半导体器件物理半导体表面特性及MOS电容半导体器件物理.PPT

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半导体器件物理半导体表面特性及MOS电容半导体器件物理

表面反型 施加一个更大正电压时,表面处能带进一步向下弯曲,如图(c)所示。 表面处费米能级位置高于禁带中央能级Ei,也就是说,费米能级离导带底比离价带顶更近一些,这意味着表面处性质发生根本性变化,表面电子浓度超过空穴浓度,表面导电类型由空穴型转变成电子型,这种情况称表面反型。反型层Xi发生在近表面,且厚度很薄,而紧靠其内部还夹着一层耗尽层,厚度比反型层大很多。 对于N型半导体,同样可证明: 金属电极加正电压为电子积累; 加小负电压为耗尽状态; 而负电压进一步增大时,表面空穴堆积出现反型层。 7.3 MOS结构的电容-电压特性 金属-氧化物-半导体(MOS)结构中,实际氧化物就是绝缘体,它完全类同于MIS电容,是一种特例,称MOS电容。 由于制造MOS器件必然采用这种结构,因而MOS电容成为集成电路中制造电容首选,而其寄生性同样是引起器件性能下降的原因所在。 所以,对这一结构的研究分析,从来就没有停止过。 理想MOS电容 金属-半导体功函数差为零; 氧化层及界面电荷为零; 界面态为零; 半导体体内电阻为零; 氧化层完全不导电。 能带应是平的; 半导体表面处ΨS=0。 电压分布 VG一部分降落在氧化层中,另一部分降落在半导体表面(空间电荷区,而体内电压降为零)。 把MOS电容看作为一个平行板电容器,并且由上面电压关系得知,MOS电容实际就是由一个氧化层电容和一个半导体中空间电荷区电容的串联结构组成的。 氧化层单位面积电容 Xox 氧化层厚度; ε0 真空介电常数; εOX 氧化层相对介电系数。 式(7-2) 半导体微分电容 W 耗尽层宽度; εS 半导体相对介电常数 理想MOS结构总电容 (100)硅,掺杂ND=9.1×1014/cm3 Xox=0.119μm, 高频(1MHz)和低频(准静态) 条件下实际测得C-V特性曲线。 分情况讨论略。 理想MOS的C-V特性曲线 实际MOS的 C-V特性曲线 1)氧化层内正电荷对C-V特性的影响 氧化层内正电荷(QSS)的作用,可以看作在没有外加电压(VG=0)时,相当于施加了一个正电压,如果要消除它的影响,则应当在栅上施加一个负电压(-VFB)来抵消,使弯曲的能带重新变为平带,平带时的电容称平带电容,用CFB表示,如图所示。 图中可见,正电荷总是使C-V曲线产生左移影响。 正电荷引起C-V曲线移动(左图P型衬底,右图N型衬底) * 半导体器件物理 第七章 半导体表面特性及MOS电容 半导体器件物理 第 7 章 半导体表面特性及MOS电容 7.1 半导体表面和界面结构 7.2 表面势 7.3 MOS结构的电容—电压特性 7.4 MOS结构的阈值电压 ● —— 本章重点 硅-二氧化硅界面中存在的 不利因素和消除措施 MOS结构中C-V曲线揭示了 氧化层等器件质量性能 阈值电压表征半导体表面反型状态, 它是MOS器件的基础 7.1 半导体表面和界面结构 半导体器件的特性与半导体表面特征性质有特别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的今天,半导体器件的制造相当多是在很薄的一层表面内完成的(几个微米甚至更小),因而,如何有效控制和完善半导体的表面质量,从而进一步利用半导体表面效应,可用来制造例如MOS(金属-氧化物-半导体)器件、CCD(电荷耦合器件)、LED(发光二极管)、LCD(液晶显示)、半导体激光等表面发光器件,以及太阳能电池等表面感应器件。 理想表面(清洁表面) 原子完全有规则排列所终止的一个平面。 表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形成共价键,但由于表面价键处于所谓“悬挂键”的空置状态,其状态极其不稳定,表面很容易吸附一些其他原子例如空气中的氧原子而形成氧化层。 真实表面 用物理或化学方法形成的半导体表面,暴露在空气中,存在氧化层或吸附其他原子。 表面存在“悬挂键”,对电子有受主的性质,存在一些可以容纳电子的能量状态,称为“表面能级”或“表面态”。 表面能级在禁带中靠近价带顶的位置,准连续。 表面能级密度 单位面积所具有的表面态的数目。cm-2 表面费米能级 (EF)S 载流子填充表面能级的状态。 电子填充带负电; 空穴填充带正电。 内表面 真实表面存在天然氧化层, 半导体与天然氧化层的交界面; 内表面能级密度比原子密度小好几个数量级。 外表面 天然氧化层与外界接触的交界面。 快态能级 在毫秒甚至更短的时间内完成与体内交换电子。(内

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