第八章MIS结构.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第八章 半导体的表面、界面及接触现象,半导体表面,半,半接触,金,半接触,8.1,半导体的表面,一、理想表面和实际表面,理想表面：,表面对半导体各种物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。,指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。,真实表面,：,表面吸附杂质,或,表面原子生成氧化物或其它化合物,清洁表面,：在表面没有吸附杂质，也,没有被氧化的实际表面。,实际表面,又分为：,二、表面态,达姆表面能级,:,晶体自由表面的存在使其周期场在表面处,发生中断,在禁带中引起的附加能级,.,求解薛定谔方程,在,x=0,处，出现新的本征值,附加的电子能态,表面态,硅表面悬挂键,由于悬挂键的存在，表面,可与体内交换电子和空穴。,例如,:,对硅,(111),面，在超高真空下,可观察到,(7*7),结构，即表面上形成以,(7*7),个硅原子为单元的二维平移,对称性结构。,理想表面实际上不存在,共价半导体的表面再构现象,:,近表面几个原子厚度的表面层中,离子,实所受的势场作用不同于晶体内部,使得晶,体的三维平移对称性在表面层中受到破坏,表面上形成新的原子排列结构,这种排列具,有沿表面的二维平移对称性,.,清洁表面的电子态，称为,本征,(,达姆,),表面态,。,真实表面由于吸附原子或其它不完整性，产生表面电子态，称为,外诱表面态,。,外诱表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关,;,达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值。,表面态分为,施主型表面态,和,受主型表面态,。,施主型表面态,:,不论能级在禁带中的位置如何,能级被电子,占据时呈电中性,施放电子后带正电,.,这样的,表面态叫,受主型表面态,:,不论能级在禁带中的位置如何,能级空着时呈,电中性,接受电子后带负电,这样的表面态叫,8.2,半导体的表面电场,一、形成表面电场的因素,1,表面态的影响,由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了,垂直于表面的电场,。,(E,F,),s,表面费米能级,(E,F,),s,E,F,如果,(E,F,),s,E,F,Ec,Ev,E,F,(E,F,),s,+,E,2,功函数的差异,金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。,金属功函数的定义,上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。,E,F,E,0,真空中静止电子的能量,Eo,Ec,Ev,(E,F,),s,Ws,W,m,金(M),半(S),W,S,W,M,，,即(E,F,),S,(E,F,),M,+,E,形成由金,半的电场,。,(E,F,),m,金属半导体接触,如果,W,S,(E,F,),M,半导体中的电子向金属流动，形成由半,金的电场,3,氧化层中的杂质离子,S,+,+,+,I,M,E,例如,:,Si-SiO,2,系统中,SiO,2,层中有过剩,硅离子,4,外加偏压,二、表面电场效应,1,空间电荷区和表面势,讨论在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。,d,金属,绝缘体,半导体,欧姆接触,MIS,结构,理想的,MIS,结构,:,金属与半导体间功函数差为零,绝缘层中无电荷且绝缘层完全不导电,绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态,MIS,结构是一电容,在金属与半导体间加电压后,金属和半导体,相对的两个面上被充电,符号相反,金属中,电荷分布在一个原子层范围内,;,半导体中,电荷分布在一定厚度的表面层内,-,空间电荷区,+,+,+,+,+,M,I,S,V,G,空间电荷区,表面与体内的电势差为,表面势,，用,V,S,表示。,规定：,表面电势比内部高时，,V,S,0,，,反之，表面电势比内部低时，,V,S,0,；,外加反向偏压时，,V,G,0,，,电场由体内指向表面，,V,S,0,，,V,S,0,时，取负号，空间电荷区的能带从体内到表面向下弯曲,V,G,0,，,V,S,0,，,能带向下弯,V(x)0,空穴的势垒,空间电荷区：,0,x,E,F,V(x)0,，,能带向上弯,V(x)0,电子的势垒,空间电荷区：,0,x,X=0 V(x)=V,s,表面上,3,P,型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,(1)V,G,0,，,金属接,+,，半导体接负,Ec,Ev,E,F,Ei,qVs,qV,B,V,B,是体内势：,多子耗尽,p,s,0,反型层,界面,Ec,Ei,E,F,Ev,qVs,x,qV,qV,B,Eg,半导体,绝缘体,表面空间电荷区内能带的弯曲,P,电子,称这个状态为,反型状态,电子,电离受主,空间电荷,反型少子堆积,弱反型：,p,s,n,s,(,p,o,),p,特征：,1,）,E,i,与,E,F,在表面处相交（此处为本征型）；,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。,表面反型条件,出现强反型的临界条件，,n,s,=(,p,o,),p,强反型出现,V,G,0 V,S,0,V,G,0,多子堆积,平带,多子耗尽,反型少子堆积,V,G,变化,V,S,变化,能带弯曲,电荷分布变化,4,N,型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,1),V,G,0,V,S,0,能带下弯，,n,s,(,n,0,),n,多子的堆积,E,F,2)V,G,=0，V,S,=0,平带,3)V,G,0，V,S,0,能带上弯，,n,s,(,n,0,),n,为电子势垒,+,电离施主,4)V,G,0,+,空穴,表面处形成了,p,型材料，即,反型层,多子耗尽,E,F,E,i,弱反型：,n,s,p,s,(n,o,),n,E,F,8.3 MIS,结构的,C-V,特性,一、理想的,MIS,结构的,C-V,特性,1,总电容,C,V,G,=V,0,+V,S,在,MIS,结构上加电压,V,G,后，电压,V,G,的,一部分,Vo,降在绝缘层上，而另一部分降在半导体表面层中，形成表面势,Vs,，,即,因是,理想,MIS,结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电场是均匀的，以 表示其电场强度，显然,d,0,绝缘层厚度,由高斯定理,Q,M,金属表面的面电荷密度,0r,绝缘层的相对介电常数,Q,s,半导体表面的面电荷密度,C,o,绝缘层电容,MIS,结构电容,Cs,为半导体空间电荷区电容,MIS,结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联,MIS,结构的等效电路,称为,归一化电容,2,表面空间电荷区的电场和电容,表面空间电荷区的电场：,F,函数,空间电荷层中电势满足的泊松方程,r,s,半导体的相对介电,常数,(,x,),空间电荷密度,V0,取正,;V0,，,Q,S,为负号,金属为负时，,V,G,0,，,Q,S,为正号,空间电荷层单位面积上的电容,单位,F/m,2,以,p,型半导体为例,定量地分析各种表面层的状态,空间电荷层的电容,(1)V,G,0,，,金属接负，半导体接正,多数载流子堆积状态,随 而,0,C,C,0,(AB),随,|V,G,|,积累的空穴越来越少，,C,S,，,C/C,0,(BC),1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,A,B,C,D,E,F,C,0,C,FB,Cmin,C,min,Vmin,1,低频,C,0,2,高频,G,H,0,0,+V,MIS,结构的电容,-,电容曲线,C/C,0,又（,n,o,),p,0,，,金属接,+,，半导体接负,V,S,0,，,表面能带下弯，是空穴的势垒,空穴耗尽状态,电离饱和时,(,p,0,),p,=,N,A,V,G,C/C,0,(CD),假设空间电荷区的空穴都已全部耗尽，电荷全由已电离的受主杂质构成。半导体的掺杂是均匀的，则空间电荷区的电荷密度，,(x),=-,qN,A,设,x,d,为耗尽层的厚度,耗尽层近似,(4)V,G,0,反型状态,低频时,少子的产生与复合跟得上小信号的变化,V,S,，,少子积累越多，,n,s,，,C,s,，,C,0,/C,S,，,C/C,0,(DE),当,V,S,到使,C,0,/C,S,很小时，,C/C,0,的分母中的第二项又可以忽略。,C/C,0,1,。,(EF),高频时，反型层中的电子对电容没有贡献,空,间电荷区的电容由耗尽层的电荷变化决定,因强反型出现时耗尽层宽度达到最大值,x,dmax,不随,V,G,变化,耗尽层贡献的电容将达极小值并,保持不变,.,(GH),（,1,）半导体材料及绝缘层材料一定,时，,C-V,特性将随,d,o,及,N,A,而,变化；,（,2,）,C-V,特性与频率有关,N,型半导体组成的,MIS,结构具有相似的规律。,结 论,二、实际的,MIS,结构的,C-V,特性,1,金属和半导体功函数的影响,(,E,F,),M,(,E,F,),S,M,S,(,E,F,),M,(,E,F,),s,+,E,W,M,W,s,，,形成的,V,s,0,，,这时,C-V,曲线是向右发生了移动。,2,绝缘层中离子的影响,可动离子：,Na,+,，,K,+,或,H,+,固定离子：通常位于,SiSiO,2,界面附近的,200,范围内,+,+,+,+,M,I,S,-,-,-,-,-,-,E,外,C,V,曲线向左平移,能带下弯,3,表面态的影响,(1),受主表面态,在,N,型半导体中,Ec,Ev,E,F,+,E,V,S,0,，,能带上弯,-,电离受主,表面态,+,电离施主,空穴,使,N,型表面反型,接受电子,带负电,在,P,型表面,-,-,V,s,0,，,能带上弯,电离受主,表面态,多子空穴,受主表面态存在,P,型半导体表面后，使半导体表面积累更多空穴，成了强,p,型材料。,只要表面有受主态存在，都要形成由体内向外的电场，使,V,S,0,，,能带下弯，在表面形成了强,N,型。,正电荷：电离的施主表面态,负电荷：多子积累,E,P,型材料,V,s,0,，,能带下弯,正电荷：电离施主表面态,负电荷：,反型层中少子电子,耗尽层中电离的受主,表面出现了反型层,只要有施主表面态，总要形成指向内部的电场，在没加电场时，在表面就有电场,V,S,0,，,能带下弯，,C-V,特性左移,为使恢复平带状态，必须加一反向电压,.,Ec,Ev,E,F,+,E,第八章,一、表面态、表面电场及效应,P,型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,V,G,变化,V,S,变化,能带弯曲,电荷分布变化,V,G,0 V,S,0 V,G,0,多子堆积 平带 多子耗尽 反型少子堆积,N,型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,二、理想的,MIS,结构的,C-V,特性,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,A,B,C,D,E,F,C,0,C,FB,Cmin,Cmin,Vmin,1,低频,C,0,2,高频,G,H,0,0,+V,MIS,结构的电容,-,电压曲线,三、实际的,MIS,结构的,C-V,特性,1.,功函数差的影响,2.,表面态的影响,3.,绝缘层中离子的影响,