8-半导体表面与MIS结构.ppt

Ch8半导体表面与MIS结构;1、功函数：功函数的定义是E0与EF能量之差，

用W表示。即;2、接触电势差：;典型金属半导体接触有两类：一类是整流接触，

形成阻挡层，即肖特基接触；一类是非整流接

触，形成反阻挡层，即欧姆接触。;3、金属半导体接触整流特性：;§8·1表面态;2、清洁表面;表面实质上就是晶体周期性的中断，或周期性势场的中断，它必然在禁带中引入能级，这种能级称为表面能级。

根据固体理论求解薛定谔方程，可获得表面能级分布的情况，即状态密度，对应的状态称为表面态。

每个表面原子对应禁带中的一个表面能级，这些表面能级按一定规律组成表面能带。

从晶体结构上看，表面原子排列不规则，而且表面上往往吸附有其它的分子或原子。本章讨论的是理想表面，即晶体表面原子排列比较规则，且不吸附有任何非本体分子或原子的表面。;§8.2表面电场效应;2、理想MIS结构：;在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在很薄的一个原子层的厚度范围之内；;表面势surfacepotential及空间区内电荷的分布情况,随金属与半导体间所加的电压VG而变化，主要可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况:;VG=0时,理想MIS结构的能带图;在金属和P型半导体间加上电压，则将会在半导体的表面层中产生空间电荷区;d;qVs;特征：

①表面能带向下弯曲；

②表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面层负电荷基本等于电离受主杂质浓度。

;能带进一步下弯

1）在表面处EF可能高于中间能级Ei，EF离Ec更近；;二、表面空间电荷层的电场、电势和电容;*考虑在表面层中载流

子满足经典统计；

*表面空间电荷层中的

电离杂质浓度为一个

常数，和体内相等。;在半导体体内，电中性条件成立，同时空间电荷

区中的电离杂质浓度为一个常数，所以有：;其中np0和pp0为体内平衡时的电子和空穴浓度;;;（2）表面电荷Qs分布;;;讨论：（以p型半导体为例）;所以，F函数近似为：;左图中,可以看出，在负

偏压时，表面电荷的指

数增加。;(b)平带状态;因为在Vs为零时，Cs分母为零是不定值，所以要求Vs趋于零的极限值，采用级数展开。;（c）耗尽状态：;Es、Qs、Cs

随表???势Vs

的变化关系！;（2）、Es为正值，电场和X方向一致；Qs为负

值，表明空间电荷是由电离受主杂质形

成的负电荷。;耗尽层近似理论：假设空间电荷层的空穴全部被耗尽，电荷全由电离的受主杂质构成。;(d)反型状态;令：;;开启电压VT：使半导体表面达到强反型时加在金属电极上的栅电压就是开启电压.此时，表面势:VS=2VB;对于强反区域：;对于强反型，表面耗尽层宽度将达到一个极大值，不再随外加电压的变化而变化,反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用，耗尽层宽度为：;e、深耗尽状态;1、表面电场效应;（2）耗尽状态:金属与半导体间加不太高的负电

压，表面势Vs为负值，表面处能带向上弯曲，越

接近表面，Ec离EF越远，导带中电子浓度越低

，表面多子耗尽，正电荷浓度近似为电离施主浓

度。;平带状态:理想MIS结构，当VG=0时，Vs=0，表

面能带不弯曲，Qs=0，E=0。此时空间电荷区电

容称为平带电容，用CFBS表示：;;§8·3MIS结构的电容－电压特性;在MIS结构的金属和半导体间加以某一电压VG后，电压VG的一部分Vo降在绝缘层上，而另一部分降在半导体表面层中，形成表面势Vs，即;上式表明MIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，由此可得MIS结构的等效电路如图所示：;1、多子积累时：偏压Vg为负，半导体表面处于堆积状态（以P型半导体）;2、平带状态Vg=0;3、耗尽状态VG＞0;化简整理后，得到电容和偏压VG的关系，VG增加，C/C0减小，是因为空间电荷区xd随偏压

增大而增大。;强反型层电容为：得到C/C0

;一般解释：

强反型时VS为正，并且数值较大，同时满足

qVS＞2qVB＞＞kT，所以上式中分母第二项为

零。这时有C/C0=1

从物理图像上理解：

强反型层出现后，大量的电子聚积在半导体的

表面，绝缘层两边堆积了电荷，并且在低频信

号时，少子的产生和复合跟得上低频小信号得

变化。如同只有绝缘层电容一样。;B、高频时：;理想MIS结构C-V特性小结：;二、金属与半导体功函数差Wms

对MIS结构C-V特性的影响;ＭＩＳ结构连通后,且VG=0时：;形成接触电势差：qVms＝Ws－Wm

;理想MIS结构的平带点受到金属和半导体功函数

的影响，由VG=0处移到了VG=VFB处。;