最新半导体物理讲义.教学讲义ppt课件.ppt

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1、半导体物理讲义.8.1表面态8.2表面电场效应8.3MIS结构的电容-电压特性8.4硅-二氧化硅系统的性质8.5表面电导及迁移率8.6表面电场对pn结特性的影响2表面电场效应理想与非理想的MIS结构的C-V特性Si-SiO2系统的性质表面电导本章重点3在x=0处两边，电子的波函数都是按指数关系衰减，表明电子的分布概率主要集中在该处即电子被局限在表面附近，把这种电子状态称为表面态，对应的能级称为表面能级。在一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级。推广到三维情形，在三维晶体中，仍是每个表面原子对应禁带中的一个表面能级，这些表面能级组成表面能带。7(2)从化学键方面说明(以

2、Si晶体为例)晶格的表面处突然终止，在表面最外层的每个Si原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。如下图所示。82.实际表面情形下的表面态即由于表面存在晶体缺陷、微氧化膜，或附着其它分子和原子等原因引起的表面态，其数值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洁净表面时为一定值。9二、表面态种类分为两种：若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性，称为施主型表面态；若能级空着时呈电中性，接受电子后呈负电性，称为受主型表面态；108.2表面电场效应采用MIS结构来研究表面电场效应：由中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底

3、组成。该结构实际上是一个电容。11一、理想MIS结构满足以下条件的结构：金属与半导体间的功函数差为零；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界面态。12二、空间电荷层及表面势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被充电，两者所带电荷符号相反，电荷分布情况不同：在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围之内；在半导体中，由于自由载流子密度非常低，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；在空间电荷区内，从表面到内部，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，场强减小到零。(一)空间电荷层

4、13空间电荷区内的电势随距离逐渐变化，使半导体表面相对体内产生电势差，能带也发生弯曲。称空间电荷层两端的电势差为表面势(Vs)。表面电势比内部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。(二)表面势14基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况(以p型半导体为例)：(三)表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加的电压VG的变化151.多数载流子堆积状态金属与半导体间加负电压(金属接负)时，表面势为负值，表面处能带向上弯曲；在热平衡情况下，半导体内费米能级应保持定值，故随着向表面接近，价带顶将逐渐移近、甚至高过费米能级，同时价带中空穴浓度也将随之增加，导致表面层内出现空穴的堆积而

5、带正电荷；越接近表面，空穴浓度越高，表明堆积的空穴分布在最靠近表面的薄层内。16172.多数载流子耗尽状态当金属与半导体间加正电压(金属接正)时，表面势Vs为正值，表面处能带向下弯曲；越接近表面，费米能级离价带顶越远，价带中空穴浓度随之降低，在靠近表面的一定区域内，价带顶位置比费米能级低得多；根据玻耳兹曼分布，表面处空穴浓度比体内空穴浓度低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称做耗尽。18193.少数载流子反型状态当加于金属和半导体间的正电压进—步增大时，表面处能带相对于体内将进一步向下弯曲；表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量Ei，即费米能级离导

6、带底比离价带顶更近一些。这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层，叫做反型层；反型层发生在近表面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。在这种情况下，半导体空间电荷层内的负电荷由两部分组成：耗尽层中已电离的受主负电荷；反型层中的电子，主要堆积在近表面区。20214.n型半导体情形当金属与半导体间加正电压时，表面层内形成多数载流子电子的堆积；当金属与半导体间加不太高的负电压时，半导体表面内形成耗尽层；当负电压进一步增大时，表面层内形成有少数载流子堆积的反型层。22三、表面空间电荷层的电场、电势和电容可通过解泊松方程定量地求出表面层中电场强度

7、和电势的分布：取x轴垂直于表面指向半导体内部，表面处为x轴原点。以一维情况为例来处理。泊松方程总空间电荷密度半导体相对介电常数(一)表面电场分布232425标志半导体空间电荷层性质的重要参数26(二)表面电荷分布(三)表面电容27(四)根据表面电场、电荷、电容公式定量分析各种表面层状态1.多数载流子堆积状态表面电荷随表面势绝对值的增大按指数增长，即能带在表面处向上弯曲的越厉害时，表面层的空穴浓度急剧地增长28电荷在负值方向急剧地增加292.平带状态，表面处能带不发生弯曲，称为平带状态。MOS