半导体表面与MIS结构上.pptx

第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Semiconductor surface and metal-insulator-semiconductor structureSemiconductor surface and metal-insulator-semiconductor structure沈阳工业大学电子科学与技术系沈阳工业大学电子科学与技术系本章重点：本章重点：n n 表面态概念表面态概念n n 表面电场效应表面电场效应n n MIS MIS结构电容结构电容-电压特性电压特性n n 硅硅-二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质8.1 8.1 表面态表面态n n理理理理想想想想表表表表面面面面：表表表表面面面面层层层层中中中中原原原原子子子子排排排排列列列列有有有有序序序序、对对对对称称称称与与与与体体体体内内内内原原原原子子子子完完完完全全全全相相相相同同同同，且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。n n实实实实际际际际表表表表面面面面：往往往往往往往往存存存存在在在在氧氧氧氧化化化化膜膜膜膜或或或或附附附附着着着着其其其其他他他他分分分分子子子子或或或或原原原原子子子子，这这这这使使使使得得得得表面分析更加复杂难以弄清楚表面分析更加复杂难以弄清楚表面分析更加复杂难以弄清楚表面分析更加复杂难以弄清楚。n n表表表表面面面面态态态态：晶晶晶晶格格格格周周周周期期期期性性性性在在在在表表表表面面面面处处处处中中中中断断断断或或或或其其其其它它它它因因因因素素素素而而而而引引引引起起起起的的的的局局局局（定定定定）域域域域在在在在表表表表面面面面附附附附近近近近的的的的电电电电子子子子状状状状态态态态。理理理理想想想想表表表表面面面面上上上上形形形形成成成成的的的的表表表表面面面面态态态态称称称称为为为为达达达达姆姆姆姆表面态表面态表面态表面态。n n表面能级表面能级表面能级表面能级：与表面态相应的能级称为表面能级。：与表面态相应的能级称为表面能级。：与表面态相应的能级称为表面能级。：与表面态相应的能级称为表面能级。分布在禁带内分布在禁带内分布在禁带内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。的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的分布。的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的分布。的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的分布。n n对对对对于于于于理理理理想想想想表表表表面面面面的的的的问问问问题题题题求求求求解解解解，需需需需要要要要建建建建立立立立薛薛薛薛定定定定谔谔谔谔方方方方程程程程，利利利利用用用用具具具具体的边界条件对波函数加以求解。体的边界条件对波函数加以求解。体的边界条件对波函数加以求解。体的边界条件对波函数加以求解。n n对对对对于于于于硅硅硅硅表表表表面面面面态态态态：表表表表面面面面最最最最外外外外层层层层每每每每个个个个硅硅硅硅原原原原子子子子有有有有一一一一个个个个未未未未配配配配对对对对电电电电子子子子，有有有有一一一一个个个个未未未未饱饱饱饱和和和和键键键键，称称称称为为为为悬悬悬悬挂挂挂挂键键键键，由由由由于于于于每每每每平平平平方方方方厘厘厘厘米米米米表表表表面面面面有有有有10101515个个个个原原原原子子子子，相相相相应应应应悬悬悬悬挂挂挂挂键键键键亦亦亦亦有有有有10101515个个个个，这这这这与与与与实实实实验验验验测测测测量量量量值值值值在在在在量级上相符合。量级上相符合。量级上相符合。量级上相符合。n n对对对对于于于于表表表表面面面面能能能能级级级级，和和和和半半半半导导导导体体体体内内内内部部部部杂杂杂杂质质质质和和和和缺缺缺缺陷陷陷陷能能能能级级级级相相相相类类类类似似似似，也也也也分分分分为为为为施施施施主主主主类类类类型型型型和和和和受受受受主主主主类类类类型型型型，但但但但对对对对于于于于其其其其在在在在禁禁禁禁带带带带中中中中的的的的分分分分布布布布，目目目目前还没有得出一致结论。前还没有得出一致结论。前还没有得出一致结论。前还没有得出一致结论。半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后变成正电荷，半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后变成正电荷，半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后变成正电荷，半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态，表面带负电。表面带正电；若表面态为受主态，表面带负电。表面带正电；若表面态为受主态，表面带负电。表面带正电；若表面态为受主态，表面带负电。表面附近可动电荷会重新分布，形成表面附近可动电荷会重新分布，形成表面附近可动电荷会重新分布，形成表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区和和和和表面势表面势表面势表面势（VsVs），而使表面层中的能带发生变化。，而使表面层中的能带发生变化。，而使表面层中的能带发生变化。，而使表面层中的能带发生变化。8.2 8.2 表面电场效应表面电场效应Effect of Surface ElectricEffect of Surface Electric 多子积累状态多子积累状态多子积累状态多子积累状态 耗尽状态耗尽状态耗尽状态耗尽状态 反型状态反型状态反型状态反型状态理想理想理想理想MISMISMISMIS结构的四个要求：结构的四个要求：结构的四个要求：结构的四个要求：（1 1）金属和半导体不存在功函数差，即：金属和半导体不存在功函数差，即：金属和半导体不存在功函数差，即：金属和半导体不存在功函数差，即：WWmm=WWs s ；（2 2）绝缘层内无电荷：）绝缘层内无电荷：）绝缘层内无电荷：）绝缘层内无电荷：QQI I=0，且绝缘层不导电：，且绝缘层不导电：，且绝缘层不导电：，且绝缘层不导电：I IL L=0=0；（3 3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态）绝缘层与半导体界面处不存在界面态）绝缘层与半导体界面处不存在界面态）绝缘层与半导体界面处不存在界面态QQssss=0;=0;（4 4）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。金属栅电极金属栅电极金属栅电极金属栅电极 绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层V VG GV VG GC C0 0C Cs s 半导体半导体半导体半导体MISMIS结构结构结构结构 等效电路等效电路等效电路等效电路E Ec cE EF FE EV V 金属金属金属金属半导体半导体半导体半导体表面电荷层表面电荷层MISMIS结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附近形成的电荷区称为近形成的电荷区称为近形成的电荷区称为近形成的电荷区称为表面电荷层表面电荷层表面电荷层表面电荷层。表面势表面势(Vs)半导体表面电荷层两端的电势差称为半导体表面电荷层两端的电势差称为半导体表面电荷层两端的电势差称为半导体表面电荷层两端的电势差称为表面势表面势表面势表面势。规定规定规定规定：表面电势比体内高时，：表面电势比体内高时，：表面电势比体内高时，：表面电势比体内高时，V Vs s取正值；取正值；取正值；取正值；表面电势比体内低时，表面电势比体内低时，表面电势比体内低时，表面电势比体内低时，V Vs s取负值。取负值。取负值。取负值。1 1、理想理想MISMIS系统定性分析系统定性分析 （以（以P P类型为例）类型为例）-静电平衡、堆积、耗尽、反型静电平衡、堆积、耗尽、反型VBVB为费米电势，决定半导体的类型及程度对于理想MIS结构（1 1）静电平衡状态）静电平衡状态）静电平衡状态）静电平衡状态 V VGG=0=0ECEVEiEFsVG0 xP P型半导体型半导体型半导体型半导体xdqVG在表面处 低于半导体内部值因此，表面电子浓度EFm（4 4）少数载流子反型状态）少数载流子反型状态）少数载流子反型状态）少数载流子反型状态QnQm（1 1）表面能带向下弯曲；（）表面能带向下弯曲；（）表面能带向下弯曲；（）表面能带向下弯曲；（2 2）表面上的多子浓度远少）表面上的多子浓度远少）表面上的多子浓度远少）表面上的多子浓度远少于体内，基本上耗尽，表面带负电。于体内，基本上耗尽，表面带负电。于体内，基本上耗尽，表面带负电。于体内，基本上耗尽，表面带负电。（1 1）E Ei i与与与与E EF F在表面处相交；（在表面处相交；（在表面处相交；（在表面处相交；（2 2）表面区的少子数大于）表面区的少子数大于）表面区的少子数大于）表面区的少子数大于多子数多子数多子数多子数表面反型；（表面反型；（表面反型；（表面反型；（3 3）反型层和半导体内部之间）反型层和半导体内部之间）反型层和半导体内部之间）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。还夹着一层耗尽层。还夹着一层耗尽层。还夹着一层耗尽层。特征特征ECEVEiEFsVG0 xP P型半导体型半导体型半导体型半导体xdm此时，半导体空间电荷层处于临界强反型。此时，半导体空间电荷层处于临界强反型。此时，半导体空间电荷层处于临界强反型。此时，半导体空间电荷层处于临界强反型。在强反型条件下在强反型条件下金属与半导体间加负压，金属与半导体间加负压，多子堆积。多子堆积。金属与半导体间加不太高的正压，金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽。多子耗尽。金属与半导体间加高正压，金属与半导体间加高正压，少子反型。少子反型。（5 5）P P型半导体的堆积、耗尽、反型型半导体的堆积、耗尽、反型型半导体的堆积、耗尽、反型型半导体的堆积、耗尽、反型（6 6）n型半导体的堆积、耗尽、反型型半导体的堆积、耗尽、反型型半导体的堆积、耗尽、反型型半导体的堆积、耗尽、反型金属与半导体间加负压，金属与半导体间加负压，多子堆积。多子堆积。金属与半导体间加不太高的正压，金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽。多子耗尽。金属与半导体间加高正压，金属与半导体间加高正压，少子反型。少子反型。2 2、理想、理想MISMIS结构的定量分析结构的定量分析-表面空间电荷层的电场、电势及电容表面空间电荷层的电场、电势及电容表面空间电荷层的电场、电势及电容表面空间电荷层的电场、电势及电容（1 1）表面电场分布）表面电场分布）表面电场分布）表面电场分布空间电荷层中电势空间电荷层中电势空间电荷层中电势空间电荷层中电势V V(x x)满足：满足：满足：满足：关于表面处的电子浓度和空穴浓度由以上方程得到由以上方程得到由以上方程得到由以上方程得到n n上式两边乘以上式两边乘以上式两边乘以上式两边乘以dVdVdVdV并积分，得到并积分，得到并积分，得到并积分，得到n n将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据n n得得得得令，令，令，令，则则则则表面处，表面处，表面处，表面处，V V=V Vs s，则，则，则，则半导体表面处的电场强度半导体表面处的电场强度半导体表面处的电场强度半导体表面处的电场强度为：为：为：为：（2 2）表面电荷分布）表面电荷分布）表面电荷分布）表面电荷分布Q Qs s根据高斯定理，根据高斯定理，根据高斯定理，根据高斯定理，表面的电荷面密度表面的电荷面密度表面的电荷面密度表面的电荷面密度为：为：为：为：（3 3）表面电容）表面电容）表面电容）表面电容C Cs s 多数载流子堆积状态（多数载流子堆积状态（V Vs s 0 0 0）（4 4）各种状态下的表面电场、电荷量、电容）各种状态下的表面电场、电荷量、电容）各种状态下的表面电场、电荷量、电容）各种状态下的表面电场、电荷量、电容 （仍以（仍以（仍以（仍以p p型为例讨论）型为例讨论）型为例讨论）型为例讨论）平带状态（平带状态（V Vs s=0=0）平带电容平带电容 耗尽状态（耗尽状态（V Vs s 0 0，Q Qs s 0 2 2V VB B p p类型类型MISMIS结构总结：结构总结：VG 0 :VG 0 :多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态,s 0 ,s 0 能带上弯能带上弯 VG=0 :VG=0 :平带平带,s=0 ,s=0 能带不弯曲能带不弯曲0 VG VT :0 VG s 0 ,2F s 0 能带下弯能带下弯0 VG VT :0 VG VT :弱反型弱反型,F s 2F ,F s VT :VG VT :强反型强反型,s 2F ,s 2F 能带下弯能带下弯（5 5）关于空间电荷层的讨论）关于空间电荷层的讨论）关于空间电荷层的讨论）关于空间电荷层的讨论n n强反型时空间电荷层达到最厚强反型时空间电荷层达到最厚强反型时空间电荷层达到最厚强反型时空间电荷层达到最厚由由由由8-438-438-438-43式得式得式得式得n n当当当当V V V Vs s s s=2V=2V=2V=2VB B B B时时时时x x x xd d d d达到最大达到最大达到最大达到最大n n深耗尽现象深耗尽现象深耗尽现象深耗尽现象 反型层中的电子是通过热激发产生的，需要反型层中的电子是通过热激发产生的，需要反型层中的电子是通过热激发产生的，需要反型层中的电子是通过热激发产生的，需要时间。若时间。若时间。若时间。若V V V Vs s s s突变、远大于突变、远大于突变、远大于突变、远大于2V2V2V2VB B B B时，空间电荷只能由时，空间电荷只能由时，空间电荷只能由时，空间电荷只能由多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象n n高频深度耗尽条件下，高频深度耗尽条件下，高频深度耗尽条件下，高频深度耗尽条件下，空间电荷层电容保持最小空间电荷层电容保持最小空间电荷层电容保持最小空间电荷层电容保持最小8.3 MIS8.3 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性C-V characteristics of MIS structureC-V characteristics of MIS structure沈阳工业大学电子科学与技术系沈阳工业大学电子科学与技术系（1 1）理想）理想）理想）理想MISMIS结构的电容结构的电容结构的电容结构的电容-电压特性电压特性电压特性电压特性 金属栅电极金属栅电极金属栅电极金属栅电极 绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层V VG GV VG GC C0 0C Cs s 半导体半导体半导体半导体MISMIS结构结构结构结构 等效电路等效电路等效电路等效电路 归一化电容归一化电容归一化电容归一化电容:多数载流子堆积区（多数载流子堆积区（V Vs s 0 0 0）当当当当|V Vs s|较大时，较大时，较大时，较大时，C C/C C0 0=1=1。此时从半导体内部到表面可视为导。此时从半导体内部到表面可视为导。此时从半导体内部到表面可视为导。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。通的，电荷聚集在绝缘层两边。通的，电荷聚集在绝缘层两边。通的，电荷聚集在绝缘层两边。当当当当|V VG G|较小时，较小时，较小时，较小时，|V Vs s|也很小，此时也很小，此时也很小，此时也很小，此时C C/C C0 0值随值随值随值随|V Vs s|减小而下降。减小而下降。减小而下降。减小而下降。平带状态（平带状态（V Vs s=0=0，Q Qs s 0 0 0）强反型后（强反型后（V Vs s 0 0）A.A.A.A.低频时低频时低频时低频时 少子的产生少子的产生少子的产生少子的产生-复合跟得上小信号的变化。复合跟得上小信号的变化。复合跟得上小信号的变化。复合跟得上小信号的变化。强反型后（强反型后（V Vs s 0 0）B.B.B.B.高频时高频时高频时高频时 反型层电荷对反型层电荷对反型层电荷对反型层电荷对MISMIS电容没有贡献。电容没有贡献。电容没有贡献。电容没有贡献。MISMIS结构的电容结构的电容-电压曲线电压曲线思思 考考 题题 1.1.用用用用电荷面密度与电荷面密度与电荷面密度与电荷面密度与V V V Vs s s s的定性关系解释的定性关系解释的定性关系解释的定性关系解释C-VC-V特性特性特性特性 2.C-V 2.C-V特性与频率有关，可利用高频特性判断半特性与频率有关，可利用高频特性判断半特性与频率有关，可利用高频特性判断半特性与频率有关，可利用高频特性判断半导体的导电类型导体的导电类型导体的导电类型导体的导电类型 3.MIS 3.MIS结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，利用利用利用利用C-VC-V特性测试特性测试特性测试特性测试d d0 0及掺杂浓度及掺杂浓度及掺杂浓度及掺杂浓度（2 2）金属与半导体功函数差对）金属与半导体功函数差对）金属与半导体功函数差对）金属与半导体功函数差对MISMIS结构结构结构结构C-VC-V特性的影响特性的影响特性的影响特性的影响例：当例：当例：当例：当WWmm WWs s 时（时（时（时（P P型半导体）将导致型半导体）将导致型半导体）将导致型半导体）将导致C-VC-V特性曲线向负特性曲线向负特性曲线向负特性曲线向负栅压方向移动。栅压方向移动。栅压方向移动。栅压方向移动。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的栅压称为的栅压称为的栅压称为。（3 3）绝缘层中电荷对）绝缘层中电荷对）绝缘层中电荷对）绝缘层中电荷对MISMIS结构结构结构结构C-VC-V特性的影响特性的影响特性的影响特性的影响当绝缘层处有一薄层电荷当绝缘层处有一薄层电荷当绝缘层处有一薄层电荷当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为其面电荷密度为其面电荷密度为其面电荷密度为当绝缘层中有分布电荷当绝缘层中有分布电荷当绝缘层中有分布电荷当绝缘层中有分布电荷