必威体育精装版半导体物理学第八章.ppt

半导体物理学 半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性 非平衡载流子 pn结 金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构 第8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结构的电容一电压特性8.4硅一二氧化硅系统的性质8.5表面电导及迁移率8.6表面电场对pn结特性的影响 MIS结构 MIS结构 理想情况 金属与半导体间功函数差为零 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 能带图 能带图-1 无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲 外加偏置 ★ 表面空间电荷层 空间电荷区: 半导体中呈现非电中性(出现静电荷)的区域 表面空间电荷区起因: 屏蔽外界影响产生的电场 [外电场; 表面态; 表面原子吸附或薄层覆盖; 界面] 特点: 表面空间电荷区中存在电场, 能带发生弯曲. 表面势VS—半导体表面相对于体内的电势值 定性图象: 设半导体表面外有电场?i (或写作Vg，栅压，以指向半导体表面为正). 半导体 ?i 0 (VS 0) ?i 0 (VS 0) n型 电子积累 表面耗尽, 表面反型 p型 表面耗尽, 空穴积累 表面反型 对表面空间电荷区的一般讨论: 解泊松方程 (空间电荷区中电势满足的方程) 其中 求解方程, 可得到表面空间电荷层的基本参数: ?表面电场强度 Es(Vs) ?表面空间电荷面密度 Qsc(Vs) ?单位面积的 空间电荷层电容 Csc(Vs) 应用C-V特性研究表面空间电荷层 我们将直接讨论各种典型情况下的空间电荷区,给出半定量或定性的结果: ? 当外加电场?i变化(外加电压变化),表面势VS (表面空间电荷层)随之变化 ? 讨论表面空间电荷面密度QSC和空间电荷层电容(单位面积) CSC随表面势VS的变化 MIS电容：P型半导体 MIS电容 电容的定义: MIS电容-2 积累态: 耗尽态: MIS电容-3 反型 实验结果 深耗尽 从耗尽扫描到反型时, 需要少子 ★ 几种典型情况 以p型半导体表面为例 ①表面积累(多数载流子堆积状态): ? 当?i 0 ,表面空穴积累, QSC0 能带上弯, VS 0 ? 空穴积累于靠近表面的薄层, 且随表面势数值的增加而迅速增加. ? CSC很大 ②表面耗尽: ? ?i0 , VS 0 , 能带下弯, QSC 0 ? 当 0 VS 2VB ,可应用耗尽层近似 其中, eVB = (Ei-EF)p ?此时, -ρ(x)=eNA , 泊松方程为: ?解泊松方程, 得到: ③表面反型(强反型): ?当VS =2VB 耗尽层宽度达到最大 ? ?i 继续增加, VS 2VB, 表面nSpB ? CSC很大 一维电子势阱中的2DEG ?当VS 2VB , 半导体表面出现反型层(MOS器件中称为沟道), 即电子势阱 ?当势阱宽度足够窄,势阱中的电子即称为一维电子势阱中的2DEG: 势阱中的电子在平行于界面(势阱壁)方向的运动, 可视作二维准自由电子的运动; 在垂直于界面(势阱壁)方向的运动, 必须考虑量子效应--能量量子化. ④表面平带状态: ? VS =0, QSC =0, 但 CSC≠ 0 ? 泊松方程: ? 方程的解为: ? 平带电容 ? 德拜长度 对半导体表面空间电荷区电容的小结: ? 表面积累, CSC很大 ? 表面耗尽 ? 表面反型, CSC很大 ? 表面平带 理想MOS结构 金属-氧化物(SiO2)-半导体(Si) （MOS）结构是主流半导体器件CMOS的重要组成部分， 典型的结构如Al/SiO2/p-Si， 其基本的能带结构参数如下图所示。 理想MOS结构的定义 首先讨论p-Si作为衬底的理想的MOS结构。所谓理想的MOS结构满足如下一些条件： 金属与半导体的功函数相同，即： φM = φS ? Vms=0 氧化层是理想的绝缘体，即电阻率无穷大，没有体电荷和缺陷态存在； ? Qox=0 氧化层与半导体Si界面是理想的界面，即没有界面电荷和界面态存在； 金属与氧化层界面是理想的界面