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第八章半导体表面和MIS结构主讲：施建章E-Mail:jzhshi@mail.xidian.edu.cn西安电子科技大学技术物理学院二零零七年九月主要内容表面态概念表面电场效应硅-二氧化硅系统性质MIS结构电容-电压特性表面电场对pn结特性的影响几个基本概念9表面：固体与真空之间的分界面，不具有体内三维周期性的原子层。9界面：不同物质之间或不同相之间的分界面。9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。——理想晶体中假想的分界面！9实际表面：¾清洁表面：没有杂质吸附和氧化层的实际表面。¾真实表面：含有氧化物或其它杂质、化合物以及物理吸附的实际表面。定义：由于晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，从而在禁带中引入附加能级。这些附加能级上的电子将定域在表面层中，并沿与表面相垂直的方向向体内指数衰减。这些附加的电子能态就是表面态。分类：本征表面态：清洁表面的电子状态；外诱表面态：存在杂质、吸附原子和其它不完整性时的表面电子状态。表面态晶界的表面态密度是很高的。如果忽略自旋影响，则表面态的数目就等于表面原子的数目。晶界的表面态密度是不稳定的，随表面处的缺陷和吸附状态而改变。这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低。9对于Si：清洁表面为1015/cm2；真实表面为1011~1012/cm2。表面态测量表明硅的表面能级有两种，一是施主能级，靠近带；另一为受主能级，靠近导带。***与一般情况向反！！根据表面态与体内交换电子的速率不同，表面态可分两种：9快态：毫秒级或更短；9慢态：毫秒级以上至几小时。表面态表面电场的产生①表面态和体内电子态之间交换电子可以产生垂直于表面的电场；②当金属和半导体接触时，因功函数的不同，会形成接触电势差，从而产生一个垂直于表面的电场；③半导体表面的氧化层或其它的绝缘层中存在的各种电荷，以及吸附的各种离子等，也会产生垂直于表面的电场；④在MOS或MIS的金属栅极和半导体间施加电压时，也会产生垂直于表面的电场；⑤离子晶体的表面或界面处存在过剩电荷时，会产生垂直于表面的电场。空间电荷层与表面势①空间电荷层为了屏蔽表面电场的作用，在半导体表面会形成有一定宽度的空间电荷层，其宽度通常在零点几到几个微米之间。②表面电势Vs为了描述能带弯曲的方向和程度所引入的一个参量。常取半导体内的电势为0，则表面处的电势Vs称为~。③表面层载流子浓度④说明我们把表面电势Vs≠0，因而电荷分布不同于体内的表面区域叫“表面空间电荷层”。表面电场的作用可以改变半导体的表面电导；表面空间电荷层的电荷与V(x)有关，故会表现出电容效应。))(()(TkxqVexpnxn00s=))(()(TkxqVexppxp00s−=表面空间电荷层的六种基本状态以p型半导体为例!（a）平坦能带状态表面电场为E=0，表面电势也为零；ns=np0，ps=pp0，表面电荷为零；但表面电容不为零，而有一确定值。表面空间电荷层的六种基本状态以p型半导体为例!（b）多数载流子的堆积状态表面电场E由体内指向体表，表面电势Vs为负，能带上弯；nsnp0，pspp0，表面电荷不为零；表面空间电荷层的六种基本状态以p型半导体为例!（c）耗尽状态表面电场E由体表指向体内且不是很大，EiEF；表面电势Vs为正，能带由体内向体表下弯，VBVs0；nsnp0，但小于过剩电离受主；pspp0，表面空间电荷层的空穴浓度减少，使得电离受主过剩，称为空穴耗尽状态。表面空间电荷层的六种基本状态以p型半导体为例!（d）表面本征状态表面电场E由体表指向体内且逐渐增大，Ei=EF；表面电势Vs为正，能带由体内向体表下弯，VB=Vs0；ns=ps=ni；表面本征状态是从耗尽转为弱反型的临界点。（e）反型状态表面电场E由体表指向体内且逐渐增大，Ei与EF相交；表面处电势Vs为正，能带由体内向体表下弯，VsVB0；nsps，成n型电导；交点后仍是空穴耗尽层。弱反型状态：pp0nsps；强反型状态：nspp0ps；强反型出现的条件：Vs≥2VB。表面空间电荷层的六种基本状态以p型半导体为例!（f）深耗尽状态表面电场E由体表指向体内，幅值大，且变化快；则在刚开始时，少子来不及产生，故没有反型层。为了屏蔽外场，只有将更多的多子进一步推向体内，由更宽的耗尽层中的电离受主来承担。这种非平衡状态就叫深耗尽层。表面电场效应理想MIS结构（1）金属与半导体间的功函数差为零；（2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；（3）绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。空间电荷层及表面势空间电荷层成因：参见前面。表面电势：空间电荷层两端的电势差为表面势，以Vs表示之，规定表面电势比内部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。三种典型情况：多子堆积、多子耗尽和少子反型。以p型半导体为例：1.多数载流子堆积状态金属与半导体表面加负压，表面势为负，表面处能带向上弯曲。MIS的空间电荷分布以p型半导体为例：2.多数载流子耗尽状态金属与半导体表面加正压，表面势为正，表面处能带向下弯曲，表面处空穴远低于体内空穴浓度。MIS的空间电荷分布以p型半导体为例：3.少数载流子反型状态当金属与半导体表面间正压进一步增大，表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量，形成反型层。半导体空间电荷层的负电荷由两部分组成：耗尽层中已经电离的受主负电荷和反型层中的电子。MIS的空间电荷分布对于n型半导体，其分析过程相似：金属与半导体间加正压，多子堆积；金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽；金属与半导体间加高负压，少子反型。MIS的空间电荷分布MIS的空间电荷分布表面空间电荷层的电场9规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表面处为x轴原点。9采用一维近似处理方法。空间电荷层中电势满足泊松方程9其中022)(εερrsxdxVd−=)()(ppADnppnqx−+−=−+ρ9设半导体表面层仍可以使用经典分布，则在电势为V的x点（半导体内部电势为0），电子和空穴的浓度分别为9在半导体内部，电中性条件成立，故9即9代入泊松方程可得)exp(00TkqVnnpp=)exp(00TkqVpppp−=0)(表面空间电荷层的电场=xρ00ppADpnpn−=−−+上式两边乘以dV并积分，得到将上式两边积分，并且电场强度，可得dVTkqVnTkqVpqdxdVddxdVVpprsdxdV∫∫−−−−−=0000000]}1)[exp(]1)[exp({)(εεdxdVE−=||表面空间电荷层的电场]}1)[exp(]1)[exp({0000022−−−−−=TkqVnTkqVpqdxVdpprsεε]}1)[exp(]1)]{[exp(2[)2(0000000002202−−+−+−=TkqVTkqVpnTkqVTkqVTkpqqTkEpprspεε令分别称为德拜长度，F函数。则电场强度为式中当V大于0时，取“+”号；小于0时，取“-”号。),(20000ppDpnTkqVFqLTkE±=表面空间电荷层的电场210002)2(TkpqL1rspDεε=21000000000]}1)[exp(]1){[exp(),(−−+−+−=TkqVTkqVpnTkqVTkqVpnTkqVFpppp在表面处V=Vs，故半导体表面处的电场强度为根据高斯定理，表面电荷面密度Qs与表面处的电场强度有如下关系代入可得当金属电极为正，即Vs0，Qs用负号；反之Qs用正号。),(20000ppsDspnTkqVFqLTkE±=，srssEQ0εε−=表面空间电荷层的电荷),(200000ppsDrsspnTkqVFqLTkQεεm=在单位表面积的表面层中空穴的改变量为因为考虑到x=0，V=Vs和x=∞，V=0，则得∫∫∞∞−−=−=Δ00000]1)[exp()(dxTkqVpdxpppppp||EdVdx−=表面空间电荷层的电荷∫−−=Δ0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpp同理可得由微分电容的定义可得（单位F/m2）∫−=Δ0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpn表面空间电荷层的电容),(]}1)[exp(]1)exp({[00000000ppsppsDrsssspnTkqVFTkqVpnTkqVLVQC−++−−=∂∂=εε