半导体物理 第8章 半导体表面和MIS结构.ppt

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1、第8章半导体表面和MIS结构本章重点：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，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。

2、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，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

3、.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

4、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=∞，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

5、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

6、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MI

7、S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）氧化层中没有电荷存在（Qo=0）半导体－氧化物没有界面态（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所加的栅压]归一化电容