固态电子论2016-第八章概要.ppt

VT由绝缘层和半导体表面空间电荷区共同承担即： 其中V0是落在绝缘层上的电压降，2VB是落在空间电荷区的电压降，也就是表面势。 当半导体表面刚进入强反型时，即VS=2VB时金属板上加的电压习惯上称为开启电压，以VT表示。 4. 开启电压VT 理想p型衬底MIS结构的开启电压公式： QM临：临界强反型时金属一侧单位面积正电荷 绝缘层单位面积电容 n型？ 8.1.3 表面空间电荷层的电场、电荷和电容 五、深耗尽状态 这是一种非平衡状态，如在p型衬底的MIS结构上加一脉冲阶跃信号或者高频正弦波形成的正电压，虽然电压的幅度已经超过强反型条件，但是由于空间电荷层中电子的产生速率赶不上电压的变化，反型层来不及建立，为了保持和金属板上的正电荷平衡，只能依靠将耗尽层向半导体内部继续推进而产生更多的电离受主。此时，半导体空间电荷区的负电荷全部由电离受主提供，耗尽层的宽度可超过最大宽度xdm，且宽度随电压VG的增加而增大，称为“深耗尽状态”，仍可用耗尽层近似来处理。 8.1.3 表面空间电荷层的电场、电荷和电容 * * 哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海） “ ” 哈尔滨工业大学（威海） “ ” 哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海） 第八章 半导体表面与MIS结构 * p型半导体 Ei n型半导体 EF -xp xn E Ec Ev qVD 半导体pn结 金属半导体接触n型阻挡层 半导体表面的特殊性质对半导体器件的性能有很重要的影响。 8.1 MIS结构的表面电场效应 8.2 MIS结构的C-V特性 8.3 Si-SiO2系统的性质 8.4 表面电场对pn结特性的影响 8.5 异质结 * 本章主要内容包括： 图8.1 MIS结构示意图及理想MIS的能带图 8.1 MIS结构的表面电场效应 8.1.1 MIS结构模型 我们通过一个理想MIS结构来讨论在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象，并假设考虑的理想的MIS结构满足以下条件： ⑴金属与半导体功函数相等； ⑵绝缘层内无电荷且绝缘层完全不导电； ⑶绝缘层与半导体交界面处不存在任何界面态。 在理想MIS结构两端外加电压为零时，整个结构的费米能级保持水平，系统达到平衡状态，半导体表面的能带是平的，称为平带状态。 8.1.1 MIS结构模型 对于理想的p型半导体构成的MIS结构，若外加电场作用于该MIS结构，金属接高电位，即VG0时： MIS结构由于绝缘层的存在不能导电，实际就是一个电容器，金属与半导体相对的两个面上被充电，结果金属一层的边界有正电荷积累，而在P型半导体表面形成一定宽度的带负电荷的空间电荷层，该空间电荷由电离受主提供。 8.1.2 MIS结构的空间电荷层及表面势 图8.2 MIS结构外加正偏压时 E 在空间电荷区内，电场的方向由半导体与绝缘层的交界面（半导体表面）指向半导体内部，同时空间电荷区内的电势也随距离而变化，这样半导体表面相对体内产生了电势差，同时能带在空间电荷区内发生了弯曲。 ε Vs 图8.3 MIS结构外加正偏压时半导体表面势和能带情况 8.1.2 MIS结构的空间电荷层及表面势 表面势Vs ：称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。 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而变化，基本上可归纳为三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子反型。 分析三种MIS结构半导体表面类型的要点： ①表面空间电荷区电场方向和表面势正负情况； ②半导体表面能带弯曲情况; ③MIS结构的电荷分布情况； ④名称由来。 8.1.2 MIS结构的空间电荷层及表面势 一、多数载流子堆积状态（积累层）： 电场由半导体内部指向表面，表面势为负值，表面处能带越靠近表面向上弯曲。越接近半导体表面，价带顶越移近费米能级甚至高过费米能级，同时价带中空穴浓度也随之增加，即表面空间电荷层为空穴的堆积而带正电荷，且越接近表面空穴浓度越高——多子堆积状态。 M I S ε 图8.4 p型衬底MIS结构的多子堆积状态 VS0 - - - - ++++ 8.1.2 MIS结构的空间电荷层及表面势 二、多数载流子的耗尽状态（耗尽层） 电场由半导体表面指向体内，表面势为正值，表面处能带越靠近表面向下弯曲。越接近表面，半导体价带顶离费米能级越远，价带顶处的空穴浓度随之降低。表面层空穴浓度较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—多子的耗尽状态（耗尽层）。 ε - - - - ++++ 图8.5 p型衬底MIS结构