第八章半导体表面与MIS结构

第八章半导体表面与MIS结构主要内容§8.1表面态与表面电场效应§8.2MIS结构的C-V特性§8.3Si-SiO2系统的性质§8.4表面电导及迁移率重点掌握1）表面电场效应2）理想与非理想MIS结构的C-V特性§8.1表面态与表面电场效应一.表面态：晶体表面出现的局域态。1.产生原因：半导体表面未饱和的键——悬挂键；体缺陷或吸附外来原子。2.作用：表面态改变了晶体的周期性势场。1）可以制成各种MOS，CCD等器件。2）严重影响器件的稳定性。二.表面电场效应1.表面电场产生的原因1）功函数不同的金属和半导体接触；2）半导体具有表面态；3）MIS结构的金属和半导体功函数不同；4）外加电压。2.理想的MIS结构1）Wm=Ws2）绝缘层中无电荷且完全不导电3）绝缘层/半导体接触界面间无界面态理想MIS（P型）结构能带图3.空间电荷区与表面势1）MIS结构与等效电路在半导体中，电荷分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层称为空间电荷区。2）表面势：空间电荷区两端的电势差Vs常以体内中性区电势作为零点(以p型半导体为例）VG0，表面能带向上弯曲，表面积累VS0（1）多数载流子堆积状态表面多子浓度大于体内，表面多子积累；表面势为负。（2）多数载流子耗尽状态VG0，能带向下弯曲,表面耗尽VS0表面空穴浓度小于体内，表面多子耗尽；表面势为正（3）少数载流子的反型状态VG0，表面处Ei低于EF，表面反型nsps,形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层，叫反型层。四.表面空间电荷层的电场、电势和电容•在空间电荷区，一维泊松方程为：电荷密度为：电子和空穴的浓度：平衡时，在体内，满足电中性条件：在空间电荷区以上各式代入泊松方程：上式两边乘dV并积分，可得：上式两边积分，由，得：令：则：V0能带向上弯曲，E取+，方向从体内指向表面V0能带向下弯曲，E取-，方向从表面指向体内根据高斯定律，表面面电荷密度Qs满足：电场变化引起电荷变化，其微分电容为：利用：得到：(1)p型多子积累当VG0，Vs0，V0时，又∵由得则随-Vs增大指数增加（2）平带状态（VG=0，Vs=0）利用∵Vs→0，npo/ppo→0化简∴（3）耗尽状态当VG﹥0，Vs﹥0，np0/pp0＜＜1,时，空穴耗尽。忽略F函数中np0/pp0，exp-qV（KT）项，由耗尽层尽似得：（4）反型状态•强反型条件由得由玻尔兹曼统计分布式中得强反型条件：ns≥pp0强反型的临界条件：∵∴强反型的条件：达到强反型时金属极板上所加的电压叫开启电压(阈值电压）——VT掺杂越高，Eg大，VT越大。临界强反型的电场，电势：Qs随线性变化其值为负强反型时，Vs2VB:强反型时，面电荷密度Qs随Vs按指数增大。出现强反型后，耗尽层宽度达到极大值室温下，NA×1015cm-3的p型Si,Qs与Vs的关系(5)深耗尽状态：当VG0，加高频或脉冲电压，表面深耗尽。高频电压，反型层来不及形成，电中性条件靠耗尽层厚度随电压的增加而展宽来实现。空间电荷层中只存在电离杂质所形成的空间电荷，“耗尽层近似”仍适用。深耗尽状态的应用：制备CCD等。上节重点复习以下以p型半导体理想MIS结构为例：（1）多子的积累VG0，表面能带向上弯曲，表面积累VS0（2）平带状态（VG=0，Vs=0）（3）多子耗尽状态VG0，能带向下弯曲,表面耗尽VS0（4）少子的反型状态，VG0强反型时条件：Vs2VB，能带向下弯曲剧烈•出现强反型后，耗尽层宽度达到极大值开启电压(阈值电压）——VT§8.2MIS结构的C-V特性一.理想MIS结构的电容－电压特性在金属上加电压VG，绝缘层上压降V0，半导体表面电势Vs，即：其中C0=εrε0/d0表示绝缘层单位面积电容，由绝缘层厚度决定。根据微分电容的定义得:令得表明MIS电容由CO和Cs串联而成常用归一化电容：1.当VG＜0时，p型半导体表面积累（图中AC)1）当负偏压较大时，Vs0,电荷积累在半导体表面，MIS结构电容相当于绝缘层平板电容(图中AB段）。2）当负偏压较小时，C随︱Vs︱减小而减小(图中BC段）。P型半导体MIS结构低频C-V曲线2.当VG=0，理想MIS结构Vs＝0，此电容叫平带电容CFB利用可得1）若d0一定，NA越大，表面空间电荷层变薄，CFB/C0增大；若NA一定，d0越大，C0愈小，CFB/C0增大；2）根据上式，利用C-V曲线可得到d0或NA（或ND)归一化平带电容与氧化层厚度的关系3.当VG﹥0时，p型半导体表面耗尽（图CD段）耗尽时正偏，耗尽时，空间电荷区厚度xd和表面势Vs均随VG增大而增加，xd大，Cs减小,C/C0减小。P型半导体MIS结构低频C-V曲线4.当VG﹥﹥0时，p型半导体表面强反型（图EF段）强反型时1）低频情况强反型时，反型层表面聚集大量电荷，MIS结构相当于绝缘层平板电容，C≈C0。P型半导体MIS结构低频C-V曲线2）高频情况反型层中电子数量跟不上频率的变化。总电容由耗尽层电荷随VG的变化决定。耗尽层宽度达最大值xdm，Cs，C均最小且不变。则有高频时，理想MIS结构归一化极小电容与氧化层厚度的关系频率对MIS(P型半导体)结构C-V特性的影响N型半导体构成MIS结构的C-V特性小结1.半导体材料和绝缘层材料一定，MIS结构C-V特性由半导体半导体掺杂浓度和绝缘层厚度决定。2.由C-V曲线可得到半导体掺杂浓度和绝缘层厚度。二.金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响如果WmWs,当VG=0时，表面能带向下弯曲。Vms＝(Ws-Wm)/q平带电压：为了恢复半导体表面平带状态，需外加一电压，这个电压叫平带电压——VFB。此处VFB为负。因而，理想MIS结构的平带点由VG=0移到VG=VFB即：C-V特性曲线向负栅压方向平移。功函数差对MIS结构C-V特性的影响WmWs三.绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响如绝缘层有电荷，在金属表面和半导体表面附近感应出符号相反的电荷，空间电荷区产生电场，能带发生弯曲。需外加电压使能带达到平带，这个电压叫平带电压。绝缘层中薄层电荷的影响为抵消绝缘层中薄层电荷的影响所需加的平带电压金属与薄层间电场由高斯定理得到绝缘层中电荷越接近半导体表面，对C-V特性影响越大；在金属/绝缘层界面，对C-V特性无影响。绝缘层中正电荷对C-V曲线的影响如电荷在绝缘层中具有某种分布，则由积分求平带电压可见，VFB随绝缘层中电荷分布而变化。如果绝缘层中存在可动电荷，则其移动使VFB改变，引起C-V曲线沿电压轴平移。当功函数差和绝缘层电荷同时存在时，§8.3Si-SiO2系统的性质一.Si-SiO2系统存在以下四种基本类型电荷：1.SiO2层中可动离子，在一定温度和偏压下可在SiO2中移动；Na+、K+等。2.SiO2层中的固定电荷，在Si-SiO2界面约20nm内；3.界面态Si-SiO2界面处禁带中的能级或能带；Si-SiO2界面处——快界面态；快界面态可迅速地和半导体交换电荷。空气/SiO2界面处——慢态。4.SiO2层中的电离陷阱电荷，由各种辐射引起。Si-SiO2系统中的电荷状态二.Si-SiO2系统中的电荷的作用：引起MOS结构C-V特性变化，影响器件性能。三.减少Si-SiO2系统中的电荷的主要措施：1.防止沾污——减少Na+等可动离子。2.退火，热处理——减少固定电荷和陷阱电荷。3.选[100]晶向的单晶硅——减少界面态。§8.4表面电导及迁移率1.表面电导表面电导取决于表面层载流子浓度及迁移率。垂直于表面的电场产生表面势，改变载流子浓度，影响表面电导。以p型MIS结构为例：1）表面势为负,多子积累，表面电导增加；2）表面势为正,多子耗尽，表面电导减小；3）表面势为正且很大，表面反型，反型层中电子浓度高，表面电导很大；2.表面载流子的有效迁移率1）由于表面散射以及热氧化时杂质再分布的影响，使得表面迁移率仅约体内一半。2）有效迁移率还与温度有关。2/3Ts本章小结1.在电场或其他物理效应作用下，半导体表面层载流子分布发生变化，产生表面势及电场，导致表面能带弯曲。半导体表面电场不同，导致表面出现多子的积累、平带、耗尽、反型或强反型。以下以p型半导体为例：（1）多子的积累VG0，表面能带向上弯曲，表面积累VS0（2）平带状态（VG=0，Vs=0）（3）多子耗尽状态VG0，能带向下弯曲,表面耗尽VS0（4）少子的反型状态，强反型时条件：Vs2VB，能带向下弯曲剧烈•出现强反型后，耗尽层宽度达到极大值2.理想MIS结构的电容－电压特性表明MIS电容由CO和Cs串联而成常用归一化电容：（1）当VG=0，理想MIS结构Vs＝0，此电容叫平带电容CFB（2）当VG﹥0时，p型半导体表面耗尽（3）当VG﹥﹥0时，p型半导体表面强反型低频时：高频时，反型层中电子数量跟不上变化。总电容由耗尽层电荷随VG的变化决定。耗尽层宽度达最大值xdm，Cs，C均最小且不变。P型半导体MIS结构C-V曲线3.金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响如果WmWs,当VG=0时，表面能带向下弯曲。为了恢复半导体表面平带状态，需外加一电压，这个电压叫平带电压——VFB。当功函数差和绝缘层电荷同时存在时，5.表面载流子的有效迁移率1）由于表面散射以及热氧化时杂质再分布的影响，使得表面迁移率仅约体内一半。2）表面有效迁移率还与温度有关。2/3Ts4.减少Si-SiO2系统中的电荷的主要措施：1.防止沾污——减少Na+等可动离子。2.退火，热处理——减少固定电荷和陷阱电荷。3.选[100]晶向的单晶硅——减少界面态。课堂思考题•什么是空间电荷区？如何才能在半导体表面形成正的和负的空间电荷区？•说明表面势Vs的物理意义，如何才能保证表面势大于或者小于零？•为什么半导体表面能带会发生弯曲？说明能带向上弯和向下弯的条件？•半导体表面积累、耗尽、本证和反型的物理意义是什么？分析n型和p型半导体形成上述几种状态的条件，以图示意之。•分别对p型和n型半导体MIS结构，画出在外加偏压下，MIS结构对应于载流子在积累、耗尽和强反型是的能带和电荷分布图。•分别画出理想MIS结构（n型和p型）的高频，低频C-V特性曲线，并逐段解释C随V变化的物理原因。本章作业•P2262，10