第七章-半导体表面与MIS结构ppt课件.ppt

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1、第七章半导体表面与MIS结构SemiconductorsurfaceandMISstructureSemiconductorPhysics主要内容及要求（10课时）：*了解表面态的概念和来源；*理解并掌握热平衡下理想MIS结构中半导体的表面电场效应，包括表面势、表面空间电荷区的电场、电势和电容；*理解并掌握理想的MIS结构的电容和电压特性，并了解金属和半导体的功函数差、绝缘层的电荷对MIS结构的电容－－电压特性的影响；*了解Si－－SiO2系统的性质；*定性掌握表面电导和迁移率。§7·1表面态Byincreasing

2、miniaturizationinsemiconductor-devicetechnology,theinterfaceitselfisthedevice!Kroemer,the2000Nobelwinnerofphysics1928年出生于德国.1952年获得德国哥廷根大学理论物理学博士学位.他的博士论文的题目是在晶体管中热电子的效应,这成为他从事半导体物理和半导体设备研究职业生涯的开端.现为加州圣巴巴拉加州大学的物理学教授。aXV(x)V0E0一维晶体的势能函数求解薛定谔方程：在x=0处满足的连续性条件固体表面态

3、的量子力学解释：x≤0区的电子波函数为：x≥0区的电子波函数为：在x=0的两边，波函数是按指数关系衰减，这表明电子的分布概率主要集中在x=0处，电子被局域在表面附近。WHAT?达姆在1932年用量子力学严格证明，晶体的自由表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，电子被局域在表面附近，这种电子状态称为表面态，所对应的能级为表面能级。每个表面原子对应一个能级，组成表面能带从化学键方面分析，在晶体最外层的原子存在未配对的电子，即未饱和的键－－悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。1、未饱和的键－－悬挂键d

4、anglingband“理想表面”就是指表面层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或分子的半无限晶体表面。但在实际中，理想表面是不存在的，即使在绝对清洁的半导体表面，由于表面对称性破坏，原子所受的势场作用完全不同于体内，实验中观测到原子发生再构现象，以达到能量的最小化。例如，对硅(111)面，在超高真空下可观察到(7×7)结构，即表面上形成以(7×7)个硅原子为单元的二维平移对称性结构。硅表面7×7重构的原子照片由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。如n型硅的清洁表面带负电。如下图所示

5、：SiSiSiSiSiSi硅表面悬挂键示意图表面悬挂键1015cm-2从硅表面态的实验测量中，证实其表面能级由两组组成：一组为施主能级，靠近价带；另一组为受主能级，靠近导带。除了上述表面态外，在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。2、表面缺陷和吸附原子目前，对硅表面态的研究比较多，表面态在禁带的分布有一定的了解，但对具体的工艺重复性比较差，最急待研究的是Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体的表面态情况，对微电子的发展具有重要意义。这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法有关；而达姆表面态对给定的晶体在

6、“洁净”表面时为一定值大约为1015cm-2(每个表面原子对应禁带中的一个能级)，实际上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010～1015cm-2。表面态对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。3、表面态的影响§7·2表面电场效应在外加电场作用下，在半导体的表面层内发生的物理现象，主要载流子的输运性质的改变。可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，如：功函数不同的金属和半导体接触（金/半接触）、使半导体表面吸附某种带电的离子等一般采用金属/绝缘体/半导体(MIS)结构

7、研究表面电场效应1、表面电场效应：2、理想MIS结构：（1）Wm=Ws；（2）绝缘层内无可移动电荷且绝缘层不导电；（3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态。MIS结构等效电路表面电场导致电容如何产生?由于MIS结构是一个电容，当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充放电。但和一般意义的电容不一样！在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在很薄的一个原子层的厚度范围之内；而在半导体中，由于自由载流子密度低得多，电荷必须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spacecharg

8、eregion。一、空间电荷层及表面势金属的传导电子的浓度很高，1022～1023cm-3半导体载流子的浓度比较低，1010～1019cm-3首先，在空间电荷区内，从半导体的表面到体内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度减小到零。其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化化，半导体表面相对体内就产生电势差。空间电荷区对电场、电势与能带的