半导体物理学-Chapter8

1、第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章8.1 表面态概念8.2 表面电场效应8.3 Si-SiO2系统的性质8.4 MIS结构的C-V特性8.5 表面电导及迁移率 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章8.1 表面态概念表面态概念8.1.1 表面的特殊性表面的特殊性1. 表面处晶体的周期场中断；表面处晶体的周期场中断；2. 表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；3. 表面往往需要特殊保护措施，如钝化等表面往往需要特殊保护措

2、施，如钝化等4. 表面是器件制备的基础，如表面是器件制备的基础，如MOSFET等等 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章8.1.2 理想表面理想表面理想一维晶体的表面态：薛定谔方程理想一维晶体的表面态：薛定谔方程E0 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章假设假设8.2.2 空间电荷层中的泊松方程空间电荷层中的泊松方程1 半导体表面是个无限大的面，其线度半导体表面是个无限大的面，其线度空间电荷层厚度空间电荷层厚度一维近似，（一维近似，（, E, V） 不依赖不依赖 y, z2 半导体厚度半导体厚度 空间电荷层厚度空间电荷层厚度半导体体内电中性半导体

3、体内电中性3 半导体均匀掺杂半导体均匀掺杂4 非简并统计适用于空间电荷层非简并统计适用于空间电荷层5 不考虑量子效应不考虑量子效应 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章例子：一维例子：一维p型半导体型半导体泊松方程泊松方程玻尔兹曼统计玻尔兹曼统计已知已知 x+ 时时 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章两边乘以两边乘以dV从空间电荷层内边界积分到表面从空间电荷层内边界积分到表面 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章“”: V 0“”: V 0德拜长度德拜长度(p型半导体型半导体)表面势为正，表面势为正，能带下弯，电能带下弯

4、，电场指向半导体场指向半导体内部为正方向内部为正方向F 函数，无量纲数函数，无量纲数 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章8.2.3 半导体表面电场、电势和电容半导体表面电场、电势和电容x = 0 V(0) = Vs电场指向半电场指向半导体内部为导体内部为正方向正方向面电荷密度面电荷密度 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章8.2.4 半导体表面层的五种基本状态半导体表面层的五种基本状态1 多子堆积（积累）状态多子堆积（积累）状态积累积累 Vs0平带平带 Vs=0VsVs0另一种求解面电荷密度另一种求解面电荷密度的途径的途径“耗尽层近似耗尽层近似

5、”积累积累 Vs0平带平带 Vs=0耗尽耗尽 Vs(0,VB) QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章4 反型状态反型状态耗尽状态耗尽状态VBVs 2VBVs d dmax 非平衡状态，空间电荷层的载流子跟不上外加电压变化非平衡状态，空间电荷层的载流子跟不上外加电压变化从深耗尽到热平衡反型层态所需的热驰豫时间从深耗尽到热平衡反型层态所需的热驰豫时间th为为100102s！反型层的建立不是一个很快的过程！反型层的建立不是一个很快的过程！“耗尽层近似耗尽层近似”依然适用依然适用 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章 QUST 半导体物理半导体物理基础半

6、导体物理基础第七章第七章8.3 Si-SiO2系统的性质系统的性质8.3.1 Si-SiO2系统中的电荷状态系统中的电荷状态1. 界面陷阱电荷（快界面态）界面陷阱电荷（快界面态） Qit2. 氧化层中固定电荷氧化层中固定电荷 Qf3. 氧化层中可动电荷氧化层中可动电荷 Qm4. 氧化层中陷阱电荷氧化层中陷阱电荷 Qot1.界面陷阱电荷（快界面态）界面陷阱电荷（快界面态） Qit界面态密度界面态密度 Dit(1) Dit1010 1012 cm-2eV-1(2) Dit在禁带中呈现在禁带中呈现“U”形连续分布形连续分布(3) Qit与晶向关系：与晶向关系： 111 110 100(4) Q 依赖

7、退火处理依赖退火处理 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章2. 氧化层中固定电荷氧化层中固定电荷 Qf(1) 在外加电场下，不可移动在外加电场下，不可移动(2) 局限于界面局限于界面20nm范围以内范围以内(3) 111 110 100(4) 不依赖于不依赖于Vs, 不和体不和体Si交换电荷，即不能充放电交换电荷，即不能充放电(5) 不依赖于不依赖于Si掺杂和氧化层厚度掺杂和氧化层厚度(6) Si-SiO2界面附近的过剩界面附近的过剩Si4+导致导致Qf(7) 与热处理有关与热处理有关3. 氧化层中可动电荷氧化层中可动电荷 Qm (Na+, K+) B-T实验实验4.

8、氧化层中陷阱电荷氧化层中陷阱电荷 Qot辐射；热载流子注入等辐射；热载流子注入等 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章8.4 MIS结构的结构的C-V特性特性8.4.1 MIS电容结构的能带图电容结构的能带图1. 无外加电压无外加电压2. 有外加电压有外加电压表面势表面势WsWm接触电势差接触电势差体现外加场影响体现外加场影响 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章8.4.2 理想理想MIS电容的电容的CV特性特性氧化层完全绝缘氧化层完全绝缘氧化层中不存在任何电荷氧化层中不存在任何电荷在氧化层与半导体界面上无界面态在氧化层与半导体界面上无界面态忽略

9、金属与半导体的接触电势差忽略金属与半导体的接触电势差r(SiO2) = 3.9r(Si) = 11.9随随VG变化变化 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章低频情况低频情况(10100 Hz)1 VG Cox2 VG = 0, 平带平带 QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章3 VG 0,耗尽耗尽, VG d Cs C 平行板电容器等效平行板电容器等效4 VG 0, 弱反型弱反型, VG d Qs ：从：从Vs1/2 exp(qVs/2kT)从从Vs-1/2 exp(qVs/2kT)C 5 VG 0, 强反型强反型, Qs exp(qVs/2kT)

10、Cs CoxC CoxVs = V2 BV G =VT阈值电压阈值电压 (开启电压开启电压) QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章高频情况高频情况(104106 Hz)反型层中电子的产生与复合跟不上高反型层中电子的产生与复合跟不上高频信号的变化，即反型层中电子的数量频信号的变化，即反型层中电子的数量不能随高频信号而变。此时，反型层中不能随高频信号而变。此时，反型层中的电子对电容没有贡献。的电子对电容没有贡献。QS的变化只能靠耗尽层的电荷变化实的变化只能靠耗尽层的电荷变化实现，强反型时耗尽层已达最大厚度。现，强反型时耗尽层已达最大厚度。 QUST 半导体物理半导体物理基础

11、半导体物理基础第七章第七章深耗尽情况深耗尽情况(快速快速CV扫描扫描)从深耗尽到热平衡反型层态所需的热驰豫从深耗尽到热平衡反型层态所需的热驰豫时间时间th为为100102s！反型层的建立不是一个很快的过程！反型层的建立不是一个很快的过程！快速直流偏压扫描导致反型层不能建立，快速直流偏压扫描导致反型层不能建立，“耗尽层近耗尽层近似似” 依然适用，依然适用，d dmax Cs Vs-1/2 C QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章10.4.3 实际实际MIS电容的电容的CV特性特性1. 金半接触电势差的影响金半接触电势差的影响C-V曲线会平移，但形状不变曲线会平移，但形状不

12、变Al 栅电极栅电极 & p-Si Vms 0 例子：例子：C-V曲线整体向电压轴负方向平移曲线整体向电压轴负方向平移通过与理想通过与理想 C-V对比对比, 得到得到VFB Vms Wm QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章2. 绝缘层中电荷的影响绝缘层中电荷的影响Qf C/cm2 Qm , Qot (x) C/cm3B-T实验实验V = 10 -10 VT = 150 250 oC30 min外电场和温度场下外电场和温度场下Na+ 可动正电压下可动正电压下Na+迁移至氧化层靠近半导体一侧，导致较大负迁移至氧化层靠近半导体一侧，导致较大负VFB，再施加负电压，再施加负电压，Na+部分迁至氧化部分迁至氧化层靠近金属一侧，部分恢复层靠近金属一侧，部分恢复VFB QUST 半导体物理半导体物理基础半导体物理基础第七章第七章10.5 表面电导及迁移率表面电导及迁移率10.5.1 表面电导表面电导单位面积的表面层中载流子改变量单位面积的表面层中载流子改变量垂直于表面方向的电场垂直于表面方向的电场对表面电导起控制作用对表面电导起控制作用-1cm-2平带薄层电导平带薄层电导表面迁移率表面迁移率表面散射表面散