沈阳工业大学《半导体物理》教学PPT第八章

第八章半导体表面与MIS结构Semiconductorsurfaceandmetal-insulator-semiconductorstructure沈阳工业大学电子科学与技术系重点：表面态概念表面电场效应MIS结构电容-电压特性硅-二氧化硅系统性质金属栅电极绝缘层VGVGC0Cs半导体MIS结构等效电路MIS结构§8.1表面态理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。晶格周期性在表面处中断或其它因素而引起的局（定）域在表面附近的电子态。理想表面上形成的表面态称为达姆表面态。表面态：与表面态相应的能级称为表面能级。分布在禁带内的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的分布。表面能级：§8.2表面电场效应EffectofSurfaceElectric•多子积累状态•耗尽状态•反型状态理想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；（4）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。金属栅电极绝缘层VGVGC0Cs半导体MIS结构等效电路EcEFEV金属半导体1、空间电荷层(表面电荷层)及表面势表面电荷层：MIS结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附近形成的电荷区称为表面电荷层。表面势(Vs)：半导体表面电荷层两端的电势差称为表面势。规定：表面电势比体内高时，Vs取正值；表面电势比体内低时，Vs取负值。ECEVEiEFsVG0QsQmP型半导体（1）多数载流子堆积状态（1）能带向上弯曲并接近EF；（2）多子在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。特征（2）多数载流子耗尽状态QsQm（1）表面能带向下弯曲；（2）表面上的多子浓度远少于体内，基本上耗尽，表面带负电。特征ECEVEiEFsVG0xP型半导体xd（3）少数载流子反型状态QnQm（1）表面能带向下弯曲；（2）表面上的多子浓度远少于体内，基本上耗尽，表面带负电。（1）Ei与EF在表面处相交；（2）表面区的少子数大于多子数——表面反型；（3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。特征ECEVEiEFsVG0xP型半导体xdmN型半导体2、表面空间电荷层的电场、电势及电容（1）表面电场分布空间电荷层中电势V(x)满足：rsxdxxVd022)()(000000)(exp)()(exp)()]()([)(ppADppADpnpnTkxqVpxpTkxqVnxnxnxppnqx]}1)[exp(]1)[exp({0000022TkqVnTkqVpqdxVdpprs由以上方程得到上式两边乘以dV并积分，得到将上式两边积分，并根据得dVTkqVnTkqVpqdxdVddxdVVpprsdxdV0000000]}1)[exp(]1)[exp({)(dxdVE||]}1)[exp(]1)]{[exp(2[)2(0000000002202TkqVTkqVpnTkqVTkqVTkpqqTkEpprsp2/102002/100000000021exp1exp,prsDppnppqTkLTkqVTkqVpnTkqVTkqVpnTkqVF令，则表面处，V=Vs，则半导体表面处的电场强度为：0000,2npsDspnTkqVFqLTkE),(20000ppDpnTkqVFqLTkE（2）表面电荷分布Qs根据高斯定理，表面的电荷面密度为：000000,2npsDrsssrsspnTkqVFqLTkQEQ（3）表面电容Cs00000000,1exp1expnpssppsDrssssspnTkqVFTkqVpnTkqVLCVQC•多数载流子堆积状态（Vs0，Qs0）（4）各种状态下的表面电场、电荷量、电容TkqVLCTkqVqLTkQTkqVqLTkETkqVpnTkqVFsDrsssDrsssDssnps000000000002exp2exp22exp22exp,•平带状态（Vs=0）DrsFBSppsppsDrssssnpsLCpnTkqVpnTkqVLCQEpnTkqVF02/1000000000021212121000,•耗尽状态（Vs0，Qs0）2/102/1002/12/1002/12/102/1000021)(2)(2,srsAssDrsssDrsssDssnpsVqNCTkqVLCVqTkLQVqTkLETkqVpnTkqVF•反型状态（强反型、弱反型）临界反型时，Vs=VB表面势＝费米势从耗尽到临界强反型状态，空间电荷区电场、电势和电容均可以通过耗尽层近似求得dddrAxxxExxxxqNxE0)(0)()(0ddddrAxxxVxxxxxxqNxV0)(0)2(2)(220•空间电荷区宽度AsrdqNVx02设半导体中性区电势为零•空间电荷区电容0rssdCx202AdsrsqNxV①临界强反型时，Vs=2VB2/102/10002/1002/10000)2(22,sArssDrsssDssnpsVqNTkqVqLTkQTkqVqLTkETkqVpnTkqVF开启电压：使半导体空间电荷层处于临界强反型时，在MIS结构上所加的栅压。②强反型时，Vs2VB2/1002/100002/10002/100002/10002/100002/100000exp)2(2exp222exp22exp,psDrssppDrsssrssppDrssrsssppDssppnpspnLTkqVpnLCnTkTkqVpnqLTkQTknTkqVpnqLTkETkqVpnpnTkqVF（5）关于空间电荷层的讨论强反型时空间电荷层达到最厚由8-43式得2102AsrsdqNVx当Vs=2VB时xd达到最大深耗尽现象反型层中的电子是通过热激发产生的，需要时间。若Vs突变、远大于2VB时，空间电荷只能由多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象强反型高频条件下，空间电荷层电容保持最小21200ln4iAArsdmnNNqTkxdmrsssxCC0min§8.3MIS结构的电容-电压特性C-VcharacteristicsofMISstructure沈阳工业大学电子科学与技术系（1）理想MIS结构的电容-电压特性金属栅电极绝缘层VGVGC0Cs半导体MIS结构等效电路sssrssGdVdQCdCCCCVVV000000111sCCCC0011归一化电容:•多数载流子堆积区（Vs0，Qs0）TkqVLCCCsrsD00002exp11•当|Vs|较大时，C/C0=1。此时从半导体内部到表面可视为导通的，电荷聚集在绝缘层两边。•当|VG|较小时，|Vs|也很小，此时C/C0值随|Vs|减小而下降。•平带状态（Vs=0，Qs0）202000011dNqTkCCArsrsrFB•耗尽状态（Vs0）2/100000211qpVdCCpsrsrsr•强反型后（Vs0）1exp11||2/1000000sVspprsDrTkqVpndLCCA.低频时•少子的产生-复合跟得上小信号的变化。•强反型后（Vs0）iAArsrsrrsdmrdmrsssnNNTkdqdxCCCCxCCln211110000000min00minB.高频时•反型层电荷对MIS电容没有贡献。讨论（1）用电荷面密度与Vs的定性关系解释C-V特性（2）C-V特性与频率有关，可利用高频特性判断半导体的导电类型（3）MIS结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，利用C-V特性测试d0及掺杂浓度（2）金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响例：当WmWs时（P型半导体）将导致C-V特性曲线向负栅压方向移动。qWWVVqWWVWWqVsmmsFBmsmsmsms平带电压：使零偏时产生的能带弯曲恢复到平带状态所需加的栅压称为~。（3）绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为()Qxx0FBrsOOXxQQxVCd当绝缘层中有分布电荷00)(CddxxxdVFB0000)(1dFBdxdxxCV§8.4硅-二氧化硅系统的性质CharacteristicsofSi-SiO2System1.二氧化硅中的可动离子2.二氧化硅中的固定表面电荷3.在硅–二氧化硅界面处的快界面态4.二氧化硅中的陷阱电荷（1）二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子有Na、K、H等，其中最常见的是Na离子，对器件稳定性影响最大。来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的四面体，呈无规则排列的多孔网络结构，从而导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。作偏压–温度（B-T）实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的Na离子电荷量：单位面积钠离子电荷数：NaoFBQCVNaNaQNq•降低碱金属离子影响的工艺方法：(a)磷稳定化(b)氯中性化二氧化硅层中固定电荷有如下特征电荷面密度是固定的，不随偏压而变化；这些电荷位于Si-SiO2界面200Å范围以内固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系（2）二氧化硅中的固定表面电荷一般认为固定正电荷的实质是过剩硅离子这些电荷出现在Si-SiO2界面200Å范围以内，这个区域是SiO2与硅结合的地方，极易出现SiO2层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子实验证明，若在硅晶体取向分别为[111]、[110]和[100]三个方向生长SiO2时，他们的硅–二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为3:2:1。将氧离子注入Si-SiO2系统界面处，在450度进行退火，发现固定表面电荷密度有所下降将MOS结构加负偏压进行B-T实验，当温度高到一定程度（如350度）时，固定的表面电荷密度有所增加。)()(00000000msFBrfcfcmsFBrfcfcmsFBfcFBVVqdqQNVVdQCQVVCQV固定电荷引起的电压漂移：功函数差与固定电荷引起的电压漂移：则单位面积的固定电荷数目为：（3）硅-二氧化硅界面处的快界面态快界面态与表面态类似，指未被饱和的悬挂键，位于硅-二氧化硅界面处，形成表面能级，可以快速与半导体的导带或价带交换电荷。之所以称为快界面态是为了与二氧化硅外表面未饱和键以及