半导体表面与MIS结构

半导体物理SemiconductorPhysics李德昌西安电子科技大学理学院理想MIS结构：（1）Wm=Ws；（2）绝缘层内无电荷,且绝缘层不导电；（3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态。§7.1表面电场效应第八篇半导体表面与MIS结构Semiconductorsurfaceandmatal-insulator-semiconductorstructureCoCsMIS结构等效电路VG=0时,理想MIS结构的能带图Ev1Ec1EiEvEcEFsEFm如果VG0:dx0+VGp型半导体表面感生一个荷负电的空间电荷层空间电荷层内的能带发生弯曲qVsEcEvEF表面电势（1）多子积累特征：1）能带向上弯曲并接近EF；EFmEFsEcEvEiQsQmxVG02）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。1、空间电荷层及表面势(2)平带特征：半导体表面能带平直。VG=0EFmEFsEcEvEi（3）耗尽特征：1）表面能带向下弯曲；mQEFmEFsEcEvEiVG≥0QmQsx2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。（4）反型特征：1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；FsEmFEiEcEvExsQmQ0VG2）表面区的少子数多子数——表面反型；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。2、理想MIS结构的电容效应VG=Vs+Vo(2)3C00oomrVQd而4smsdVdQC1GmdVdQC因为GmdVdQC故osmdVdVdQmomsdQdVdQdV1soC1C114C1C11soC所以（1a）表面电场分布Es1022rsxdxVdxV满足的电势半导体的空间电荷层中0V半导体体内3、表面空间电荷层的电场、电势和电容2ppADnppnqx而4000000TkxqVppTkxqVpTkExqVEcpepxpeneNxnFc在空间电荷层中5110000TkxqVpTkxqVpenepqx则300ppnnAD假设611150000022TkxqVpTkxqVprsenepqdxVd代入到方程711220000000220200TkxqVepnTkxqVeTkpqqTkETkxqVppTkxqVrsp并积分式两边同乘以在dV6820000ppDpnTkxqVFqLTkE则函数德拜长度令FTkxqVepnTkxqVepnTkxqVFpqTkLTkxqVppTkxqVppprsD1120000000020000号时取当号时取当00VV（1c）表面电容Cs1011200000000mFpnTkqVFepneLppsTkqVppTkqVDrsss的变化跟得上假定ssVQsssVQC在低频情况的微分电容（1b）表面电荷分布QsEQsrs0根据高斯定律9200000ppDrspnTkxqVFqLTkTkqVDrssTkqVDrssTkqVDsssseLCeqLTkQeqLTkE0002020020221098三式将之分别代入TkqVppsepnTkxqVF0000这时（1）多子积累时：Vs0,Qs0讨论：/Qs/Vs21110000000ppTkqVppTkqVDrsspnepneLCss时在0sVTkqVeTkqV010中的代入sC10(2)平带：Vs=00000pppnTkxqVF这时00ssQE所以00012ppDrsFBspnLC平带电容（3）耗尽：Vs0000ppspnTkqVF这时TkqVs0210021002101222121TkqVLCVqTkLQVqTkLEsDrsssDrsssDs所以00ddxxxxddxdVVx处在耗尽层dAsdrssrsdAdsxqNQxCxxqNxxVV0022则xdqVsqqEEVFiB费米势qVBqVsBsVV表面反型时BsVV2表面强反型时(4)反型根据Boltzmann统计：TkqViTkqVipBsenenp0020ApNp0而iABnNqTkVln0所以开启电压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.iA0OsnNlnqTk2CQBosBiT2VCQV2VViAsiAsnNqTkVnNqTkVln2ln00表面强反型条件为表面反型条件为因此临界强反型时：TkqVs0BArsssDsVqNQTkqVqLTkE00042所以TkqVpnTkqVFspps0000强反型后：Vs》VB，且qVs》k0TTkqVppppsepnpnTkxqVF0200000iAA20rs0dmd0psD0rsss0rs0Tk2qV0p0pD0rs0s0rs0sTk2qV0p0pD0snNlnNqTk4xxpnLCnTk2epnqLTk2QTk2nepnqLTk2E0s0s所以（1）、多子积累时：（1）当/Vs/较大时，有CCo半导体从内部到表面可视为导通状态；TkqVorsDooseLCCC0211C/Co（2）当/Vs/较小时，有C/Co1。§7.2MIS结构的C-V特性(2)平带状态特征：归一化电容与衬底掺杂浓度NA和绝缘层厚度do有关。2o20ororsrooFBdNqTk11CCAFBCdo绝缘层厚度（3）耗尽状态qpVdCCpsrsorsroo00211GorooprsrooprssVqdpdqpV422122220000sDrsssossoGVqTkLQVCQVVV002利用半导体的相对介电常数绝缘层的相对介电常数rsroApNp0同时利用22211oArsGoroodqNVCC则（4）强反型后：A、低频时111000ssVTkqVpporoDrooepndLCC化复合跟得上小信号的变少子的产生oCC即B、高频时dmorsssxCCMISmin电容没有贡献反型层电荷对orsdmroodxCC11min所以iAAorsorsronNNTkdqln2110结论（1）半导体材料及绝缘层材料一定时，C-V特性将随do及NA而变化；（2）C-V特性与频率有关3、金属与半导体功函数差Wms对MIS结构C-V特性的影响例：当WmWs时，将导致C-V特性向负栅压方向移动。ＭＩＳ结构连通后且VG=0时：WmWsEcEvSiO2EFmEFsＭＩＳ结构还未连接时：接触电势差qVms：因功函数不同而产生的电势差。qVmsqViEFEiEcEvSiO2VG0Wm-Ws=q（Vms+Vi）≒qVms例：WmWs的情况。如何恢复平带状况？VG=-Vms加上负栅压使能带恢复平直的栅电压CFBVFB1平带电压VFB1qWWVVsmmsFB1氧化物陷阱电荷快界面态固定电荷可动电荷绝缘层电荷分类4、绝缘层电荷对MIS结构C-V特性的影响（1A）假设在SiO2中距离金属-SiO2界面x处有一层正电荷金属SiO2半导体do假定Wm=Ws讨论：恢复平带的方法：半导体绝缘层金属doVG0ooFB2CdxQ-V所以xE-VFB2EεεQoro因oroFB2εεxQ-V则ooroodεεC而使能带恢复平直的栅电压平带电压VFB2（2）一般情况：正电荷在SiO2中有一定的体分布od0ooFB2dxdxρxC1VxooFB2Cddxxρx-dV时与Q两个因素同时存在当VmsFB2VFB1VFBVFB2FB1FBVVV平带电压od0oosmdxdxρxC1qWW实际MIS结构的开启电压：FBBosTV2VCQVp型半导体FB2FB1FBVVV平带电压其中od0oosmdxdxρxC1qWW§7.3Si-SiO2系统的性质氧化物陷阱电荷快界面态固定电荷可动电荷绝缘层电荷分类1、可动离子特点：半径较小，带正电，具有热激活的特点。如：Na+、K+、H+2、固定电荷位于距Si-SiO2界面约30埃以内，主要是Si-SiO2界面附近的过剩Si+。3、界面态存在于Si-SiO2界面离Si表面3-5埃内。分为施主界面态和受主界面态。4、陷阱电荷特点：通常不带电。§7.4表面电导1、表面电导垂直于表面方向的电场表面电导npqVVnpsss00层表面电导半导体表面层中总的薄npqpnnps00附加电导在表面层内引起的薄层和半导体物理SemiconductorPhysics李德昌西安电子科技大学理学院