《半导体表面与MIS结构上课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体表面与MIS结构上课件.pptx（40页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第八章 半导体表面与MIS结构Semiconductor surface and metal-insulator-semiconductor structure,沈阳工业大学电子科学与技术系,本章重点：,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,8.1 表面态,理想表面：表面层中原子排列有序、对称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。实际表面：往往存在氧化膜或附着其他分子或原子，这使得表面分析更加复杂难以弄清楚。表面态：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状态。理想表面上形成的表面态称为达姆表面态。表面能级
2、：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。,对于理想表面的问题求解，需要建立薛定谔方程，利用具体的边界条件对波函数加以求解。对于硅表面态：表面最外层每个硅原子有一个未配对电子，有一个未饱和键，称为悬挂键，由于每平方厘米表面有1015个原子，相应悬挂键亦有1015个，这与实验测量值在量级上相符合。,对于表面能级，和半导体内部杂质和缺陷能级相类似，也分为施主类型和受主类型，但对于其在禁带中的分布，目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，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，形成空间电
3、荷区和表面势（Vs），而使表面层中的能带发生变化。,8.2 表面电场效应Effect of Surface Electric,多子积累状态 耗尽状态 反型状态,理想MIS结构的四个要求：,（1）金属和半导体不存在功函数差，即：Wm=Ws；（2）绝缘层内无电荷：QI=0，且绝缘层不导电：IL=0；（3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态Qss=0;（4）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。,EcEFEV,金属,半导体,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
4、面电势比体内低时，Vs取负值。,1、理想MIS系统定性分析（以P类型为例）-静电平衡、堆积、耗尽、反型,VB,VB为费米电势，决定半导体的类型及程度,对于理想MIS结构,（1）静电平衡状态 VG=0,EC,EV,Ei,EFs,VG0,Qs,Qm,P型半导体,（2）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,qVG,EFm,得知，随着表面处的Ei相对于内部上升则表面处的空穴浓度亦随之升高，称此时P型半导体空穴发生堆积现象。,由空穴浓度,半导体内电场强度,空穴随位置分布,半导体表面处堆积的空穴,金属表面处堆积的电子,（3）多数
5、载流子耗尽状态,Qs,Qm,（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,EC,EV,Ei,EFs,VG0,x,P型半导体,xd,qVG,在表面处 低于半导体内部值,因此，表面电子浓度,EFm,（4）少数载流子反型状态,Qn,Qm,EC,EV,Ei,EFs,VG0,x,P型半导体,xdm,此时，半导体空间电荷层处于临界强反型。,在强反型条件下,金属与半导体间加负压，多子堆积。,金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽。,金属与半导体间加高正压，少子反型。,（5）P型半导体的堆积、耗尽、反型,（6）n型半导体的堆积、耗尽、反型,金属与半导体间加负压，多子
6、堆积。,金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽。,金属与半导体间加高正压，少子反型。,2、理想MIS结构的定量分析-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：,关于表面处的电子浓度和空穴浓度,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,令，,则表面处，V=Vs，则半导体表面处的电场强度为：,（2）表面电荷分布Qs,根据高斯定理，表面的电荷面密度为：,（3）表面电容Cs,多数载流子堆积状态（Vs 0）,（4）各种状态下的表面电场、电荷量、电容（仍以p型为例讨论）,平带状态（Vs=0）,平带电容,耗尽状态（Vs 0，Qs 0）,考
7、虑到电离饱和时 Ppo=NA简化,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,空间电荷区宽度,设半导体中性区电势为零,空间电荷区电容,临界强反型时，Vs=2VB,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。,强反型时，Vs 2VB,p类型MIS结构总结：VG s 0 能带下弯0 VT:强反型,s 2F 能带下弯,（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,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
8、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高频深度耗尽条件下，空间电荷层电容保持最小,8.3 MIS结构的电容-电压特性C-V characteristics of MIS structure,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,归一化电容:,多数载流子堆积区（Vs 0）,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，Qs 0）,耗尽状态（Vs 0）,强反型后（Vs 0）,A.低频时,少子的产生-复
9、合跟得上小信号的变化。,强反型后（Vs 0）,B.高频时,反型层电荷对MIS电容没有贡献。,MIS结构的电容-电压曲线,思 考 题,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Wm Ws 时（P型半导体）将导致C-V特性曲线向负栅压方向移动。,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,当绝缘层中有分布电荷,谢 谢！,
