半導(dǎo)體物理北交經(jīng)典課件考研必備-第七章MIS

1、7.1 半導(dǎo)體的表面半導(dǎo)體的表面 一、理想表面和實(shí)際表面一、理想表面和實(shí)際表面 理想表面：理想表面： 表面對(duì)半導(dǎo)體各中物理過(guò)程有重要影響，特別是對(duì)許多半導(dǎo)體器件的性能影響更大。指表面層中原子排列的對(duì)稱(chēng)性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無(wú)限晶體表面。真實(shí)表面真實(shí)表面：表面吸附雜質(zhì)表面吸附雜質(zhì), 或或表面原表面原子生成氧化物或其它化合物子生成氧化物或其它化合物 清潔表面清潔表面：在表面沒(méi)有吸附雜質(zhì)，也：在表面沒(méi)有吸附雜質(zhì)，也沒(méi)有被氧化的實(shí)際表面。沒(méi)有被氧化的實(shí)際表面。實(shí)際表面實(shí)際表面又分為：又分為： 二、表面態(tài)二、表面態(tài) 達(dá)姆表面能級(jí)達(dá)姆表面能級(jí): 晶體自由表面的存在使其周期場(chǎng)

2、在表面處晶體自由表面的存在使其周期場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷發(fā)生中斷, 在禁帶中引起的附加能級(jí)在禁帶中引起的附加能級(jí). 求解薛定諤方程求解薛定諤方程在在x=0處，出現(xiàn)新的本征值處，出現(xiàn)新的本征值附加的電子能態(tài)附加的電子能態(tài)表面態(tài)表面態(tài)硅表面懸掛鍵硅表面懸掛鍵由于懸掛鍵的存在，表面由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴?？膳c體內(nèi)交換電子和空穴。例如:對(duì)硅(111)面，在超高真空下,可觀察到(7*7)結(jié)構(gòu)，即表面上形成以(7*7)個(gè)硅原子為單元的二維平移對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)。理想表面實(shí)際上不存在理想表面實(shí)際上不存在共價(jià)半導(dǎo)體的表面再構(gòu)現(xiàn)象共價(jià)半導(dǎo)體的表面再構(gòu)現(xiàn)象: 近表面幾個(gè)原子厚度的表面層中近表面幾個(gè)原子厚

3、度的表面層中, 離子離子實(shí)所受的勢(shì)場(chǎng)作用不同于晶體內(nèi)部實(shí)所受的勢(shì)場(chǎng)作用不同于晶體內(nèi)部, 使得晶使得晶體的三維平移對(duì)稱(chēng)性在表面層中受到破壞體的三維平移對(duì)稱(chēng)性在表面層中受到破壞,表面上形成新的原子排列結(jié)構(gòu)表面上形成新的原子排列結(jié)構(gòu), 這種排列具這種排列具有沿表面的二維平移對(duì)稱(chēng)性有沿表面的二維平移對(duì)稱(chēng)性.清潔表面的電子態(tài)，稱(chēng)為清潔表面的電子態(tài)，稱(chēng)為本征本征(達(dá)姆達(dá)姆)表表面態(tài)面態(tài)。 真實(shí)表面由于吸附原子或其它不完整性，真實(shí)表面由于吸附原子或其它不完整性，產(chǎn)生表面電子態(tài)，稱(chēng)為產(chǎn)生表面電子態(tài)，稱(chēng)為外誘表面態(tài)外誘表面態(tài)。 外誘表面態(tài)的特點(diǎn)是，其數(shù)值與表面經(jīng)過(guò)的處理方法有關(guān);達(dá)姆表面態(tài)對(duì)給定的晶體在“潔凈”

4、表面時(shí)為一定值。表面態(tài)分為表面態(tài)分為施主型表面態(tài)施主型表面態(tài)和和受主型表面態(tài)受主型表面態(tài)。 施主型表面態(tài)施主型表面態(tài):不論能級(jí)在禁帶中的位置如何不論能級(jí)在禁帶中的位置如何, 能級(jí)被電子能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性占據(jù)時(shí)呈電中性, 施放電子后帶正電施放電子后帶正電. 這樣的這樣的表面態(tài)叫表面態(tài)叫 受主型表面態(tài)受主型表面態(tài):不論能級(jí)在禁帶中的位置如何不論能級(jí)在禁帶中的位置如何, 能級(jí)空著時(shí)呈能級(jí)空著時(shí)呈電中性電中性, 接受電子后帶負(fù)電接受電子后帶負(fù)電, 這樣的表面態(tài)叫這樣的表面態(tài)叫 7.2 半導(dǎo)體的表面電場(chǎng)半導(dǎo)體的表面電場(chǎng) 一、形成表面電場(chǎng)的因素一、形成表面電場(chǎng)的因素 1表面態(tài)的影響表面態(tài)的影響 由于

5、表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子，由于表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子，結(jié)果產(chǎn)生了結(jié)果產(chǎn)生了垂直于表面的電場(chǎng)垂直于表面的電場(chǎng)。(EF)s表面費(fèi)米能級(jí)表面費(fèi)米能級(jí)(EF)s EF如果如果(EF)s EFEcEvEF(EF)s+E2功函數(shù)的差異功函數(shù)的差異金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí)。體外能級(jí)。金屬功函數(shù)的定義金屬功函數(shù)的定義上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。0EmW0()mFmWEEEFE0 真空中靜止電子的能量真空中靜止電子的

6、能量EoEcEv(EF)sWsWm金(M)半(S)WSWM，即即(EF)S(EF)M +E形成由金形成由金半的電場(chǎng)半的電場(chǎng)。(EF)msFsEEW)(0金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸 如果如果WS(EF)M半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中的電子向金屬流動(dòng)，形成由半的電子向金屬流動(dòng)，形成由半金的電場(chǎng)金的電場(chǎng) 3氧化層中的雜質(zhì)離子氧化層中的雜質(zhì)離子S+IME例如例如:Si-SiO2系統(tǒng)中系統(tǒng)中,SiO2層中有過(guò)剩層中有過(guò)剩硅離子硅離子4外加偏壓外加偏壓 二、表面電場(chǎng)效應(yīng)二、表面電場(chǎng)效應(yīng)1空間電荷區(qū)和表面勢(shì)空間電荷區(qū)和表面勢(shì) 討論在外加電場(chǎng)作用下半導(dǎo)體表面討論在外加電場(chǎng)作用下半導(dǎo)體表面層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。

7、d金屬絕緣體半導(dǎo)體歐姆接觸MIS結(jié)構(gòu)理想的理想的MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零絕緣層中無(wú)電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電絕緣層中無(wú)電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài) MIS結(jié)構(gòu)是一電容結(jié)構(gòu)是一電容 在金屬與半導(dǎo)體間加電壓后在金屬與半導(dǎo)體間加電壓后, 金屬和半導(dǎo)體金屬和半導(dǎo)體 相對(duì)的兩個(gè)面上被充電相對(duì)的兩個(gè)面上被充電, 符號(hào)相反符號(hào)相反 金屬中金屬中, 電荷分布在一個(gè)原子層范圍內(nèi)電荷分布在一個(gè)原子層范圍內(nèi); 半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中, 電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)- 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)+

8、 + + + +M ISVG空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)表面與體內(nèi)的電勢(shì)差為表面與體內(nèi)的電勢(shì)差為表面勢(shì)表面勢(shì)，用，用VS表示。表示。 規(guī)定：規(guī)定： 表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，VS0，反之，表，反之，表面電勢(shì)比內(nèi)部低時(shí)，面電勢(shì)比內(nèi)部低時(shí)，VS0； 外加反向偏壓時(shí)，外加反向偏壓時(shí)，VG0，電場(chǎng)由體內(nèi)指，電場(chǎng)由體內(nèi)指向表面，向表面，VS0，VS0時(shí)，取負(fù)號(hào)，空間電荷區(qū)的能時(shí)，取負(fù)號(hào)，空間電荷區(qū)的能帶從體內(nèi)到表面向下彎曲帶從體內(nèi)到表面向下彎曲 VG0，VS0，能帶向下彎，能帶向下彎 V(x)0KTxqVKTExqVECeneNxnFC)(0)()(KTxqVepxp)(0)(空穴的勢(shì)壘空穴的勢(shì)壘

9、 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) ：0 xEFV(x)0，能帶向上彎能帶向上彎 KTxVqenxn)(0)(KTxVqepxp)|(|0)(V(x)0電子的勢(shì)壘電子的勢(shì)壘 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) ：0 xX=0 V(x)=VsKTqVsKTqVsssseppennV000KTVqsKTVqsssseppennV|0|00表面上表面上3P型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài)型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài) (1) VG0，金屬接，金屬接+，半導(dǎo)體接負(fù)，半導(dǎo)體接負(fù) EcEvEFEiqVsqVBVB是體內(nèi)勢(shì)是體內(nèi)勢(shì) ：)(體FiBEEqV多子耗盡多子耗盡 ps0 反型層反型層界面EcEiEFEvqVsxqV

10、qVBEg半導(dǎo)體絕緣體表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲P電子稱(chēng)這個(gè)狀態(tài)為稱(chēng)這個(gè)狀態(tài)為反型狀態(tài)反型狀態(tài) 電子電離受主空間電荷空間電荷反型少子堆積反型少子堆積弱反型：弱反型：psns(po)p mFEFsExmQsQiE1）Ei與與EF在表面處相交（此處為本在表面處相交（此處為本征型）；征型）；2）表面區(qū)的少子數(shù)）表面區(qū)的少子數(shù)多子數(shù)多子數(shù)表面表面反型；反型；3）反型層和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著）反型層和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層。一層耗盡層。KTqVpossenn)(020pnniKTqVpoissepnn)(2表面反型條件表面反型條件出現(xiàn)強(qiáng)反型的臨界條件，出現(xiàn)強(qiáng)反型的臨界條

11、件，ns=(po)pKTqVissenn22KTqVissenn2KTqViKTEEiBFienenp0KTqVKTqVBs2出現(xiàn)強(qiáng)反型,2BsVV 0penNKTqViAB又iABnNqKTVlniABSnNqKTVVln22強(qiáng)反型出強(qiáng)反型出現(xiàn)現(xiàn)BsVV 表面弱反型時(shí)iAsiAsnNqkTVnNqTkVln2ln表面強(qiáng)反型條件為表面弱反型條件為因此VG0 VS0, VG0多子堆積多子堆積, 平帶平帶, 多子耗盡多子耗盡, 反型少子堆積反型少子堆積VG變化變化VS變化變化能帶彎曲能帶彎曲電荷分布變化電荷分布變化 4N型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài)基本狀態(tài) 1)

12、 VG0 ,VS0能帶下彎，能帶下彎，ns (n0)n多子的堆積多子的堆積 KTqVsKTqVsssseppennV000EF2) VG=0，VS=0 平帶平帶KTVqsKTVqsssseppennV|0|003) VG0，VS0 能帶上彎，能帶上彎，ns (n0)n為電子勢(shì)壘為電子勢(shì)壘 + + + 電離施主4) VG0 + + 空穴 表面處形成了表面處形成了p型材料，型材料，即即反型層反型層 多子耗盡多子耗盡EFEi弱反型：弱反型：nsps(no)nEF1總電容總電容C VG=V0+VS 在MIS結(jié)構(gòu)上加電壓VG后，電壓VG的一部分Vo降在絕緣層上，而另一部分降在半導(dǎo)體表面層中，形成表面勢(shì)V

13、s，即因是理想MIS結(jié)構(gòu)，絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷，絕緣層中電場(chǎng)是均勻的，以 表示其電場(chǎng)強(qiáng)度，顯然0E000dEV d0 絕緣層厚度絕緣層厚度00CQVs由高斯定理由高斯定理00roMQE QM金屬表面的面電荷密度金屬表面的面電荷密度, 0r 絕緣層的相對(duì)介絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)電常數(shù)000000000rsrMdQdQdEVQs半導(dǎo)體表面的面電荷密度半導(dǎo)體表面的面電荷密度Co 絕緣層電容絕緣層電容0000dCrsCCC1110GsGMdVdQdVdQCssGVCQV0MIS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容Cs為半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容為半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容sssssVQVQCddddMIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)

14、體空間電荷層電容的串聯(lián)MIS結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)的等效電路0C0dsCGVssCCCCC00sCCCC00110CC稱(chēng)為稱(chēng)為歸一化電容歸一化電容 2表面空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電容表面空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電容表面空間電荷區(qū)的電場(chǎng)：表面空間電荷區(qū)的電場(chǎng)：popoDpnKTqVFqLKT)()(,2F函數(shù)函數(shù)空間電荷層中電勢(shì)滿(mǎn)足的泊松方程空間電荷層中電勢(shì)滿(mǎn)足的泊松方程022)(ddrsxxVrs半導(dǎo)體的相對(duì)介電半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)常數(shù), (x)空間電荷密度空間電荷密度xVEddV0, 取正取正; V0，QS為負(fù)號(hào)為負(fù)號(hào) 金屬為負(fù)時(shí)，金屬為負(fù)時(shí)，VG0，QS為正號(hào)為正號(hào)ppssppsDrsspnkTqVFkT

15、qVpnkTqVLC)()(,1)exp()()(1)exp(00000空間電荷層單位面積上的電容空間電荷層單位面積上的電容, 單位單位F/m2以以p型半導(dǎo)體為例型半導(dǎo)體為例, 定量地分析各種表面層的狀態(tài)定量地分析各種表面層的狀態(tài)空間電荷層的電容空間電荷層的電容sssVQC(1) VG0，金屬接負(fù)，半導(dǎo)體接正，金屬接負(fù)，半導(dǎo)體接正 多數(shù)載流子堆積狀態(tài)多數(shù)載流子堆積狀態(tài))2exp(2kTqVqLkTEsDs)2exp(20kTqVqLkTQsDrss)2exp(0kTqVLCsDrss sVsCsCCCC0011sCC0隨隨 而而0 sV10CCCC0(AB)隨隨|VG| 積累的空穴越來(lái)越少，積

16、累的空穴越來(lái)越少，CS ，C/C0 (BC)1.00.80.60.40.2ABCDEFC0CFBCminCminVmin1低頻C02高頻GH00+VMIS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容-電容曲線電容曲線C/C02/10)()(12)(popoDrsspnLC平又（no)p0，金屬接，金屬接+，半導(dǎo)體接負(fù)，半導(dǎo)體接負(fù) VS0，表面能帶下彎，是空穴的勢(shì)壘，表面能帶下彎，是空穴的勢(shì)壘 2/1)()(,KTqVpnKTqVFspopos2/12/1)(2sDsVqKTL2/12/10)(2sDrssVqKTLQ空穴耗盡狀態(tài)空穴耗盡狀態(tài)2 . 101KTqVLCsDrss2/102srsAsVqNC2/1ssVC

17、2/1020)(2prsDpqkTL電離飽和時(shí)電離飽和時(shí) (p0)p=NA2/1200200211dqNVCCArsGrVG, C/C0(CD) 假設(shè)空間電荷區(qū)的空穴都已全部耗盡，假設(shè)空間電荷區(qū)的空穴都已全部耗盡，電荷全由已電離的受主雜質(zhì)構(gòu)成。半導(dǎo)電荷全由已電離的受主雜質(zhì)構(gòu)成。半導(dǎo)體的摻雜是均勻的，則空間電荷區(qū)的電體的摻雜是均勻的，則空間電荷區(qū)的電荷密度，荷密度， (x)=-qNA設(shè)設(shè)xd為耗盡層的厚度為耗盡層的厚度 022rsdAsxqNV 耗盡層近似耗盡層近似drssxC0(4) VG0 KTqVpopopopossepnpnKTqVF22/1)()()()(,2/10)(posDrssp

18、nLC反型狀態(tài)反型狀態(tài)低頻時(shí)低頻時(shí), 少子的產(chǎn)生與復(fù)合跟得上小信號(hào)的變化少子的產(chǎn)生與復(fù)合跟得上小信號(hào)的變化 VS ，少子積累越多，少子積累越多，ns ，Cs ，C0/CS ，C/C0 (DE) 當(dāng)當(dāng)VS 到使到使C0/CS 很小時(shí)，很小時(shí)，C/C0的分母的分母中的第二項(xiàng)又可以忽略。中的第二項(xiàng)又可以忽略。C/C0 1。(EF) 1)()(1100ssVkTqVpporoDrooepndLCC高頻時(shí)，反型層中的電子對(duì)電容沒(méi)有貢獻(xiàn)高頻時(shí)，反型層中的電子對(duì)電容沒(méi)有貢獻(xiàn),空空間電荷區(qū)的電容由耗盡層的電荷變化決定間電荷區(qū)的電容由耗盡層的電荷變化決定0max00min11dxCCrsdr因強(qiáng)反型出現(xiàn)時(shí)耗盡層

19、寬度達(dá)到最大值因強(qiáng)反型出現(xiàn)時(shí)耗盡層寬度達(dá)到最大值 xdmax, 不隨不隨VG變化變化, 耗盡層貢獻(xiàn)的電容將達(dá)極小值并耗盡層貢獻(xiàn)的電容將達(dá)極小值并保持不變保持不變.(GH)n（1）半導(dǎo)體材料及絕緣層材料一定）半導(dǎo)體材料及絕緣層材料一定 n 時(shí)，時(shí)，C-V特性將隨特性將隨do及及NA而而 n 變化；變化； n（2）C-V特性與頻率有關(guān)特性與頻率有關(guān)N型半導(dǎo)體組成的型半導(dǎo)體組成的MIS結(jié)構(gòu)具有相似的規(guī)律。結(jié)構(gòu)具有相似的規(guī)律。 二、實(shí)際的二、實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性 1金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的影響金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的影響 (EF)M(EF)SMS(EF)M(EF)s+EWMWs，形成的，形成

20、的Vs0，這，這時(shí)時(shí)C-V曲線是向右發(fā)生了移動(dòng)。曲線是向右發(fā)生了移動(dòng)。2絕緣層中離子的影響絕緣層中離子的影響 可動(dòng)離子：可動(dòng)離子：Na+，K+或或H+固定離子：通常位于固定離子：通常位于SiSiO2界面附近的界面附近的200 范圍內(nèi)范圍內(nèi) +MIS-E外外CV曲線向左平移曲線向左平移0sV能帶下彎能帶下彎3表面態(tài)的影響表面態(tài)的影響 (1) 受主表面態(tài)受主表面態(tài) 在在N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中 EcEvEF+EVS0，能帶上彎 -電離受主電離受主表面態(tài)表面態(tài)+電離施主電離施主空穴空穴使使N型表面反型型表面反型接受電子接受電子, 帶負(fù)電帶負(fù)電在在P型表面型表面 -Vs0，能帶上彎，能帶上彎 電離受主電離受主表面態(tài)表面態(tài)多