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1、第六章 半导体界面问题概要,1 金属-半导体接触和肖特基势垒 2 半导体表面电场效应 3 MOS结构的C-V特性,1 金属-半导体接触和肖特基势垒,(1)金属和半导体的功函数(2)金属-半导体接触电势差(3)表面态对接触势垒的影响(4)I-V特性的定性图象,金属和半导体的功函数功函数:W=EVAC-EF,(EVAC-真空中静止电子的能量,亦记作E0)功函数给出了固 体中EF处的电子 逃逸到真空所需 的最小能量.,图7-1,金属功函数Z,关于功函数的几点说明:对金属而言,功函数Wm可看作是固定的.功函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度.对半导体而言,功函数与掺杂有关 功函数与表面有关.功函数是
2、一个统计物理量,对半导体,电子亲和能是固定的,功函数与掺杂有关,图7-3,表7-1 半导体功函数与杂质浓度的关系 n型半导体:WS=+(EC-EF)p型半导体:WS=+Eg-(EF-EV),金属和半导体接触电势差,一种典型情况:讨论M/n型半导体,WmWs(阻挡层）接触电势差-为了补偿两者功函数之差,金属与半导体之间产生电势差:Vms=(Ws Wm)/e 当WmWs,Vms0(金属一边低电势)（反阻挡层）通常,可认为接触电势差全部降落于空间电荷区.,半导体一边的势垒高度:VD=Vms表面势半导体表面相对于体内的电势 Vs=Vms 金属一边的势垒高度(肖特基势垒-SB):eSB=ens=Wm 常
3、常选择SB为描述金属/半导体接触势垒的基本物理量(SB几乎与外加电压无关),能带,电荷分布,电场分布,金属/半导体接触的几种情况,对M/n型半导体:WmWs 能带上弯-电子势垒 空间电荷电离施主 WmWs 能带下弯-电子势阱 空间电荷电子积累 势垒阻挡层,势阱反阻挡层,WmWs电子势垒,WmWs电子势阱,对M/p型半导体:WmWs 能带上弯-空穴势阱 空间电荷空穴积累 WmWs 能带下弯-空穴势垒 空间电荷电离受主,WmWs空穴势垒,WmWs空穴势阱,表面态对接触势垒的影响,理论上,金属一边的势垒高度 eSB=ens=Wm 实际上,SB常常与金属的种类关系不太大,而主要取决于表面态(界面态)的
4、影响:半导体表面处,禁带中存在表面态.半导体与其表面态通过交换电子,达到相互平衡(由于表面态的存在,)半导体表面产生空间电荷区,能带弯曲.,以M/n型半导体为例,且WmWs.单独考虑表面态:表面态在能隙中形成一个能带.设表面态的电中性能级距价带顶为e0由表面态的带电状态,表面态可分为:施主型表面态被电子占据时,呈电中性,失去电子后,呈正电性.受主型表面态空态时,呈电中性,得到电子后,呈负电性.,对大多数半导体,表面态电中性能级距价带顶大约有 e0=Eg 对p型半导体,本征表面态常为施主型 对n型半导体,本征表面态常为受主型,图7-7,半导体与其表面态通过交换电子,达到相互平衡,具有统一的EF.
5、当表面态的密度很大,EF被表面态钉扎(钉扎于表面态电中性能级).对n型半导体:eVD=Eg e0(Ec EF)n 对p型半导体:eVD=e0(EF EV)p,图7-8,考虑金属/半导体:当带有表面态的半导体与金属接触,要考虑这三者之间的电子交换.平衡时,金属,表面态和半导体具有统一的EF.,对金属/半导体接触势垒的小结:仍以M/n-S,势垒接触(WmWs)为例:eSB=eVD+(Ec EF)n 当不考虑表面态:eSB=Wm 当表面态的密度很高:eSB=Eg e0-肖特基势垒高度与金属的Wm无关.,一般情况下,可介于二者之间,则有:eSB=(1-S)(Eg e0)+S(Wm)S称为界面行为因子(
6、与半导体材料有关,与制造工艺有关)当表面态密度很小,S1 当表面态密度很大,S0,I-V特性的定性图象,定性图象-阻挡层的整流作用:(仍讨论M/n-S 形成电子势垒)M/S接触是多子器件.对M/n-S 形成的电子势垒,其输运特性主要由电子决定.正向偏置,半导体一侧电子势垒降低,可形成较大的正向电流.反向偏置,半导体一侧电子势垒升高,反向电流很小.当反向偏置加大,反向电流可趋于饱和.,图7-10,要定量讨论I-V特性,必须讨论电子是怎样越过势垒的.两种近似模型:扩散理论势垒区较厚,制约正向电流的主要是电子在空间电荷区的扩散过程 热电子发射理论载流子的迁移率较高,电子能否通过势垒区,主要受制于势垒
7、高度.,热电子发射 理论的结果 其中 有效里查孙常数(书上,表7-4),肖特基势垒二极管(SBD)p-n结二极管肖特基势垒二极管,肖特基势垒二极管是多子器件,有优良的高频特性.一般情况下,不必考虑少子的注入和复合.肖特基势垒二极管有较低的正向导通电压.反向击穿电压较低,反向漏电较高.肖特基势垒二极管具有制备上的优势.,欧姆接触欧姆接触是金属-半导体接触的另一个重要应用作为器件引线的电极接触(非整流接触).欧姆接触的要求:接触电阻应小到与半导体的体电阻相比可以忽略(不影响器件的电学特性).欧姆接触的实现:主要方法是对接触处的半导体高掺杂,利用隧道效应,得到很小的接触电阻,2 半导体表面电场效应,
8、(1)表面空间电荷层和表面势(2)讨论几种典型情况 表面积累 表面耗尽 表面反型 表面平带,表面空间电荷层,空间电荷区:半导体中呈现非电中性(出现静电荷)的区域表面空间电荷区起因:屏蔽外界影响产生的电场 外电场;表面态;表面原子吸附或薄层覆盖;界面特点:表面空间电荷区中存在电场,能带发生弯曲.表面势VS半导体表面相对于体内的电势值,定性图象:设半导体表面外有电场i(以指向半导体表面为正).半导体 i 0(VS 0)i 0(VS 0)n型 电子积累 表面耗尽,表面反型 p型 表面耗尽,空穴积累 表面反型,p型 i 0(VS 0),对表面空间电荷区的一般讨论:解泊松方程(空间电荷区中电势满足的方程
9、)其中,求解方程,可得到表面空间电荷层的基本参数:表面电场强度 Es(Vs)表面空间电荷面密度 Qsc(Vs)单位面积的空间电荷层电容 Csc(Vs)应用C-V特性研究表面空间电荷层,我们将直接讨论各种典型情况下的空间电荷区,给出半定量或定性的结果:当外加电场i变化(外加电压变化),表面势VS(表面空间电荷层)随之变化 讨论表面空间电荷面密度QSC和 空间电荷层电容(单位面积)CSC 随表面势VS的变化,几种典型情况,以p型半导体表面为例表面积累(多数载流子堆积状态):当i 0 能带上弯,VS 0 空穴积累于靠近表面的薄层,且随表面势数值的增加而迅速增加.CSC很大,表面耗尽:i0,VS 0,
10、能带下弯,QSC 0 当 0 VS 2VB,可应用耗尽层近似 其中,eVB=(Ei-EF)p 此时,-(x)=eNA,泊松方程为:,解泊松方程,得到:,图8-7,表面反型(强反型):当VS=2VB 耗尽层宽度达到最大 i 继续增加,VS 2VB,表面nSpB CSC很大,一维电子势阱中的2DEG 当VS 2VB,半导体表面出现反型层(MOS器件中称为沟道),即电子势阱 当势阱宽度足够窄,势阱中的电子即称为一维电子势阱中的2DEG:势阱中的电子在平行于界面(势阱壁)方向的运动,可视作二维准自由电子的运动;在垂直于界面(势阱壁)方向的运动,必须考虑量子效应-能量量子化.,图8-6,表面平带状态:V
11、S=0,QSC=0,但 CSC 0 泊松方程:方程的解为:,平带电容 德拜长度,对半导体表面空间电荷区电容的小结:表面积累,CSC很大 表面耗尽 表面反型,CSC很大 表面平带,3 MIS结构的电容-电压特性,(1)MOS结构的微分电容(2)理想MOS结构的低频C-V特性(3)理想MOS结构的高频C-V特性(4)实际MOS结构的C-V特性,MOS结构的微分电容 栅压-VG=VOX+VS,当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷面密度-QS=QSC=-QG MOS结构的微分电容 C dQG/dVG,定义:氧化层电容 COX dQG/dVOX=ox 0/dox 空间电荷区电容 CSC-dQSC/dVS,
12、则有:,理想MOS结构,理想MOS结构:Vms=0 Qox=0 Qss=0MOS结构的 微分电容公式:,低频C-V特性 VG0,VS0,表面积累,CSC很大,(C/Cox)1,MOS结构的电容呈现为Cox,VG0,0VS 2VB,表面耗尽,VG VT,VS 2VB,表面强反型,CSC很大,(C/Cox)1 阈值电压(开启电压)半导体表面刚达到强反型时所加的栅压 VT=VOX+VS=-(Qdm/COX)+2 VB Qdm=-eNA dm,VG=0,VS=0,表面平带,图8-11,掺杂,氧化层厚度对C-V曲线的影响:掺杂越大,or/and 氧化层厚度dox越大 CFB/COX越大 VT越大极值右移
13、 CdM越大极值上移,高频C-V特性,表面积累,表面耗尽,高低频特性一样 VG VT,VS 2VB,表面强反型,高频时,反型层中电子的增减跟不上频率的变化,空间电荷区电容呈现的是 耗尽层电容最小值,MOS结构的电容也呈现最小值-不再随偏压VG呈现显著变化,图8-12,深耗尽状态,当偏压VG的变化十分迅速,且其正向幅度大于VT,则:即使表面势VS2VB,反型层也来不及建立,耗尽层宽度随偏压幅度的增大而增大-深耗尽状态,当表面处于深耗尽-随VG增加,d增加(dM),MOS结构的电容不再呈现为最小值.,实际MOS结构的C-V特性,-()功函数差异的影响平带电压-为了恢复半导体表面平带状态需要加的电压
14、.考虑功函数差异的影响:VFB=-Vms,实际MOS结构的C-V特性-()绝缘层中电荷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 则有:其中,氧化层中总有效电荷面密度,实际MOS结构的阈值电压:VT=VT1+VFB VT1=VOX+VS=-(QdM/COX)+2VB VFB=-VMS-(QOX/COX),C-V特性的应用,求氧化层厚度dOX:COX dOX求半导体掺杂浓度NA(ND):Cmin+dOX NA(ND)计算,或表8-12求氧化层中总有效电荷面密度QOX:dOX+NA CFB VFB QOX,本章-书上第七章部分内容,7.1 金属半导体接触及其能级图 7.2 金属半导体接触整流理论 整流作用的定性描述 2.热电子发射理论 热电子发射理论的结果 4.肖特基势垒二极管,本章-书上第八章部分内容,8.2 表面电场效应 8.3 MIS结构的电容-电压特性,
