高二物理競(jìng)賽表面電場(chǎng)效應(yīng)課件

表面電場(chǎng)效應(yīng)表面電場(chǎng)效應(yīng)在外加電場(chǎng)作用下，在半導(dǎo)體的表面層內(nèi)發(fā)生的物理現(xiàn)象。可以采用不同方法，使得半導(dǎo)體表面層內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，如：功函數(shù)不同的金屬和半導(dǎo)體接觸（金/半接觸）、表面態(tài)、使半導(dǎo)體表面吸附某種帶電的離子等（一）空間電荷層及表面勢(shì)：表面電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)金屬/氧化物/半導(dǎo)體(MOS)器件及半導(dǎo)體表面的研究工作十分重要

如圖裝置是MIS結(jié)構(gòu)。

(Metal-Insulator-Semiconductor)中間以絕緣層隔開的金屬板和半導(dǎo)體襯底組成的，在金/半間加電壓時(shí)即可產(chǎn)生表面電場(chǎng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，影響因素多。（功函數(shù)、帶電粒子，界面態(tài)等）金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸

現(xiàn)在理想情況

假設(shè)MIS結(jié)構(gòu)滿足以下條件：（1）Ws=Wm；（2）在絕緣層內(nèi)沒有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；（3）絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。

討論理想MIS結(jié)構(gòu)金/O/半間加電壓產(chǎn)生垂直于表面的電場(chǎng)時(shí)，半導(dǎo)本表面層內(nèi)的電勢(shì)及電荷分布情況。金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸空間電荷層和表面勢(shì)（金屬與半導(dǎo)體間加電壓）外加表面電場(chǎng)空間電荷層空間電荷層：為了屏蔽表面電場(chǎng)的作用，半導(dǎo)體表面所形成有一定寬度的“空間電荷層”或叫“空間電荷區(qū)”，其寬度從零點(diǎn)幾微米到幾個(gè)微米。表面勢(shì)表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲在半導(dǎo)體中，由于自由載流子密度低得多，電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)；這個(gè)帶電的表面層稱做空間電荷區(qū)表面勢(shì)：空間電荷層內(nèi)的電場(chǎng)從表面到體內(nèi)逐漸減弱直到為零，電勢(shì)發(fā)生相應(yīng)變化，電勢(shì)變化迭加在電子的電位能上，使得空間電荷層內(nèi)的能帶發(fā)生彎曲，“表面勢(shì)VS”就是為描述能帶變曲的方向和程度而引入的。表面電場(chǎng)可以改變表面電導(dǎo)表面空間電荷層的電荷與Vs有關(guān)，表現(xiàn)出電容效應(yīng)表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)取正值。表面勢(shì)及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導(dǎo)體間所加電壓VG而變化，分為堆積、耗盡和反型三種情況。由波耳茲曼統(tǒng)計(jì)，表面層載流子濃度ns、ps和體內(nèi)平衡載流子濃度n0、p0的關(guān)系為：

以熱平衡時(shí)p型半導(dǎo)體為例：EviEciEiEvEcEFsEFm理想MIS結(jié)構(gòu)的能帶圖表面勢(shì)為零，能帶平直在熱平衡時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的費(fèi)米能級(jí)保持定值VG=0VG=0(1)、VG=0時(shí),平帶狀態(tài)(2)、VG<0多子空穴的積累VG<0EFmEFsEcEvEi能帶圖1.空間電荷區(qū)表面勢(shì)為負(fù)2.能帶向上彎曲，Ev接近甚至高于EF3.空穴(多子)堆積分布在最靠近表面的薄層x電荷分布QmQsVG>0（3）VG

＞0耗盡狀態(tài)QmQsx電荷分布1.空間電荷區(qū)表面勢(shì)為正2.能帶向下彎曲3.表面層空穴(多子)濃度比體內(nèi)少得多，基本上耗盡，負(fù)電荷基本等于電離受主雜質(zhì)濃度EFmEFsEcEvEi能帶圖-受主雜質(zhì)VG>>0（4）VG>>0反型狀態(tài)1.空間電荷區(qū)表面勢(shì)為正2.能帶進(jìn)一步下彎，EFs離Ec更近3.表面區(qū)的少子電子數(shù)>多子空穴數(shù)—表面反型出現(xiàn)；4.反型層發(fā)生在表面處，和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層EFmEFsEcEvEiQmQsx電荷分布-耗盡層電子VG狀態(tài)Vs能帶QsEsVG<0積累Vs<0上彎Qs>0Es<0VG=0平帶Vs=0平直Qs=0Es=0VG>0耗盡Vs>0(Vs<VB)下彎Qs<0Es>0VG>>0反型Vs>>0(Vs>VB)下彎Qs<0Es>0p型理想MIS結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)效應(yīng)VGp

型VsxVs=0V0多子堆積VG=0平帶狀態(tài)ECEVEFEiVG<0MISMISEFmECEiEFsEVECIEVIVG>0ECEVEiEF多子耗盡ECEVEiEF少子反型VG>>0求解泊松方程表面層中電場(chǎng)強(qiáng)度Es、電勢(shì)Vs高斯定理表面空間電荷層思路：多子堆積平帶多子耗盡少子反型進(jìn)行相應(yīng)近似ESQSCS四種基本狀態(tài)的電場(chǎng)、電勢(shì)和電容:外加電壓VG＜0，Vs<0,表面層的電勢(shì)都是負(fù)的，表面電荷是空穴。即Qs>0。（a）多子積累時(shí)：EFmEFsEcEvEi能帶圖E表面電場(chǎng)、表面電荷和空間電荷電容隨表面勢(shì)的絕對(duì)值的增加而指數(shù)增長(zhǎng)。表面勢(shì)越負(fù)，能帶在表面處向上彎曲得更厲害，表面層空穴濃度急劇增加(b)平帶狀態(tài)當(dāng)外加電壓VG=0時(shí)，表面勢(shì)Vs=0，表面處能帶不發(fā)生彎曲，稱為平帶狀態(tài)。EviEciEiEvEcEFsEFm（c）耗盡狀態(tài)：外加電壓VG>0，即表面勢(shì)Vs>0，能帶向下彎曲，是空穴的勢(shì)壘。但當(dāng)VG不太大時(shí)，不能使得表面處的中央能級(jí)Ei彎到費(fèi)米能級(jí)以下。VB>Vs>0EFmEFsEcEvEi能帶圖-受主雜質(zhì)（2）、Es為正值，電場(chǎng)和X方向一致；Qs為負(fù)值，表明空間電荷是由電離受主雜質(zhì)形成的負(fù)電荷。（1）、表面電場(chǎng)強(qiáng)度Es和表面電荷Qs都正比于(VS)1/2

。(d)反型狀態(tài)(VG>>0)qVBqVsEi隨外加正向電壓VG的進(jìn)一步增大，Ei下降到費(fèi)米能級(jí)以下，出現(xiàn)了反型層（少子大于多子）。Vs>VB強(qiáng)反型和弱反型:表面少子的濃度ns

是否超