第七章半导体的表面精要.ppt

第七章 半导体的表面、界面及接触现象 半导体表面 半 — 半接触 金 — 半接触 §7.3 MIS结构的C-V特性 一、理想的MIS结构的C-V特性 特征： 1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）； 2）表面区的少子数多子数——表面反型； 3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。 表面反型条件 出现强反型的临界条件，ns=(po)p 强反型出现 VG0 VS0, VG=0, VG0, VG0 多子堆积, 平带, 多子耗尽, 反型少子堆积 VG变化?VS变化?能带弯曲?电荷分布变化 4．N型半导体表面空间电荷层的四种基本状态 1) VG0 ,VS0 能带下弯，ns (n0)n 多子的堆积 ??? ?? EF 2) VG=0，VS=0 平带 3) VG0，VS0 能带上弯，ns (n0)n 为电子势垒 + + + 电离施主 4) VG0 + + °° ° 空穴 表面处形成了p型材料，即反型层 多子耗尽 EF Ei 弱反型：nsps(no)n 强反型：ps(no)n EF 1．总电容C VG=V0+VS 在MIS结构上加电压VG后，电压VG的一部分Vo降在绝缘层上，而另一部分降在半导体表面层中，形成表面势Vs，即 因是理想MIS结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电场是均匀的，以 表示其电场强度，显然 d0 绝缘层厚度 由高斯定理 QM金属表面的面电荷密度, ?0r 绝缘层的相对介电常数 Qs半导体表面的面电荷密度 Co 绝缘层电容 MIS结构电容 Cs为半导体空间电荷区电容 MIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联 MIS结构的等效电路 称为归一化电容 2．表面空间电荷区的电场和电容 表面空间电荷区的电场： F函数 空间电荷层中电势满足的泊松方程 εrs半导体的相对介电 常数, ?(x)空间电荷密度 V0, 取正; V0, 取负 称为德拜长度 其中： V=Vs时, 半导体表面处的电场强度 电荷面密度 金属为正时，VG0，QS为负号 金属为负时，VG0，QS为正号 空间电荷层单位面积上的电容, 单位F/m2 以p型半导体为例, 定量地分析各种表面层的状态 空间电荷层的电容 (1) VG0，金属接负，半导体接正 多数载流子堆积状态 随 而?0 C?C0 (AB) 随|VG|?积累的空穴越来越少，CS?，C/C0? (BC) * * §7.1 半导体的表面 一、理想表面和实际表面 理想表面： 表面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。 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。 真实表面：表面吸附杂质, 或表面原子生成氧化物或其它化合物 清洁表面：在表面没有吸附杂质，也 没有被氧化的实际表面。 实际表面又分为： 二、表面态 达姆表面能级: 晶体自由表面的存在使其周期场在表面处 发生中断, 在禁带中引起的附加能级. 求解薛定谔方程→ 在x=0处，出现新的本征值 →附加的电子能态→表面态 硅表面悬挂键 由于悬挂键的存在，表面 可与体内交换电子和空穴。 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。 理想表面实际上不存在 共价半导体的表面再构现象: 近表面几个原子厚度的表面层中, 离子 实所受的势场作用不同于晶体内部, 使得晶 体的三维平移对称性在表面层中受到破坏, 表面上形成新的原子排列结构, 这种排列具 有沿表面的二维平移对称性. 清洁表面的电子态，称为本征(达姆)表面态。 真实表面由于吸附原子或其它不完整性，产生表面电子态，称为外诱表面态。 外诱表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关; 达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值。 表面态分为施主型表面态和受主型表面态。 施主型表面态: 不论能级在禁带中的位置如何, 能级被电子 占据时呈电中性, 施放电子后带正电. 这样的 表面态叫? 受主型表面态: 不论能级在禁带中的位置如何, 能级空着时呈 电中性, 接受电子后带负电, 这样的表面态叫? §7.2 半导体的表面电场 一、形成表面电场的因素 1．表面态的影响 由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。 (EF)s→表面费米能级 (EF)s≠ EF 如果(EF)s＜ EF Ec Ev EF (EF)s ? + － E 2．功函数的差异 金属中的电子绝