半导体表面和MIS结构

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1、第8章半导体表面和MIS结构本章内容：表面态概念表面电场效应MIS结构电容-电压特性硅-二氧化硅系统性质8.1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。在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在禁带中形成局部状态的能级分布（产生附加能级），这些状态称为表面态或达姆能级。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。从化学键的角度，以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子

2、，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。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。由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位置，它们可能成为施主或受主能级，或者成为电子－空穴对的复合中心。半导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，表面带负电。表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电荷区和表面势，

3、而使表面层中的能带发生变化。8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势表面空间电荷区的形成：外加电场作用于半导体表面8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势电场电势电子势能表面能带8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势表面势：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。三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子反型。8.2.2表面空间电荷层的电场、电势和电容规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表面处为x轴原点。采用一维近似处理方法。空间电荷层中电势满足

4、泊松方程其中设半导体表面层仍可以使用经典分布，则在电势为V的x点（半导体内部电势为0），电子和空穴的浓度分别为在半导体内部，电中性条件成立，故即带入可得上式两边乘以dV并积分，得到将上式两边积分，并根据得令分别称为德拜长度，F函数。则式中当V大于0时，取“+”号；小于0时，取“-”号。在表面处V=Vs，半导体表面处电场强度根据高斯定理，表面电荷面密度Qs与表面处的电场强度有如下关系，带入可得当金属电极为正，即Vs>0，Qs用负号；反之Qs用正号。在单位表面积的表面层中空穴的改变量为因为考虑到x=0，V=Vs和x=

5、∞，V=0，则得同理可得微分电容单位F/m2。8.2.3各种表面层状态（1）多数载流子堆积状态（积累层）（1）积累层（VG＜0）（Vs<0）VG<0时，电场由体内指向表面，能带向上弯曲，形成空穴势阱，多子空穴被吸引至表面附近，因而表面空穴浓度高于体内，形成多子积累，成为积累层。表面微分电容8.2.3各种表面层状态（2）平带状态（2）平带（VG=0）VG=0时，能带无弯曲，无空间电荷区。平带电容为8.2.3各种表面层状态（3）耗尽状态（耗尽层）（3）耗尽层（VG＞0）VG>0时，表面处空穴被排斥走，当空穴势垒足够高

6、时，表面层价带空穴极为稀少，可认为该层多子空穴被耗尽，称为耗尽层。表面微分电容为采用耗尽近似8.2.3各种表面层状态（4）少数载流子反型状态（反型层，VG＞0）①开始出现反型层的条件：表面势＝费米势时反型层的条件：8.2.3各种表面层状态②强反型层出现的条件：Ｐ型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。强反型层条件：8.2.3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p型半导体8.2.3各种表面层状态n型半导体金属与半导体间加正压，多子堆积

7、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§8.3MIS结构的电容-电压特性MIS结构的微分电容理想MIS结构的低频C-V特性理想MIS结构的高频C-V特性实际MIS结构的C-V特性8.3.1MIS结构的微分电容栅压——VG=VO+VS当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷面密度——QS=-QGMIS结构的微分电容——CdQG/dVG定义氧化层电容——空间电荷区电容——则有8.3.2理想MIS结构的低频C-V特性理想MIS结构:金属的功函数与半导体相同（Vms=0）绝缘层中没有电荷存在且

8、绝缘层不导电（Qo=0）半导体与绝缘层接触界面没有表面态（Qss=0）MSIMIS结构的微分电容公式:①VG<0VS<0表面积累,CS很大,(C/Co)→1,MIS结构的电容呈现为Co②VG=0,VS=0平带状态，归一化平带电容③VG>0,0VT,VS>2VB表面强反型,CS很大,(C/Co)→1阈值电压(开启电压)[半导体表面刚达到强反型时