中科大半导体器件物理ch4-1misnew

《中科大半导体器件物理ch4-1misnew》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第四章第四章MISMIS结构结构和场效应晶体管和场效应晶体管44--1MIS1MIS结构结构金属-绝缘体-半导体结构主要内容：主要内容：11。理想的。理想的MISMIS结构结构22。。SiSi--SiO2MOSSiO2MOS结构结构(2)金属-绝缘体-半导体(MIS)二极管结构约定：金属对欧姆接触正向偏置Æ电压V为正金属对欧姆接触负向偏置Æ电压V为负(3)11。理想的。理想的MISMIS结构结构1.11.1理想理想MISMIS结构的能带图象结构的能带图象::V=0时的能带图绝缘体电子亲合势金属与绝缘体之间的势垒n型半导体p型半导体(4)理想MIS二极管定义：1）在零偏置下，金

2、属功函数和半导体功函数之间的差为零。n型半导体：Egφ≡φ−(χ+−ψ)=φ−(χ+φ)=0msmBnmn2qp型半导体：EEggφ≡φ−(χ++ψ)=φ−(χ+−φ)=0msmBpmp2qq金属功半导体的电费米能级和本征费米函数子亲合势能级之间的电势差2）在任何偏置条件下，MIS结构中的电荷只有半导体中的电荷和邻近绝缘体的金属表面上的数目相等而符号相反的电荷。3）在直流偏置条件下，不存在通过绝缘体的载流子输运，即绝缘体的电阻率为无穷大。(5)理想MIS结构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：积累耗尽反型P型能带向下弯曲增加能带向下弯曲能带向上弯曲，本征能级与费米能级多数

3、载流子耗尽价带顶接近费米能级在表面相交，多数载流子在表面处积累表面处的少数载流子多于多数载流子理想MIS二极管在V≠0时的三种能带图。(6)理想MIS结构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：积累耗尽反型n型理想MIS二极管在V≠0时的三种能带图。(7)1.21.2表面空间电荷区表面空间电荷区----表面势、空间电荷和电场之间的关系表面势、空间电荷和电场之间的关系表面势根据ψs的取值可判断表面情形P型半导体表面的能带图若ψs<0，积累远离表面，半导体体内的本征若ψB>ψs>0，耗尽能级电势为零,ψ=0若ψs>ψB，反型,如图半导体表面，本征能级对应的电(8)势ψ=ψs，定义

4、为表面势.空间电荷半导体体内，电子和空穴密度与ψ的关系：β=q/kTn=nexp(qψ/kT)=nexp(βψ)ppopop=pexp(−qψ/kT)=pexp(−βψ)ppopoP型半导体体内电子,空穴平衡密度半导体表面，电子和空穴密度与ψs的关系：n=nexp(βψ)sposp=pexp(−βψ)spos根据以上电子和空穴的表达式，可以给出不同情况下的电荷分布，进而通过泊松方程求解电场分布。(9)根据以上表达式和前面的讨论,可区分不同的表面势对应的情况：(以p型半导体为例）ψs<0空穴积累（能带向上弯曲）ψs=0平带条件ψB>ψs>0空穴耗尽（能带向下弯曲）ψ=ψ表面处E

5、居于禁带中sBF央，表面本征EF=Ei(0)np(0)=pp(0)=ni2ψB>ψs>ψB弱反型（电子增强，能带向下弯曲）n(0)>p(0)ppψs>2ψB强反型n(0)>ppp0以上是表面处电势的定性描述，而电势的具体分布与电荷密度相关，需要解泊松方程。(10)电场分布求解一维泊松方程，可得到电场分布⎛n⎞∂ψ2kT⎜po⎟E=−=±F⎜βψ,⎟∂xqLpD⎝po⎠+：ψ>0-:ψ<0kTεεssL≡≡D2空穴的非本征得拜长度pqqpβpopo1/2⎛n⎞⎡n⎤⎜po⎟−βψpoβψFβψ,≡⎢(e+βψ−1)+(e−βψ−1)⎥≥0⎜p⎟⎢p⎥⎝po⎠⎣po⎦F函数(11

6、)令ψ=ψS,可确定表面处的电场：2kT⎛npo⎞E=±F⎜βψ,⎟sqL⎜sp⎟D⎝po⎠产生该电场所需的单位面积空间电荷：2εskT⎛⎜npo⎞⎟Q=−εE=±Fβψ,sssqL⎜sp⎟D⎝po⎠(12)1/2⎛n⎞⎡n⎤对Q~ψ关系，据⎜po⎟−βψpoβψssFβψ,≡⎢(e+βψ−1)+(e−βψ−1)⎥⎜p⎟⎢p⎥具体情况简化：⎝po⎠⎣po⎦1）ψS<0,QS为正Æ积累区室温，P-Si，N=4×1015cm-3Q~exp(q

7、ψ

8、/2kT)ASS2）ψS=0,平带条件，QS=03）ψB>ψS>0,QS<0，耗尽Q~ψSS4）ψS>>ψB，反型。Q~−exp(qψ

9、/2kT)SS强反型开始2kT⎛N⎞⎜A⎟ψ(inv)≅2ψ=lnsB⎜⎟qn⎝i⎠表面电荷=衬底掺杂浓度空间电荷面密度随表面势ψS变化的(13)典型关系。∂Qs半导体耗尽层的微分电容：CD≡∂ψs[1−e−βψs+(n/p)(eβψs−1)]εspopo=F/cm22LDF(βψs,npo/ppo)平带条件下，ψS=0，指数展开成级数，得到：εsCD(平带)=F/cm2LD(14)1.1.３３理想理想MISMIS电容曲线电容曲线系统保持电中性：Q=Q+qNW=QMnAs半导体内单位理想MIS二极管的能