半导体物理第八章半导体表面与mis结构.ppt

* * 第八章 半导体表面与MIS结构 8.1 表面态； 8.2 表面电场效应； 8.3 MIS结构的电容-电压特性； 8.1表面态 半导体的表面特性与半导体器件的特性有很密切的联系。许多半导体器件，如MOS (金属-氧化物-半导体)器件、电荷耦合器件、表面发光器件，都是利用半导体的表面效应制成的。 本章主要讨论表面态、表面电场效应、硅-二氧化硅系统、MIS结构(金属-绝缘体-半导体)结构的电容-电压特性等 意义： 改善器件性能，提高器件稳定性； 探索、研发新型器件； 提高集成电路的可靠性与稳定性。 表面的特殊性： 1.表面处晶体的周期场中断； 2.表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性； 3.表面往往需要特殊保护措施，如钝化等 4.表面是器件制备的基础，如MOSFET等 表面能级：由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏，在禁带中引入附加能级。 达姆表面能级：晶体自由表面周期势场发生中断或破坏引入的附加能级。 悬挂键：晶体自由表面的最外层原子中有一个未配对的电子，即未饱和的键。 表面态：悬挂键所对应的电子能态。 理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限表面。 理想表面实际上是不存在的。 实际密度：1010~1012cm-2 悬挂键特点：与体内交换电子或空穴。 硅表面被氧化后，表面形成一层致密的二氧化硅保护层，大部分悬挂键被氧原子所饱和，表面态密度大大降低。 8.2表面电场效应 在金属-半导体间加电压即可产生表面电场, 在理想情况下， MIS结构中满足以下条件： 以MIS结构(金属-绝缘层-半导体)为例 金属-半导体间功函数差为零； 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电荷。 8.2.1 空间电荷层及表面势 MIS结构加电压后，金属-半导体间充电，相当于一个电容。 电荷分布：金属中，自由电子密度很高。 半导体中自由电子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层内。这个带电的表面层称作空间电荷区。 空间电荷区电场：从表面到内部逐渐减弱。在空间电荷区的另一端，减小为零。 空间电荷区电势：随距离逐渐变化。表面发生能带向下弯曲现象。 多数载流子堆积状态(P型半导体为例) 金属-半导体加反向电压(金属端负)，表面势为负，能带向上弯曲。 热平衡下，半导体内费米能级不变。 接近表面，价带顶向上弯曲甚至超过费米能级，价带中空穴浓度随之增加，表面层出现空穴堆积现象。 靠近表面区域，价带顶离费米能级低得多。 表面空穴浓度比体内低得多，这种状态称为耗尽。 2.多数载流子耗尽状态 金属-半导体加正向电压(金属端正)，表面势为正，能带向下弯曲。 价带中空穴浓度随之减少。 以p型半导体为例 表面处费米能级高于禁带中央能级Ei, 使费米能级远离价带顶，靠近导带底，意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度。 反型层位于表面，与半导体内部还夹着一层耗尽层。 3.少数载流子反型状态 当金属-半导体间的正向电压进一步加大，表面能带进一步向下弯曲。 形成与原来半导体衬底的导电类型相反的一层导电层， 称为反型层。 8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容 MIS结构的电容=绝缘层的电容C0+空间电荷区电容Cs 1. 空间电荷区电容Cs 空间电荷区电势满足泊松方程 总的空间电荷?(x)=q(nD+-PA-+Pp-np) nD+电离施主,PA-电离受主，Pp，np为x点空穴、电子浓度 半导体内部，电中性条件成立 ?(x)=0 nD+-PA- = np – Pp0) 将np0、pp代入 在半导体表面处，V =Vs 在半导体表面面电荷密度，Qs=-?rs?0Es 半导体表面的电容Cs=-dQs/dVs 电荷密度Qs随表面势Vs变化而变化 当金属电极为正，VS〉0 ， Qs用负号 ； 当金属电极为负，VS0 ， Qs用正号 ； 1. 多数载流子堆积状态 以p型半导体为例 当外加偏压VG0时，V和VS0, F函数中exp[qV/k0T] exp[qV/k0T] 另外，np0/pp01, 2. 平带状态 当VG=0, 表面势Vs=0, 表面能带不弯曲，称为平带状态。 ES=0, Qs=0， 由于Vs=0代入电容表达式(8.31)将给出不定式，所以 由接近平带时Vs趋于0时的电容为： 对p型半导体，np0pp0电容为： 3. 耗尽状态 当VG为正, 但还不足以使Ei 弯曲到 EF以下，空间电荷区处于空穴耗尽状态。V、Vs都大于零。Np0/pp01 将pp0 =NA, LD关系代如，得 Qs为负，为电离受主形成的负电荷。 耗尽状态时，空间电荷层的空穴已全部耗尽，电荷由电离受主杂质构成，所以，耗尽状态也可通过泊松方程解，变为 边