性一般都和半导体的表面性质密切相关,其表面效应支配着半导体器件的特性。1半导体的表面结构表面的概念晶体的周期性结构在表面中断，破坏了三维结构的对称性，会构成表面的特殊结构和性质;理想表面就是指表面居中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子成分子的半无限晶体表面。因晶格在表面处突然终止，在表面外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称作悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态；21半导体的表
2、面结构表面的概念表面有大量的原子键被断开而需要大量的能量，形成表面能；为降低表面能，表面和近表面的原子层间距发生变化而出现表面弛豫现象；表面的原子会重新组合，形成新键，从而改变表面原子的结构对称性，出现所谓的表面再构现象，降低悬挂键密度；3洁净理想表面实际上是不存在，表面上会形成一层单原子层(一般主要由氧原子组成)，在表面上覆盖了一层二氧化硅层，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度就大大降低；由于不可避免的客观原因，表面会吸附其它原子和分子，并对表面性质产生显著影响。4由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。例如，n型硅悬挂
3、键可以从体内获得电子，使表面带负电。这负的表面电荷可排斥表面层中电子使之成为耗尽层甚至变为p型反型层。表面能级由两组，—组为施主能级(带电子为中性，失去电子带正电荷)，靠近价带，另一组为受主能级（不带电子为中性，得到电子带负电），靠近导带。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，这种表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关。5理想表面的电子态讨论理想表面就是指表面居中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子成分子的半无限晶体表面情形,固体物理理想的清洁表面67波函数有限8波函数及其一阶导数在x=0处满足连续条件9波函
4、数及其一阶导数在x=0处满足连续条件当k为实数时,能满足有限条件,两个方程解三个未知数,解总是存在的,这些解对应能带的允带.-----说明在一维无限周期场中电子状态在半无限周期场中仍能实现.考察10当k为复数时,令同样考察都为实数11对于一维无限周期,x趋向正无穷大和负无穷大时候,不能满足波函数有限的边界条件,因此k不能取复数.对半无限周期,考虑x趋向负无穷大时,波函数为零,所以A1=0取负值，满足边界条件，故有解12上两式存在A2和A的非零接解条件是系数行列式等于0,因此可以求出电子能量E必须取实数,一般为复数。13以上说明，存在k取复数的电子状态存在
5、，它们存在于x=0附近这些被局域在表面附近的能级就是表面能级。142表面电场效应一般概念讨论在热平衡情况的表面电场效应，以及外加电场作用下半导体表面层内现象。表面电场产生的原因：功函数不同的金属和半导体接触，或半导体表面外吸附某种带电离子等。表面电场效应的研究方法：MIS结构15VG=0时,理想MIS结构的能带图Ev1Ec1EiEvEcEFsEFm理想的MIS结构：1）金属与半导体间功函数差为零；2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；3）绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。16空间电荷层及表面势的概念MIS结构相当于一个电容，在金属与半导体之间
6、加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充电。两者所带电荷符号相反，但电荷分布情况不同。金属中自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围之内；在半导体中自由载流子密度要低得多，电荷分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层称做空间电荷区。17空间电荷层及表面势的概念空间电荷区内从表面到内部电场逐渐减弱，到另—端减小到零。空间电荷区内的电势随距离逐渐变化。半导体表面相对体内存在电势差，能带发生弯曲。常称空间电荷层两端的电势差为表面势（VS表示）。规定表面电势比内部高时取正值，反之取负值。表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加
7、的电压VG而变化，基本上可归纳为多子堆积、耗尽和反型三种情况：18（1）多子积累特征：1）能带向上弯曲并接近EF；EFmEFsEcEvEiQsQmxVG<02）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。1、空间电荷层及表面势19(2)平带特征：半导体表面能带平直。VG=0EFmEFsEcEvEi20（3）耗尽特征：1）表面能带向下弯曲；EFmEFsEcEvEiVG≥0QmQsx2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。21（4）反型特征：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；
8、3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。22对于n型半导体，当金属与半导体间
