半导体物理 第八章 半导体表面与MIS结构.ppt

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1、第八章半导体表面与MIS结构8.1表面态；8.2表面电场效应；8.3MIS结构的电容-电压特性；8.1表面态半导体的表面特性与半导体器件的特性有很密切的联系。许多半导体器件，如MOS(金属-氧化物-半导体)器件、电荷耦合器件、表面发光器件，都是利用半导体的表面效应制成的。本章主要讨论表面态、表面电场效应、硅-二氧化硅系统、MIS结构(金属-绝缘体-半导体)结构的电容-电压特性等意义：改善器件性能，提高器件稳定性；探索、研发新型器件；提高集成电路的可靠性与稳定性。表面的特殊性：1.表面处晶体的周期场中断；2.表面往往易受到损伤、氧

2、化和沾污，从而影响器件的稳定性；3.表面往往需要特殊保护措施，如钝化等4.表面是器件制备的基础，如MOSFET等表面能级：由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏，在禁带中引入附加能级。达姆表面能级：晶体自由表面周期势场发生中断或破坏引入的附加能级。悬挂键：晶体自由表面的最外层原子中有一个未配对的电子，即未饱和的键。表面态：悬挂键所对应的电子能态。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表面。理想表面实际上是不存在的。实际密度：1010~1012cm-2悬挂键特点：与体内交换电子或

3、空穴。硅表面被氧化后，表面形成一层致密的二氧化硅保护层，大部分悬挂键被氧原子所饱和，表面态密度大大降低。8.2表面电场效应在金属-半导体间加电压即可产生表面电场,在理想情况下，MIS结构中满足以下条件：以MIS结构(金属-绝缘层-半导体)为例金属-半导体间功函数差为零；在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电。绝缘体与半导体界面处不存在任何电荷。8.2.1空间电荷层及表面势MIS结构加电压后，金属-半导体间充电，相当于一个电容。电荷分布：金属中，自由电子密度很高。半导体中自由电子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层内。这个带电的表

4、面层称作空间电荷区。空间电荷区电场：从表面到内部逐渐减弱。在空间电荷区的另一端，减小为零。空间电荷区电势：随距离逐渐变化。表面发生能带向下弯曲现象。多数载流子堆积状态(P型半导体为例)金属-半导体加反向电压(金属端负)，表面势为负，能带向上弯曲。热平衡下，半导体内费米能级不变。接近表面，价带顶向上弯曲甚至超过费米能级，价带中空穴浓度随之增加，表面层出现空穴堆积现象。靠近表面区域，价带顶离费米能级低得多。表面空穴浓度比体内低得多，这种状态称为耗尽。2.多数载流子耗尽状态金属-半导体加正向电压(金属端正)，表面势为正，能带向下弯曲。

5、价带中空穴浓度随之减少。以p型半导体为例表面处费米能级高于禁带中央能级Ei,使费米能级远离价带顶，靠近导带底，意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度。反型层位于表面，与半导体内部还夹着一层耗尽层。3.少数载流子反型状态当金属-半导体间的正向电压进一步加大，表面能带进一步向下弯曲。形成与原来半导体衬底的导电类型相反的一层导电层，称为反型层。8.2.2表面空间电荷层的电场、电势和电容MIS结构的电容=绝缘层的电容C0+空间电荷区电容Cs1.空间电荷区电容Cs空间电荷区电势满足泊松方程总的空间电荷(x)=q(nD+-PA-+Pp-np)

6、nD+电离施主,PA-电离受主，Pp，np为x点空穴、电子浓度半导体内部，电中性条件成立(x)=0nD+-PA-=np–Pp0)将np0、pp代入在半导体表面处，V=Vs在半导体表面面电荷密度，Qs=-rs0Es半导体表面的电容Cs=-dQs/dVs电荷密度Qs随表面势Vs变化而变化当金属电极为正，VS〉0，Qs用负号；当金属电极为负，VS<0，Qs用正号；1.多数载流子堆积状态以p型半导体为例当外加偏压VG<0时，V和VS<0,F函数中exp[qV/k0T]<

7、态当VG=0,表面势Vs=0,表面能带不弯曲，称为平带状态。ES=0,Qs=0，由于Vs=0代入电容表达式(8.31)将给出不定式，所以由接近平带时Vs趋于0时的电容为：对p型半导体，np0<

8、体内电势为零，X=xd,V=0,再积分在表面，X=0，表面电势代入耗尽电容公式中相当于一个平行板电容器的电容，表面势Vs增加，耗尽层宽度加宽。半导体空间电荷层中单位面积的电量为Qs=-qNAxd4.反型状态随VG为正增大,使Ei弯曲到EF以下，出现反型状态。分强