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1、第八章 半导体表面与MIS结构,1、清洁Si表面的获得,在10-810-9Pa的超高真空状况下机械解理获得,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,1 表面态,In this image of a silicon surface,captured using a scanning tunneling microscope,patterns are visible at the atomic scale.Bright spots are individual atoms.,实际表面(Si-SiO2),Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si
2、,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,O,O,2、表面能级、表面态、表面态密度,（1）表面能级（达姆能级）,EC,EV,x,0,（2）表面态,0,V0,V(x),a,x,聚集电子特性,表面态密度=悬挂键密度,E,（3）施主表面态、受主表面态表面态-表面引起的附加电子状态(表面周期势场的中断,表面杂质,表面缺陷)施主表面态 悬挂键上有电子中性 施放电子后呈正电性受主表面态 悬挂键上无电子中性 得到电子后呈负电性,受主,施主,2 表面电场效应,1、空间电荷区和表面势采用MOS结构来研究表面电场效应 理想情况 金属半导体功函数差为零 绝缘层不导电无电荷 界面上无界面态,p-Si,SiO2,Al
3、,VG,以p型Si为例，讨论表面电场效应 VG=0 平带状态,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,Wm,(EF)m,VG0,Ec,Ev,(EF)s,qVG,Wm,Ei,多数载流子堆积状态,VG0,Ec,Ev,(EF)s,Wm,Ei,多子耗尽,VG0，并进一步增大,Ec,Ev,(EF)s,Wm,Ei,反型层,2、表面电荷区的电场、电荷和电容与Vs的关系假设：半导体表面为一平面，且表面线度远大于空间电荷层厚度。半导体厚度比空间电荷层厚度大得多。半导体均匀掺杂，表面空间电荷层中电离杂质浓度相等。表面层均匀，电荷密度、电场、电势层表面方向不变。表面空间电荷层中的载流子为非简并。,p-Si,VG,0,x
4、,由一维泊松方程建立电荷密度和电势的关系,利用 E=-dV/dx，方程两边同乘dV,积分得到:,V=Vs，得Es表面处电场强度,Vs：表面势半导体表面和内部之间的电势差,由高斯定理,则表面电荷面密度:VG0VG0,VS0,Qs0表面电容?,F/m2,p-Si,-,VG,+,应用以上公式讨论具体情况,a)多数载流子堆积状态 p型Si，VG0,p-Si,-,VG,+,V s 0,V0,对于足够大的|V|、|V s|exp(-qV/k0T)exp(qV/k0T)p型半导体np0pp0F函数中起主要作用的是exp(-qV/k0T)其他项可以略去。p242,b）平带状态VG=0,p-Si,VG,V s=
5、0,V(x)=0,F函数为0,Es=0，Qs=0，,c）耗尽状态VG0,p-Si,VG,V s 0,V(x)0,Ec,Ev,(EF)s,Wm,Ei,xd,d,d)反型状态(VG0)临界反型 弱反型 强反型,表面处少子的浓度=体内多数载流子的浓度,表面处少子的浓度少于体内多数载流子的浓度,表面处少子的浓度多于体内多数载流子的浓度,临界反型条件:,Ec,Ev,(EF)s,Wm,Ei,qVB,qVB,p-Si,n,n,VG,场氧化层,栅氧化层,开启电压掺杂浓度、氧化层厚度有关。,3 MOS结构的电容-电压特性(C-V特性),VG分为两部分：绝缘区 V0、表面势Vs,p-Si,VG,SiO2厚度为d0
6、，其中的电场均匀E0,C0,加一小交变信号,电荷随电压的改变就表现为电容特性,电容器串联后，总电容量必小于串 联组合中任一单独电容器之电容量。,归一化的电容电压曲线,1、多子堆积状态,VG0,VG,C/C0,0,0,2、平带 VG=0,VG,C/C0,0,0,平带,3、多子耗尽,C/C0,0,0,VG,4、少子反型,C/C0,0,0,VG,低频,高频,高频、低频为何不同？,4 实际MOS结构 C-V特性,金属-半导体之间存在功函数SiO2存在可动正离子SiO2-Si界面存在固定正电荷SiO2-Si界面态存在,Si-SiO2界面固定 表面电荷可动离子界面态电离陷阱,（1）固定正电荷,Si,o,S
7、i,o,Si,o,o,Si,Si,o,Si,o,Si,o,Si,o,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,硅表面悬挂键 过剩硅离子（氧离子空位）硅、氧断裂键 杂质,Qfc大小与晶向有关Qfc(111)Qfc(110)Qfc(100)退火后，Qfc减小-硅和二氧化硅界面上的过剩硅离子是固定表面电荷产生的主要原因。,（2）可动离子钠离子、钾离子、氢 化学试剂、玻璃器皿、高温器材、人体玷污 电子纯 石英材质 清洁工艺、钝化层（磷硅玻璃、氮化硅、氧化铝）,（3）界面态电荷 本征界面态 由不饱和悬挂键形成的界面态 非本征界面态 由机械损伤、晶格缺陷、硅氧断裂键、杂质等因素形成
8、的界面态。,界面态上载流子的分布电子占据界面态分布函数 若界面态具有同一个能量值EsD，界面态密度Ns，则施主界面态上的电子数 若界面态能量分布在EsD EsD，范围内：界面态上的电子数目为Nss(E)，则在能量E处，dE能量间隔内单位面积界面态上的电子数为 界面态上的电子数目,界面态在禁带中的分布,Ec,Ev,界面态密度,受主,施主,非本征界面态,早期研究,进一步研究显示为U形,（1）金属-半导体功函数差接触电势差,WsWm,Vms0,WsWm,Vms0,p型Si-Al WsWm Vms0,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,Wm,(EF)m,Ec,Ev,(EF)s,Wm,Ei,平带电压：使
9、半导体能带恢复平带状态所需加的栅极电压。,（2）SiO2中可动正电荷对C-V特性影响,p-Si,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,第一种 以薄层形式分布,半导体,金属,绝缘层,x,E,x,x,Q,x,d0,0,第二种 可动电荷在SiO2中连续分布,半导体,金属,绝缘层,金属,绝缘层,x,B-T实验1、将陪片制备成MOS结构电容，测量C-V特性曲线。2、将MOS结构电容放入恒温箱，127保温30分钟后，栅上加10V偏压测量C-V特性曲线。3、温度不变，栅压变为-10V，在此条件下测量C-V特性曲线。,固定表面电荷（薄层分布）,界面态（情况复杂）-图形位移、变形,总的为几种情况的综合,氧化层
10、中正电荷引起半导体表面附近电势变化 及能带弯曲,氧化层中负电荷引起半导体表面附近电势变化 及能带弯曲,n型半导体表面层的三种状态,在硅-二氧化硅界面处的快界面态快态与慢态施主型界面态与受主型界面态,5、表面电导及有效迁移率,1、表面电导,半导体表面层内平行于表面方向的电导；方形表面薄层电导：。,表面电导与表面层中载流子浓度、载流子 表面层中有效迁移率有关。,附加表面电导=q(psp+ns n)ps、ns 分别为空穴和电子的有效迁移率。,（Vs）=(0)+q(psp+nsn)(0)：平带薄层电导以p型半导体为例分析Vs,半导体表面层中总薄层表面电导,半导体表面电导也随环境变化,以n-Ge为例：,
11、2、有效迁移率：半导体表面层中载流子的平均迁移率。,以电子为例：,距半导体表面处x处电子的电导率,表面层中所有电子贡献的表面电导,表面层中所有电子贡献的单位面积电荷Qn,电子的有效迁移率,通常表面迁移率比体内要低很多。,6、表面电场对pn结特性的研究,栅控二极管,n,p,VT,VG,x,y,n+,p,VT,VG,几种组合形式,VT,正,负,截止,导通,n+,p,VT,VG,VG,负,多子堆积,正,多子耗尽,少子反型,VT=0 VG=0,EC,EV,EF,EC,EV,EF,EC,EV,EF,+,+,+,-,-,-,qVD,VT0 VG=0,n+,p,VT,VG,EC,EV,+,+,+,-,-,-,+,+,+,-,-,-,-,-,-,+,+,+,VT=0 VG0,n+,p,VT,VG,n,冶金结,场感应结,有表面电场影响的pn结,场感应结出现后对pn结的影响,1、反向电流变大,IgM,IgF,IgS,IR,VG,耗尽层,反型层,IgF：耗尽层中有复合产生中心，可以提供电子空穴对，产生反向电流。,IgS：Si-SiO2界面态上电荷产生的电流。,2、反向击穿电压的变化,
