第六章半導(dǎo)體表面及同質(zhì)、異質(zhì)接觸

第六章

半導(dǎo)體表面及同質(zhì)、異質(zhì)接觸Semiconductorsurfaceandhomo-hetero-contactSemiconductorPhysics主要內(nèi)容及要求（2課時(shí)）：*表面態(tài)及表面電場(chǎng)效應(yīng)*半導(dǎo)體同質(zhì)接觸-PN結(jié)*MIS結(jié)構(gòu)及電容-電壓特性(C-V)*金半接觸及電流整流特性(I-V)(課時(shí)少，但非常重要和有用，建議加強(qiáng)課后自學(xué)）§6·1

表面態(tài)與表面電場(chǎng)效應(yīng)Byincreasingminiaturizationinsemiconductor-devicetechnology,theinterfaceitselfisthedevice!Kroemer,the2000Nobelwinnerofphysics1928年出生于德國(guó).1952年獲得德國(guó)哥廷根大學(xué)理論物理學(xué)博士學(xué)位.他的博士論文的題目是在晶體管中熱電子的效應(yīng),這成為他從事半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體設(shè)備研究職業(yè)生涯的開端.現(xiàn)為加州圣巴巴拉加州大學(xué)的物理學(xué)教授。達(dá)姆在1932年用量子力學(xué)嚴(yán)格證明，晶體的自由表面的存在，使得周期性勢(shì)場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷，引起附加能級(jí)，電子被局域在表面附近，這種電子狀態(tài)稱為表面態(tài)，所對(duì)應(yīng)的能級(jí)為表面能級(jí)。每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí)，組成表面能帶從化學(xué)鍵方面分析，在晶體最外層的原子存在未配對(duì)的電子，即未飽和的鍵－－懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)就是表面態(tài)。1、未飽和的鍵－－懸掛鍵danglingband

“理想表面”就是指表面層中原子排列的對(duì)稱性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無限晶體表面。但在實(shí)際中，理想表面是不存在的，即使在絕對(duì)清潔的半導(dǎo)體表面，由于表面對(duì)稱性破壞，原子所受的勢(shì)場(chǎng)作用完全不同于體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到原子發(fā)生再構(gòu)現(xiàn)象，以達(dá)到能量的最小化。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)稱性結(jié)構(gòu)。硅表面7×7重構(gòu)的原子照片

由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴。如n型硅的清潔表面帶負(fù)電。如下圖所示：SiSiSiSiSiSi硅表面懸掛鍵示意圖表面懸掛鍵1015cm-2

從硅表面態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，證實(shí)其表面能級(jí)由兩組組成：一組為施主能級(jí)，靠近價(jià)帶；另一組為受主能級(jí)，靠近導(dǎo)帶。除了上述表面態(tài)外，在表面處還存在由于晶體缺陷或吸附原子等原因引起的表面態(tài)。2、表面缺陷和吸附原子目前，對(duì)硅表面態(tài)的研究比較多，表面態(tài)在禁帶的分布有一定的了解，但對(duì)具體的工藝重復(fù)性比較差，最急待研究的是Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的表面態(tài)情況，對(duì)微電子的發(fā)展具有重要意義。這種表面態(tài)的特點(diǎn)是，其表面態(tài)的大小與表面經(jīng)過的處理方法有關(guān)；而達(dá)姆表面態(tài)對(duì)給定的晶體在“潔凈”表面時(shí)為一定值大約為1015cm-2(每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)禁帶中的一個(gè)能級(jí))，實(shí)際上由于表面被其它原子覆蓋，表面態(tài)比該值小得多，為1010～1015cm-2

。表面態(tài)對(duì)半導(dǎo)體各中物理過程有重要影響，特別是對(duì)許多半導(dǎo)體器件的性能影響更大。3、表面態(tài)的影響4.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，主要載流子的輸運(yùn)性質(zhì)的改變。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）、使半導(dǎo)體表面吸附某種帶電的離子、金屬/絕緣體/半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)等。§6·2

金屬/半導(dǎo)體接觸及I-V特性2、MESFET(metal-semiconductorfield-effecttransistor)具有與MOSFET相似的電流－電壓特性，但在器件的柵(gate)上電極部分利用金屬－半導(dǎo)體的整流接觸取代了MOSFET的MOS結(jié)構(gòu)；用歐姆接觸取代MOSFET的p-n結(jié)。一、概述：1、在微電子和光電子器件中，半導(dǎo)體材料和金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體的各種接觸是普遍存在的，如MOS器件、肖特基二極管、氣體傳感器等。薄膜技術(shù)及納米技術(shù)的發(fā)展，使得界面接觸顯得更加重要。3、第一個(gè)實(shí)際的半導(dǎo)體器件就是點(diǎn)接觸整流性的金半接觸，就是將細(xì)須狀金屬壓在半導(dǎo)體表面。從1904年起，該器件有許多不同的應(yīng)用。1938年，Schottky提出其整流作用，可能由半導(dǎo)體中穩(wěn)定的空間電荷區(qū)所產(chǎn)生的電勢(shì)能差引起的，由此所建立的模型稱肖特基勢(shì)壘（Schottkybarrier).4、兩個(gè)要點(diǎn)：①功函數(shù)和禁帶寬度的不同金屬/半導(dǎo)體接觸能帶圖的變化；②肖特基接觸的整流特性即電流－電壓I-V特性。二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)Wm、Ws1、金屬的功函數(shù)Wm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)部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中靜止電子的能量，又稱為真空能級(jí)。

金屬銫Cs的功函數(shù)最低1.93eV，Pt最高為5.36eV2、半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。用Χ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0χWsEn①

N型半導(dǎo)體：式中：②

P型半導(dǎo)體：式中：Note:

和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜質(zhì)濃度變化，所以，Ws也和雜質(zhì)濃度有關(guān)。Ec(EF)sEvE0χWsEn半導(dǎo)體金屬半導(dǎo)體金屬What?能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化新的物理效應(yīng)和應(yīng)用3、金屬/半導(dǎo)體接觸三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢(shì)差1.阻擋層接觸金屬n半導(dǎo)體設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：（1）即半導(dǎo)體的費(fèi)米能EFs高于金屬的費(fèi)米能EFm金屬的傳導(dǎo)電子的濃度很高，1022～1023cm-3半導(dǎo)體載流子的濃度比較低，1010～1019cm-3金屬半導(dǎo)體接觸前后能帶圖的變化：接觸后，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該在同一水平，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子必然要流向金屬，而達(dá)到統(tǒng)一的費(fèi)米能接觸前，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬（相對(duì)于真空能級(jí)），所以半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子有向金屬流動(dòng)的可能WmEFmWsE0EcEFsEv接觸前接觸后qVDEFEFEvEcxdE0在接觸開始時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的間距，在兩類材料的表面形成電勢(shì)差Vms。接觸電勢(shì)差：緊密接觸后，電荷的流動(dòng)使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng)厚的一層形成正的空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)形成電場(chǎng)，其電場(chǎng)在界面處造成能帶彎曲，使得半導(dǎo)體表面和內(nèi)部存在電勢(shì)差，即表面勢(shì)Vs。接觸電勢(shì)差分降在空間電荷區(qū)和金屬與半導(dǎo)體表面之間。但當(dāng)忽略接觸間隙時(shí)，電勢(shì)主要降在空間電荷區(qū)?，F(xiàn)在考慮忽略間隙中的電勢(shì)差時(shí)的極限情形:半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為：金屬一邊的勢(shì)壘高度為：半導(dǎo)體體內(nèi)電場(chǎng)為零，在空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由內(nèi)向外，半導(dǎo)體表面勢(shì)Vs＜0EFEvqVDEcE電場(chǎng)在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱為阻擋層。界面處的勢(shì)壘通常稱為肖特基勢(shì)壘。EFEvqVDEcE電場(chǎng)所以：金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，即半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬，電子向金屬流動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一，在半導(dǎo)體表面一層形成正的空間電荷區(qū)，能帶向上彎曲，形成電子的表面勢(shì)壘。金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm<Ws，即金屬的費(fèi)米能級(jí)比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高，半導(dǎo)體的多子空穴流向金屬，使得金屬表面帶正電，半導(dǎo)體表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲，形成空穴的表面勢(shì)壘。（2）金屬－p型半導(dǎo)體接觸的阻擋層在半導(dǎo)體的勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由負(fù)的電離受主形成，其多子空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個(gè)高阻區(qū)域，形成空穴阻擋層。金屬和p型半導(dǎo)體Wm<Ws

空穴阻擋層EFmEFsWsWmEvEcE0電場(chǎng)EEcEFEvxdqVd接觸后對(duì)空穴講，向下是能量增加，在P型半導(dǎo)體多子是空穴，半導(dǎo)體多子流向金屬后，留下帶負(fù)電的電離受主雜質(zhì)，即空間電荷區(qū)，能帶向下彎曲。半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度是：qVD=Ws-Wm（3）金屬－半導(dǎo)體接觸的阻擋層所謂阻擋層，在半導(dǎo)體的勢(shì)壘區(qū)，形成的空間電荷區(qū)，它主要由正的電離施主雜質(zhì)或負(fù)的電離受主形成，其多子電子或空穴濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域能帶向上或向下彎曲形成電子或空穴的阻擋。金屬與N型半導(dǎo)體，Wm>Ws金屬與P型半導(dǎo)體,Wm<Ws阻擋層2.反阻擋層接觸金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm<Ws,電子將從金屬流向半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)，電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)，Vs>0，能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層，即電子反阻擋層。（1）金屬與N型半導(dǎo)體接觸WmEFmWsE0EcEFsEvEEcEFsEv金屬/n型半導(dǎo)體接觸前后電子反阻擋層形成能帶圖的變化：在半導(dǎo)體表面，能帶向下彎曲，相當(dāng)有個(gè)電子的勢(shì)阱,

多子電子的濃度比體內(nèi)大得多，是一個(gè)高通區(qū)，即電子的反阻擋層－高導(dǎo)通區(qū)。（很?。。?）金屬與P型半導(dǎo)體接觸金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，空穴將從金屬流向半導(dǎo)體表面，在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面，Vs<0，能帶向上彎曲，這里空穴濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層，即空穴反阻擋層。WsWmEFsEFmEvEcE0接觸后：xdEcEFEvEN型P型Wm>Ws阻擋層反阻擋層Wm<Ws反阻擋層阻擋層上述金半接觸模型即為Schottky

模型：Note:反阻擋層是很薄的高電導(dǎo)層，對(duì)半導(dǎo)體和金屬的接觸電阻的影響是很小的，它在平常的實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)不到。能帶向上彎曲能帶向下彎曲（高阻區(qū)）（高電導(dǎo)區(qū)）（高阻區(qū)）（高電導(dǎo)區(qū)）四、整流理論－定量I-V特性的表達(dá)式1.定性結(jié)論：對(duì)于n型阻擋層，即金屬和n型半導(dǎo)體在Wm＞W(wǎng)s時(shí)，表面勢(shì)為負(fù)的值，當(dāng)在金屬上加正向電壓即V大于0，使得電子的勢(shì)壘高度減低，多子電子從半導(dǎo)體流向金屬的數(shù)目變多，并隨電壓增加而變得越大，即從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流變大。正向電流都是多子空穴從半導(dǎo)體流向金屬但和正向電流行為不一樣的是：金屬一邊的電子所要越過的勢(shì)壘，不隨外加電壓而變化。所以，金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的。當(dāng)反向電壓提高時(shí)，半導(dǎo)體到金屬的電子流可以忽略不計(jì)，反向電流達(dá)到飽和值。對(duì)p型阻擋層：能帶向下彎，表面勢(shì)(Vs)0大于零V＜0時(shí)，能帶下彎得更厲害，多子空穴從半導(dǎo)體流向金屬，形成正向電流；金屬加正電壓V＞0時(shí)，能帶下彎曲變得小了，形成金屬到半導(dǎo)體的反向電流。正向和反向的電流特點(diǎn)就是阻擋層的整流作用

勢(shì)壘區(qū)中存在電場(chǎng)，有電勢(shì)的變化，導(dǎo)致載流子濃度的不均勻。計(jì)算通過勢(shì)壘的電流時(shí)，因?yàn)椴捎煤褡钃鯇拥臄U(kuò)散理論，故必須同時(shí)考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。所以，勢(shì)壘區(qū)的電勢(shì)分布情況是求解V-I關(guān)系的關(guān)鍵。對(duì)于n型阻擋層，當(dāng)勢(shì)壘寬度比電子的平均自由程大得多，即Xd

》ln時(shí)，電子通過勢(shì)壘區(qū)將發(fā)生多次碰撞－－厚阻擋層。擴(kuò)散理論適用于厚阻擋層。（1）擴(kuò)散理論DiffusionTheory2.定量解釋：金半接觸伏安特性氧化亞銅，遷移率較小，即平均自由程較短，擴(kuò)散理論是適用的。但JSD隨電壓而緩慢變化，但并不趨于定值，即沒有飽和電流密度指數(shù)增加（2）熱電子發(fā)射理論起決定作用的是勢(shì)壘的高度，而不是形狀。當(dāng)電子動(dòng)能>勢(shì)壘頂部時(shí)，電子可以自由越過勢(shì)壘進(jìn)入另一邊。電流的計(jì)算即求越過勢(shì)壘的載流子數(shù)目。熱電子發(fā)射理論以非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的n型阻擋層為例，假設(shè)qVD》k0T，通過勢(shì)壘交換的電子很少，體內(nèi)的電子濃度視為常數(shù)，與電流無關(guān)。當(dāng)n型阻擋層很薄時(shí)，即電子的平均自由程大于勢(shì)壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。電子通過勢(shì)壘區(qū)的碰撞可以忽略。規(guī)定電流的正方向是從金屬到半導(dǎo)體電子流密度方向和電流方向相反①

Js→m時(shí)（正向電流）EFVx電子的狀態(tài)密度和分布函數(shù)考慮非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的情況,分布函數(shù)為Boltzmann分布：dn所以：電子流密度②

Jm→s時(shí)（反向電流）Φns是金屬一邊的電子勢(shì)壘③總的電流密度J④討論：擴(kuò)散理論：熱電子發(fā)射理論：Ge、Si、GaAs都有較高的載流子遷移率，即較大的平均自由程，在室溫時(shí)，其肖特基勢(shì)壘中的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射五、歐姆接觸定義：金/半接觸的非整流接觸，即不產(chǎn)生明顯的附加電阻，不會(huì)使半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡載流子濃度發(fā)生明顯的改變。應(yīng)用：半導(dǎo)體器件中利用電極進(jìn)行電流的輸入和輸出就要求金屬和半導(dǎo)體接觸形成良好的歐姆接觸。在超高頻和大功率的器件中，歐姆接觸時(shí)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)：不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成反阻擋層，就可以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。實(shí)際中，由于有很高的表面態(tài)，主要用隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。半導(dǎo)體重?fù)诫s導(dǎo)致明顯的隧穿電流，而實(shí)現(xiàn)歐姆接觸：半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)，金半接觸的勢(shì)壘區(qū)的寬度變得很薄，電子會(huì)通過隧道效應(yīng)穿過勢(shì)壘產(chǎn)生相當(dāng)大的隧穿電流，甚至?xí)^熱電子發(fā)射電流成為電流的主要部分。當(dāng)隧穿電流占主要成份時(shí)，接觸電阻會(huì)很小，可以用作歐姆接觸。常用的方法：在n型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)再與金屬接觸，形成金屬－n+n或金屬—p+p結(jié)構(gòu)。使得金屬的選擇很多。電子束和熱蒸發(fā)、濺射、電鍍。Xc歐姆接觸可以通過金屬半導(dǎo)體形成反阻擋層或隧道效應(yīng)制造。實(shí)際生產(chǎn)中，主要利用隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。V

J

§6.3

MIS結(jié)構(gòu)及電容-電壓特性(C-V)：（1）Wm=Ws；（2）絕緣層內(nèi)無可移動(dòng)電荷且絕緣層不導(dǎo)電；（3）絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。MIS結(jié)構(gòu)等效電路表面電場(chǎng)導(dǎo)致電容如何產(chǎn)生?一.

理想MIS結(jié)構(gòu)由于MIS結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容，當(dāng)在金屬與半導(dǎo)體之間加電壓后，在金屬與半導(dǎo)體相對(duì)的兩個(gè)面上就要被充放電。但和一般意義的電容不一樣！在金屬中，自由電子密度很高，電荷基本上分布在很薄的一個(gè)原子層的厚度范圍之內(nèi)；而在半導(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)spacechargeregion。1、空間電荷層及表面勢(shì)金屬的傳導(dǎo)電子的濃度很高，1022～1023cm-3半導(dǎo)體載流子的濃度比較低，1010～1019cm-3首先，在空間電荷區(qū)內(nèi)，從半導(dǎo)體的表面到體內(nèi)，電場(chǎng)逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，電場(chǎng)強(qiáng)度減小到零。其次，空間電荷區(qū)的電勢(shì)也要隨距離逐漸變化化，半導(dǎo)體表面相對(duì)體內(nèi)就產(chǎn)生電勢(shì)差?？臻g電荷區(qū)對(duì)電場(chǎng)、電勢(shì)與能帶的影響：最后，電勢(shì)的變化，使得電子在空間電荷區(qū)的能量改變，從而導(dǎo)致能帶的彎曲。表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲界面EcEiEFEvxEg半導(dǎo)體絕緣體Vg＞0時(shí):p-typeorn-typeSi

表面勢(shì)surfacepotential及空間區(qū)內(nèi)電荷spacecharge的分布情況,隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG(gate

voltage)而變化，主要可歸納為堆積accumulation、耗盡depletion和反型inversion三種情況:稱空間電荷層兩端的電勢(shì)差為表面勢(shì)，以表示之。規(guī)定表面勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，取正值，反之取負(fù)值。（1）

多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（2）

多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)（3）

少數(shù)載流子反型狀態(tài)在VG＝0時(shí)，理想半導(dǎo)體的能帶不發(fā)生彎曲，即平帶狀態(tài)flat-bandcondition，有時(shí)也稱為一種狀態(tài)。例如，對(duì)于p型半導(dǎo)體，有三種情況：VG=0時(shí),理想MIS結(jié)構(gòu)的能帶圖一般情況討論,以p型半導(dǎo)體為例：EviEciEiEvEcEFsEFm在金屬和P型半導(dǎo)體間加上電壓，則將會(huì)在半導(dǎo)體的表面層中產(chǎn)生空間電荷區(qū)，dx0+VGp型半導(dǎo)體表面感生一個(gè)荷負(fù)電的空間電荷層如果VG>0:qVsEcEvEF表面電勢(shì)表面勢(shì)為正，表面處能帶向下彎曲，越接近表面。費(fèi)米能離價(jià)帶越遠(yuǎn)，空穴濃度越小?？臻g電荷層內(nèi)的電場(chǎng)是由半導(dǎo)體的表面指向體內(nèi)的，電子的靜電勢(shì)能逐步升高，能帶向下發(fā)生彎曲表面勢(shì)及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況，隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG變化，可分為：VG＜0時(shí)，多子積累狀態(tài)；VG＝0時(shí)，平帶狀態(tài)；VG＞

0時(shí)，多子耗盡狀態(tài)；VG0時(shí)，少子反型狀態(tài)；當(dāng)外加電壓變化時(shí)，如前面所述：2.理想MIS結(jié)構(gòu)C-V特性小結(jié)：（1）半導(dǎo)體材料及絕緣層材料一定時(shí)，C-V

特性將隨絕緣層厚度do及半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度NA而變化；（2）C-V特性與頻率有關(guān)，尤其是反型層時(shí)的C-V曲線的形狀。1、金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)C-V特性的影響在實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)中，存在一些因素影響著MIS的C-V特性，如：金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)的差、絕緣層中的電荷等。

例：以Al/SiO2/P-type-Si

的MOS結(jié)構(gòu)為例：

P型硅的功函數(shù)一般較鋁大，當(dāng)Wm<Ws時(shí)，將導(dǎo)致C-V特性向負(fù)柵壓方向移動(dòng)。Why?二.實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)C-V特性：ＭＩＳ結(jié)構(gòu)還未連接時(shí)：WsEcEvSiO2EFsWmWsEcEvSiO2EFmEFsEoＭＩＳ結(jié)構(gòu)連通后,且VG=0時(shí)：WmEFmEFsWsEcEvEoSiO2電子將從金屬流向半導(dǎo)體中，會(huì)在p型硅的表面形成帶負(fù)電的空間電荷層，而在金屬表面產(chǎn)生正電荷，這些正電荷在SiO2和Si表面層內(nèi)產(chǎn)生指向半導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)，使得半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲，同時(shí)硅內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于金屬的費(fèi)米能級(jí)要向上提高，到達(dá)相等而平衡。形成接觸電勢(shì)差：

qVms

＝Ws－Wm

所以，在偏壓V=0時(shí)，半導(dǎo)體的表面層不處于平帶狀態(tài)。qVmsqViEFEiEcEvSiO2VG=0如何恢復(fù)平帶狀況？加上負(fù)柵壓VG=-VmsSiO2WmWs以抵消由于兩者功函數(shù)的不同所引起的電場(chǎng)和能帶的彎曲使能帶恢復(fù)平直的柵電壓CFBVFB平帶電壓VFB實(shí)驗(yàn)上，可計(jì)算出理想狀態(tài)時(shí)的平帶電容值，然后在CFB引與電壓軸平行的直線，和實(shí)際曲線相交點(diǎn)在電壓軸上的坐標(biāo)，即VFB實(shí)際HowaboutPt?2、絕緣層電荷對(duì)MIS

結(jié)構(gòu)C-V特性的影響一般有：由于這些電荷的存在，將在金屬和半導(dǎo)體表面感應(yīng)出相反符號(hào)的電荷，在半導(dǎo)體的空間電荷層內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)使得能帶發(fā)生彎曲。也即沒有偏壓，也可使得半導(dǎo)體表面層離開平帶狀態(tài)。（1）假設(shè)在SiO2中距離金屬/SiO2的界面x處有一層正電荷金屬SiO2半導(dǎo)體do討論：假定半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)相同，即Wm=Ws金屬半導(dǎo)體Ec半導(dǎo)體表面能帶下彎恢復(fù)平帶的方法：半導(dǎo)體絕緣層金屬do在金屬一邊加上負(fù)電壓，并且逐漸增大，使得半導(dǎo)體表面層的負(fù)電荷隨之減小，直至完全消失。這時(shí)在半導(dǎo)體表面層內(nèi)，在氧化物中存在的薄的正電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)完全被金屬表面增加的負(fù)電荷的電場(chǎng)屏蔽了，半導(dǎo)體表面的能帶又平了，即恢復(fù)到平帶狀態(tài)。加偏壓VG<0使能帶恢復(fù)平直的柵電壓

平帶電壓VFB2E為金屬與薄層電荷之間的電場(chǎng)由高斯定律可知，金屬與薄層電荷間的電位移電荷密度等于顯然，當(dāng)薄層電荷貼近半導(dǎo)體時(shí)平帶電壓最大。而位于金屬和絕緣體界面處對(duì)C-V特征沒有影響。（2）一般情況：正電荷在SiO2中有一定的體分布ρ(x)在x與(x+dx)間的薄層內(nèi)，單位面積上的電荷為ρ(x)dx

對(duì)平帶電壓的影響為：注：如果存在可移動(dòng)的離子，使得電荷分布發(fā)生變化，VFB

跟著變化，導(dǎo)致C-V曲線的平移。（3）C～V曲線為：Note:實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的開啟電壓要加上平帶電壓的影響：必須考慮三.

Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)硅和二氧化硅系統(tǒng)中，存在多種形式的電荷或能量狀態(tài)，一般歸納為四種基本類型：平面工藝制造的硅器件表面有一層二氧化硅薄膜，保護(hù)硅表面，提高穩(wěn)定性，兼當(dāng)柵介質(zhì)等絕緣體半導(dǎo)體金屬界面態(tài)固定表面電荷可動(dòng)離子電離陷阱硅–二氧化硅系統(tǒng)中的電荷狀態(tài)1、可動(dòng)離子（主要是Na離子）有鈉、鉀和氫等，其中最主要而對(duì)器件穩(wěn)定性影響最大的是鈉離子。來源于化學(xué)試劑、玻璃儀器等，易于在SiO2中移動(dòng)。來源：特點(diǎn)：半徑較小，帶正電，具有熱激活的特點(diǎn)。SiO2是近程有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基本單元是硅氧四面體，Si在中心，而O在四個(gè)角頂。Na離子可存在于四面體之間，使得網(wǎng)絡(luò)變型。并且易和氧結(jié)合，形成金屬氧化物鍵，使得SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致雜質(zhì)原子的擴(kuò)散和遷移變得容易。Na的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于硼和磷，遷移率也很大。D:5.0cm2/s。所以，在一定的溫度和偏壓下，對(duì)器件的影響最大!100℃以上，在電場(chǎng)下可以以較大的遷移率發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)。溫度－偏壓（B-T)實(shí)驗(yàn):通過B-T實(shí)驗(yàn)可以可移動(dòng)電荷的密度。開始時(shí)，鈉離子聚積在鋁和二氧化硅間，對(duì)C-V沒有影響，曲線靠近縱坐標(biāo)；把樣品加正向的10V的偏壓并且在127℃

退火，使得鈉離子移動(dòng)到半導(dǎo)體表面處，對(duì)C-V特性影響最大，產(chǎn)生平移，測(cè)定平帶電壓之差△VFB

。如再加負(fù)的偏壓時(shí)，曲線又向正方向移動(dòng)但不能回到原來的位置，這是由于再SiO2中保留了殘余的納離子。∴

C0

為氧化層的電容，所以單位面積的鈉離子數(shù)是：2、固定電荷（1）這種電荷的面密度是固定的,不能充放電。（2）它位于硅–

二氧化硅界面的20nm范圍以內(nèi)。（3）電荷值不明顯地受氧化層厚度或硅中雜質(zhì)類型

及濃度的影響。（4）電荷與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系。在Si-SiO2系統(tǒng)中，除了移動(dòng)電荷外，還發(fā)現(xiàn)大量的正電荷。并且具有一些特征：一般認(rèn)為，是硅和二氧化硅界面附近存在過剩的硅離子是固定表面正電荷產(chǎn)生的原因。帶正電的固定表面電荷，使得MOS的C-V曲線發(fā)生變化，引起半導(dǎo)體表面層中的能帶向下彎曲。所以，要恢復(fù)平帶狀態(tài)，必須在金屬和半導(dǎo)體之間加上一個(gè)負(fù)向電壓，即平帶電壓沿電壓軸向負(fù)方向移動(dòng)一個(gè)距離。平帶電壓為：考慮金半之間功函數(shù)的差別：d0＞20nm(fixedcharge)把代入上式可得：從理想C-V曲線中得到CFB/C0，在從實(shí)驗(yàn)測(cè)得的MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線上找到VFB，利用上式可求出固定表面電荷密度。在實(shí)驗(yàn)中必須先經(jīng)過B-T實(shí)驗(yàn)去除移動(dòng)電荷的影響3、界面態(tài)Dit存在于Si-SiO2界面離Si表面3-5埃的厚度內(nèi)。分為施主界面態(tài)和受主界面態(tài)。一般指的是Si-SiO2界面處而能值位于硅禁帶中的一些分立的或連續(xù)的電子能態(tài)（能級(jí)）－快界面態(tài)（有別于外表面態(tài)－穿過介質(zhì)層的慢態(tài),外表面態(tài)位于金屬和SiO2之間，和半導(dǎo)體交換電荷時(shí)，必須穿過氧化層。）被電子占據(jù)為電中型，發(fā)出電子為正電性－施主能級(jí)空著為電中性，接受電子后是負(fù)電－受主起源：理想表面態(tài)密度為1015cm-2

，但因?yàn)楣璞砻娓街搜趸锉∧ず?，硅表面大部分的懸掛鍵被氧所飽和，故硅－二氧化硅的界面態(tài)密度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)；其次，硅的（111）晶面比（110）和（100）面大，故做MOS結(jié)構(gòu)時(shí)一般選【100】晶向硅單晶。此外，硅表面的晶格缺陷和損傷以及界面處的雜質(zhì)也可引入界面態(tài)。一般可通過后退火處理，能有效地減小界面態(tài)密度。如含H氣氛中退火（400～500℃），使得界面形成H-Si鍵，減小態(tài)密度。4、陷阱電荷在Si-SiO2界面處附近，會(huì)有一些載流子的陷阱，由于輻照的原因，使得在SiO2中產(chǎn)生一些電子空穴對(duì)，電子在外加電場(chǎng)作用下，被掃向柵結(jié)，而空穴難以移動(dòng)會(huì)被陷阱俘獲，形成正的空間電荷。但輻照感應(yīng)產(chǎn)生的空間電荷可以通過300℃

以上退火消除。所以，后處理對(duì)MOSFET的性能的穩(wěn)定是非常重要的?！?.4

半導(dǎo)體的PN結(jié)一.P-N結(jié)的形成在一塊n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為ｐ型半導(dǎo)體。

P-N結(jié)n型p型由于N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，在ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng),稱為內(nèi)建場(chǎng)。P-N結(jié)的主要制備方法：1．合金法2．?dāng)U散法用合金法制備的p-n結(jié)一般為突變結(jié)；xNNAND用擴(kuò)散法制備的p-n結(jié)一般為緩變結(jié)，雜質(zhì)濃度逐漸變化。二、平衡p-n結(jié)的特點(diǎn)1．平衡p-n結(jié)的形成

P型材料的多子用ppo表示，少子為npo，N型材料的多子用nno表示，少子用pno表示。PN°?_____+++++εJ擴(kuò)J漂平衡后：J擴(kuò)=J漂

形成恒定的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建場(chǎng)，它存在于結(jié)區(qū)。處于熱平衡狀態(tài)的結(jié)稱為平衡結(jié)。

2．平衡p-n結(jié)的能帶及勢(shì)壘當(dāng)二者接觸后，電子由NP，空穴由PN,(EF)n，(EF)p

(EF)n=(EF)p=EFJ擴(kuò)=J漂有一恒定的電場(chǎng)，方向由NP

PNEFqVDE假設(shè)：P區(qū)：Ec=EcpEv