《半导体物理》教学第八章.ppt

② 强反型时，Vs 2VB （5）关于空间电荷层的讨论 强反型时空间电荷层达到最厚 由8-43式得 当Vs=2VB时xd达到最大 深耗尽现象 反型层中的电子是通过热激发产生的，需要时间。若Vs突变、远大于2VB时，空间电荷只能由多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象 强反型高频条件下， 空间电荷层电容保持最小 §8.3 MIS结构的电容-电压特性 C-V characteristics of MIS structure （1）理想MIS结构的电容-电压特性 金属栅电极 绝缘层 VG VG C0 Cs 半导体 MIS结构 等效电路 归一化电容: 多数载流子堆积区（Vs 0，Qs 0） 当|Vs|较大时，C/C0=1。此时从半导体内部到表面可视为导通的，电荷聚集在绝缘层两边。 当|VG|较小时，|Vs|也很小，此时C/C0值随|Vs|减小而下降。 平带状态（Vs = 0，Qs 0） 耗尽状态（Vs 0） 强反型后（Vs 0） A. 低频时 少子的产生-复合跟得上小信号的变化。 强反型后（Vs 0） B. 高频时 反型层电荷对MIS电容没有贡献。 讨 论 （1）用电荷面密度与Vs的定性关系解释C-V特性 （2） C-V特性与频率有关，可利用高频特性判断半导体的导电类型 （3）MIS结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，利用C-V特性测试d0及掺杂浓度 （2）金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响 例：当Wm Ws 时（P型半导体）将导致C-V特性曲线向负栅压方向移动。 平带电压：使零偏时产生的能带弯曲恢复到平带状态所需加的栅压。 （3）绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响 当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为 当绝缘层中有分布电荷 §8. 4 硅-二氧化硅系统的性质 Characteristics of Si-SiO2 System 1. 二氧化硅中的可动离子 2. 二氧化硅中的固定表面电荷 3. 在硅–二氧化硅界面处的快界面态 4.二氧化硅中的陷阱电荷 （1）二氧化硅中的可动离子 二氧化硅中的可动离子有Na、K、H等，其中最常见的是Na离子，对器件稳定性影响最大。 来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等 二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的四面体，呈无规则排列的多孔网络结构，从而导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。 作偏压–温度（B-T）实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的Na离子电荷量： 单位面积钠离子电荷数： 二氧化硅层中固定电荷有如下特征 电荷面密度是固定的，不随偏压而变化； 这些电荷位于Si-SiO2界面200?范围以内 固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响 固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系 （2）二氧化硅中的固定表面电荷 一般认为固定正电荷的实质是过剩硅离子 这些电荷出现在Si-SiO2界面200?范围以内，这个区 域是SiO2与硅结合的地方，极易出现SiO2层中的缺陷及 氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子 实验证明，若在硅晶体取向分别为[111]、[110]和 [100]三个方向生长SiO2时，他们的硅–二氧化硅结构中 的固定表面电荷密度之比约为3:2:1。 将氧离子注入Si-SiO2系统界面处，在450度进行退火，发现固定表面电荷密度有所下降 将MOS结构加负偏压进行B-T实验，当温度高到一定程度（如350度）时，固定的表面电荷密度有所增加。 固定电荷引起的电压漂移： 功函数差与固定电荷引起的电压漂移： 则单位面积的固定电荷数目为： （3）硅-二氧化硅界面处的快界面态 快界面态与表面态类似，指未被饱和的悬挂键，位于硅-二氧化硅界面处，形成表面能级，可以快速与半导体的导带或价带交换电荷。之所以称为快界面态是为了与二氧化硅外表面未饱和键以及吸附的分子、原子等所引起的表面态区别开。 硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，同样引入界面态。 （4）二氧化硅中的陷阱电荷 氧化层受到高能磁辐射时，可以在氧化层中产生电子－空穴对。在偏压作用下，电子－空穴对中的电子容易运动，而漂向电极。空穴则被陷阱所陷，在氧化层中形成正电荷，这就是陷阱电荷。 使C-V特性平移，平带电压为负值。 在300度以上进行退火，可以很快消除。 rm是一个无量纲量，代表氧化层中可动离子电荷中心相对于氧化层厚度的归一化量，如果可动离子全部在金属-氧化层界面，rm=0，如果可动离子全部在二氧化硅-硅界面，rm=1。 通常，QNa、Qfc导致C-V特性曲线相对理论曲线沿电压轴发生平行的负漂移