[工学]哈工大 半导体物理 课件第8章.ppt

第8章 半导体表面和MIS结构 本章重点： 表面态概念 表面电场效应 MIS结构电容-电压特性 硅-二氧化硅系统性质 8.1表面态 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晶体表面。 在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在禁带中形成局部状态的能级分布（产生附加能级），这些状态称为表面态或达姆能级。 清洁表面的表面态所引起的表面能级，彼此 靠得很近，形成准连续的能带，分布在禁带内。 从化学键的角度，以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。 实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低。 此外表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态；这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。 由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位置，它们可能成为施主或受主能级，或者成为电子－空穴对的复合中心。 半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后 变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态， 表面带负电。 表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电荷 区和表面势，而使表面层中的能带发生变化。 8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势 8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势 8.2表面电场效应8.2.1空间电荷层及表面势 表面势：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。 三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子反型。 8.2.2表面空间电荷层的电场、电势和电容 规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表面处为x轴原点。 采用一维近似处理方法。空间电荷层中电势满足泊松方程 其中 设半导体表面层仍可以使用经典分布，则在电势为V的x点（半导体内部电势为0），电子和空穴的浓度分别为 在半导体内部，电中性条件成立，故 即 带入可得 上式两边乘以dV并积分，得到 将上式两边积分，并根据 得 令 分别称为德拜长度 ，F函数。 则 式中当V大于0时，取“+”号；小于0时，取“-”号。 在表面处V=Vs，半导体表面处电场强度 根据高斯定理，表面电荷面密度Qs与表面处的电场强度有如下关系 带入可得 当金属电极为正，即Vs0，Qs用负号；反之Qs用正号。 在单位表面积的表面层中空穴的改变量为 因为 考虑到x=0，V=Vs和x=∞，V=0，则得 同理可得 微分电容 单位F/m2。 8.2.3 各种表面层状态 （1）多数载流子堆积状态（积累层） 8.2.3 各种表面层状态 （2）平带状态 8.2.3 各种表面层状态 （3）耗尽状态（耗尽层） 8.2.3 各种表面层状态 （4）少数载流子反型状态（反型层， VG＞0 ） 8.2.3 各种表面层状态 8.2.3 各种表面层状态 p型半导体 8.2.3 各种表面层状态 n 型半导体 §8.3 MIS结构的电容-电压特性 MIS结构的微分电容 理想MIS结构的低频C-V特性 理想MIS结构的高频C-V特性 实际MIS结构的C-V特性 8.3.1 MIS结构的微分电容 栅压——VG= VO+ VS 当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷 面密度 —— QS = - QG MIS结构的微分电容——C? dQG/dVG 定义 氧化层电容—— 空间电荷区电容—— 则有 8.3.2 理想MIS结构的低频C-V特性 理想MIS结构: 金属的功函数与半导体相同（Vms=0） 氧化层中没有电荷存在（Qo=0） 半导体－氧化物没有界面态（Qss=0） ① VG0 VS0 表面积累, CS很大, (C/Co)→1, MIS结构的电容呈现为Co ② VG=0, VS=0 平带状态，归一化平带电容 ③ VG0, 0VS 2VB 表面耗尽 ④ VG VT, VS 2VB 表面强反型, CS很大, (C/Co)→1 阈值电压(开启电压)[半导体表面刚达到强反型时所加的栅压] 归一化电容 8.3.3理想MIS结构的高频C-V特性 ? 表面积累,表面耗尽,高低频特性一样 ? VG VT， VS 2VB, 表面强反型 高频时,反型层中电子的增减跟不上频率 的变化,空间电荷区电容呈现的是耗尽层电 容最小值 ? MIS结构的电容也呈现最小值 ——不再随偏压VG呈现显著变化 深耗尽状态 当偏压VG的变化十分迅速, 且其正向幅度大于VT,则: 即使表面势VS2VB ,反型层也来