半导体物理8.半导体表面与MIS结构.ppt

半导体表面与MIS结构 半导体的表面结构 表面的电场效应 MIS的电压电容特性 真实的Si-SiO2系统性质 表面电导和迁移率 1?? 半导体的表面结构 表面的概念 晶体的周期性结构在表面中断，破坏了三维结构的对称性，会构成表面的特殊结构和性质; 理想表面就是指表面居中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子成分子的半无限晶体表面。因晶格在表面处突然终止，在表面外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称作悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态； 表面有大量的原子键被断开而需要大量的能量，形成表面能； 为降低表面能，表面和近表面的原子层间距发生变化而出现表面弛豫现象； 表面的原子会重新组合，形成新键，从而改变表面原子的结构对称性，出现所谓的表面再构现象，降低悬挂键密度； 由于不可避免的客观原因，表面会吸附其它原子和分子，并对表面性质产生显著影响。 洁净理想表面实际上是不存在，表面上会形成一层单原子层(一般主要由氧原子组成)，在表面上覆盖了一层二氧化硅层，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度就大大降低； 由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。例如，n型硅悬挂键可以从体内获得电子，使表面带负电。这负的表面电荷可排斥表面层中电子使之成为耗尽层甚至变为p型反型层。 表面能级由两组，—组为施主能级(带电子为中性，失去电子带正电荷)，靠近价带，另一组为受主能级（不带电子为中性，得到电子带负电），靠近导带。 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，这种表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关。 理想表面的电子态 讨论理想表面就是指表面居中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子成分子的半无限晶体表面情形,固体物理理想的清洁表面Tamm描述的Kronig-Penney模型 根据模型，薛定锷方程可表达为 (x≤0, 表面势垒高度W大于电子能量E) (x0) 前一个方程解的一般表达为： （x0） 由物理意义，方程第二项B应为零, 即电子波函数在体外迅速衰减: 后一个方程解为周期势场中电子运动波函数： 波函数看成是准自由电子的运动，振幅被周期性调制。 在区域0≤xb，V＝0，取 解为： 波函数为 在区域b≤xa，V＝V0，取 解为： 波函数为 波函数在x=b,x=a处连续及其一次导数连续，得到关于A0、B0、C0、D0共四个方程组成的一次线性方程组，方程组有解的条件是系数行列式为零。由此得到一个等式: 做合理假设：V0→∞,势垒宽度c→0，但V0C值有限，lim(β2ac)/2=P有限, 而shβc＝2，chβc=0，得到体内E-k色散关系为： 由A0、B0、C0、D0系数关系方程可得到: 考虑x=0处函数连续得到的系数方程组 如同体内讨论相似，同样可表达为： 满足此方程的E解构成能带，不满足此方程的解构成禁带。在半导体表面得到的上方程右边为实数，为保证左边也为实数，k只能取(n为整数): 方程的形式为 表面引起的表面态能量在禁带范围内。 相应的表面态波函数在体外部分，以指数形式向外衰减: 在体内部分可表述为，向体内衰减的波函数。所以表面态只能定域在表面附近: 2 表面电场效应 一般概念 讨论在热平衡情况的表面电场效应，以及外加电场作用下半导体表面层内现象。 表面电场产生的原因：功函数不同的金属和半导体接触，或半导体表面外吸附某种带电离子等。 表面电场效应的研究方法： MIS结构 理想的MIS结构： 金属与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界面态。 空间电荷层及表面势的概念 MIS结构相当于一个电容，在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充电。两者所带电荷符号相反，但电荷分布情况不同。 金属中自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围之内；在半导体中自由载流子密度要低得多，电荷分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层称做空间电荷区。 空间电荷区内从表面到内部电场逐渐减弱，到另—端减小到零。空间电荷区内的电势随