半导体物理北交经典课件考研必备-第七章MIS

1、7.1 半导体的表面半导体的表面 一、理想表面和实际表面一、理想表面和实际表面 理想表面：理想表面： 表面对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。真实表面真实表面：表面吸附杂质表面吸附杂质, 或或表面原表面原子生成氧化物或其它化合物子生成氧化物或其它化合物 清洁表面清洁表面：在表面没有吸附杂质，也：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化的实际表面。没有被氧化的实际表面。实际表面实际表面又分为：又分为： 二、表面态二、表面态 达姆表面能级达姆表面能级: 晶体自由表面的存在使其周期场

2、在表面处晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断发生中断, 在禁带中引起的附加能级在禁带中引起的附加能级. 求解薛定谔方程求解薛定谔方程在在x=0处，出现新的本征值处，出现新的本征值附加的电子能态附加的电子能态表面态表面态硅表面悬挂键硅表面悬挂键由于悬挂键的存在，表面由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。可与体内交换电子和空穴。例如:对硅(111)面，在超高真空下,可观察到(7*7)结构，即表面上形成以(7*7)个硅原子为单元的二维平移对称性结构。理想表面实际上不存在理想表面实际上不存在共价半导体的表面再构现象共价半导体的表面再构现象: 近表面几个原子厚度的表面层中近表面几个原子厚

3、度的表面层中, 离子离子实所受的势场作用不同于晶体内部实所受的势场作用不同于晶体内部, 使得晶使得晶体的三维平移对称性在表面层中受到破坏体的三维平移对称性在表面层中受到破坏,表面上形成新的原子排列结构表面上形成新的原子排列结构, 这种排列具这种排列具有沿表面的二维平移对称性有沿表面的二维平移对称性.清洁表面的电子态，称为清洁表面的电子态，称为本征本征(达姆达姆)表表面态面态。 真实表面由于吸附原子或其它不完整性，真实表面由于吸附原子或其它不完整性，产生表面电子态，称为产生表面电子态，称为外诱表面态外诱表面态。 外诱表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关;达姆表面态对给定的晶体在“洁净”

4、表面时为一定值。表面态分为表面态分为施主型表面态施主型表面态和和受主型表面态受主型表面态。 施主型表面态施主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何不论能级在禁带中的位置如何, 能级被电子能级被电子占据时呈电中性占据时呈电中性, 施放电子后带正电施放电子后带正电. 这样的这样的表面态叫表面态叫 受主型表面态受主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何不论能级在禁带中的位置如何, 能级空着时呈能级空着时呈电中性电中性, 接受电子后带负电接受电子后带负电, 这样的表面态叫这样的表面态叫 7.2 半导体的表面电场半导体的表面电场 一、形成表面电场的因素一、形成表面电场的因素 1表面态的影响表面态的影响 由于

5、表面态与体内电子态之间交换电子，由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了结果产生了垂直于表面的电场垂直于表面的电场。(EF)s表面费米能级表面费米能级(EF)s EF如果如果(EF)s EFEcEvEF(EF)s+E2功函数的差异功函数的差异金属中的电子绝大多数所处的能级都低于金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。体外能级。金属功函数的定义金属功函数的定义上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。0EmW0()mFmWEEEFE0 真空中静止电子的能量真空中静止电子的

6、能量EoEcEv(EF)sWsWm金(M)半(S)WSWM，即即(EF)S(EF)M +E形成由金形成由金半的电场半的电场。(EF)msFsEEW)(0金属半导体接触金属半导体接触 如果如果WS(EF)M半导体中半导体中的电子向金属流动，形成由半的电子向金属流动，形成由半金的电场金的电场 3氧化层中的杂质离子氧化层中的杂质离子S+IME例如例如:Si-SiO2系统中系统中,SiO2层中有过剩层中有过剩硅离子硅离子4外加偏压外加偏压 二、表面电场效应二、表面电场效应1空间电荷区和表面势空间电荷区和表面势 讨论在外加电场作用下半导体表面讨论在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。层内发生的现象。

7、d金属绝缘体半导体欧姆接触MIS结构理想的理想的MIS结构结构:金属与半导体间功函数差为零金属与半导体间功函数差为零绝缘层中无电荷且绝缘层完全不导电绝缘层中无电荷且绝缘层完全不导电绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态 MIS结构是一电容结构是一电容 在金属与半导体间加电压后在金属与半导体间加电压后, 金属和半导体金属和半导体 相对的两个面上被充电相对的两个面上被充电, 符号相反符号相反 金属中金属中, 电荷分布在一个原子层范围内电荷分布在一个原子层范围内; 半导体中半导体中, 电荷分布在一定厚度的表面层内电荷分布在一定厚度的表面层内- 空间电荷区空间电荷区+

8、 + + + +M ISVG空间电荷区空间电荷区表面与体内的电势差为表面与体内的电势差为表面势表面势，用，用VS表示。表示。 规定：规定： 表面电势比内部高时，表面电势比内部高时，VS0，反之，表，反之，表面电势比内部低时，面电势比内部低时，VS0； 外加反向偏压时，外加反向偏压时，VG0，电场由体内指，电场由体内指向表面，向表面，VS0，VS0时，取负号，空间电荷区的能时，取负号，空间电荷区的能带从体内到表面向下弯曲带从体内到表面向下弯曲 VG0，VS0，能带向下弯，能带向下弯 V(x)0KTxqVKTExqVECeneNxnFC)(0)()(KTxqVepxp)(0)(空穴的势垒空穴的势垒

9、 空间电荷区空间电荷区 ：0 xEFV(x)0，能带向上弯能带向上弯 KTxVqenxn)(0)(KTxVqepxp)|(|0)(V(x)0电子的势垒电子的势垒 空间电荷区空间电荷区 ：0 xX=0 V(x)=VsKTqVsKTqVsssseppennV000KTVqsKTVqsssseppennV|0|00表面上表面上3P型半导体表面空间电荷层的四种基本状态型半导体表面空间电荷层的四种基本状态 (1) VG0，金属接，金属接+，半导体接负，半导体接负 EcEvEFEiqVsqVBVB是体内势是体内势 ：)(体FiBEEqV多子耗尽多子耗尽 ps0 反型层反型层界面EcEiEFEvqVsxqV

10、qVBEg半导体绝缘体表面空间电荷区内能带的弯曲表面空间电荷区内能带的弯曲P电子称这个状态为称这个状态为反型状态反型状态 电子电离受主空间电荷空间电荷反型少子堆积反型少子堆积弱反型：弱反型：psns(po)p mFEFsExmQsQiE1）Ei与与EF在表面处相交（此处为本在表面处相交（此处为本征型）；征型）；2）表面区的少子数）表面区的少子数多子数多子数表面表面反型；反型；3）反型层和半导体内部之间还夹着）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。一层耗尽层。KTqVpossenn)(020pnniKTqVpoissepnn)(2表面反型条件表面反型条件出现强反型的临界条件，出现强反型的临界条

11、件，ns=(po)pKTqVissenn22KTqVissenn2KTqViKTEEiBFienenp0KTqVKTqVBs2出现强反型,2BsVV 0penNKTqViAB又iABnNqKTVlniABSnNqKTVVln22强反型出强反型出现现BsVV 表面弱反型时iAsiAsnNqkTVnNqTkVln2ln表面强反型条件为表面弱反型条件为因此VG0 VS0, VG0多子堆积多子堆积, 平带平带, 多子耗尽多子耗尽, 反型少子堆积反型少子堆积VG变化变化VS变化变化能带弯曲能带弯曲电荷分布变化电荷分布变化 4N型半导体表面空间电荷层的四种型半导体表面空间电荷层的四种基本状态基本状态 1)

12、 VG0 ,VS0能带下弯，能带下弯，ns (n0)n多子的堆积多子的堆积 KTqVsKTqVsssseppennV000EF2) VG=0，VS=0 平带平带KTVqsKTVqsssseppennV|0|003) VG0，VS0 能带上弯，能带上弯，ns (n0)n为电子势垒为电子势垒 + + + 电离施主4) VG0 + + 空穴 表面处形成了表面处形成了p型材料，型材料，即即反型层反型层 多子耗尽多子耗尽EFEi弱反型：弱反型：nsps(no)nEF1总电容总电容C VG=V0+VS 在MIS结构上加电压VG后，电压VG的一部分Vo降在绝缘层上，而另一部分降在半导体表面层中，形成表面势V

13、s，即因是理想MIS结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电场是均匀的，以 表示其电场强度，显然0E000dEV d0 绝缘层厚度绝缘层厚度00CQVs由高斯定理由高斯定理00roMQE QM金属表面的面电荷密度金属表面的面电荷密度, 0r 绝缘层的相对介绝缘层的相对介电常数电常数000000000rsrMdQdQdEVQs半导体表面的面电荷密度半导体表面的面电荷密度Co 绝缘层电容绝缘层电容0000dCrsCCC1110GsGMdVdQdVdQCssGVCQV0MIS结构电容结构电容Cs为半导体空间电荷区电容为半导体空间电荷区电容sssssVQVQCddddMIS结构电容相当于绝缘层电容和半导

14、体空间电荷层电容的串联MIS结构的等效电路结构的等效电路0C0dsCGVssCCCCC00sCCCC00110CC称为称为归一化电容归一化电容 2表面空间电荷区的电场和电容表面空间电荷区的电场和电容表面空间电荷区的电场：表面空间电荷区的电场：popoDpnKTqVFqLKT)()(,2F函数函数空间电荷层中电势满足的泊松方程空间电荷层中电势满足的泊松方程022)(ddrsxxVrs半导体的相对介电半导体的相对介电常数常数, (x)空间电荷密度空间电荷密度xVEddV0, 取正取正; V0，QS为负号为负号 金属为负时，金属为负时，VG0，QS为正号为正号ppssppsDrsspnkTqVFkT

15、qVpnkTqVLC)()(,1)exp()()(1)exp(00000空间电荷层单位面积上的电容空间电荷层单位面积上的电容, 单位单位F/m2以以p型半导体为例型半导体为例, 定量地分析各种表面层的状态定量地分析各种表面层的状态空间电荷层的电容空间电荷层的电容sssVQC(1) VG0，金属接负，半导体接正，金属接负，半导体接正 多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态)2exp(2kTqVqLkTEsDs)2exp(20kTqVqLkTQsDrss)2exp(0kTqVLCsDrss sVsCsCCCC0011sCC0随随 而而0 sV10CCCC0(AB)随随|VG| 积累的空穴越来越少，积

16、累的空穴越来越少，CS ，C/C0 (BC)1.00.80.60.40.2ABCDEFC0CFBCminCminVmin1低频C02高频GH00+VMIS结构的电容结构的电容-电容曲线电容曲线C/C02/10)()(12)(popoDrsspnLC平又（no)p0，金属接，金属接+，半导体接负，半导体接负 VS0，表面能带下弯，是空穴的势垒，表面能带下弯，是空穴的势垒 2/1)()(,KTqVpnKTqVFspopos2/12/1)(2sDsVqKTL2/12/10)(2sDrssVqKTLQ空穴耗尽状态空穴耗尽状态2 . 101KTqVLCsDrss2/102srsAsVqNC2/1ssVC

17、2/1020)(2prsDpqkTL电离饱和时电离饱和时 (p0)p=NA2/1200200211dqNVCCArsGrVG, C/C0(CD) 假设空间电荷区的空穴都已全部耗尽，假设空间电荷区的空穴都已全部耗尽，电荷全由已电离的受主杂质构成。半导电荷全由已电离的受主杂质构成。半导体的掺杂是均匀的，则空间电荷区的电体的掺杂是均匀的，则空间电荷区的电荷密度，荷密度， (x)=-qNA设设xd为耗尽层的厚度为耗尽层的厚度 022rsdAsxqNV 耗尽层近似耗尽层近似drssxC0(4) VG0 KTqVpopopopossepnpnKTqVF22/1)()()()(,2/10)(posDrssp

18、nLC反型状态反型状态低频时低频时, 少子的产生与复合跟得上小信号的变化少子的产生与复合跟得上小信号的变化 VS ，少子积累越多，少子积累越多，ns ，Cs ，C0/CS ，C/C0 (DE) 当当VS 到使到使C0/CS 很小时，很小时，C/C0的分母的分母中的第二项又可以忽略。中的第二项又可以忽略。C/C0 1。(EF) 1)()(1100ssVkTqVpporoDrooepndLCC高频时，反型层中的电子对电容没有贡献高频时，反型层中的电子对电容没有贡献,空空间电荷区的电容由耗尽层的电荷变化决定间电荷区的电容由耗尽层的电荷变化决定0max00min11dxCCrsdr因强反型出现时耗尽层

19、宽度达到最大值因强反型出现时耗尽层宽度达到最大值 xdmax, 不随不随VG变化变化, 耗尽层贡献的电容将达极小值并耗尽层贡献的电容将达极小值并保持不变保持不变.(GH)n（1）半导体材料及绝缘层材料一定）半导体材料及绝缘层材料一定 n 时，时，C-V特性将随特性将随do及及NA而而 n 变化；变化； n（2）C-V特性与频率有关特性与频率有关N型半导体组成的型半导体组成的MIS结构具有相似的规律。结构具有相似的规律。 二、实际的二、实际的MIS结构的结构的C-V特性特性 1金属和半导体功函数的影响金属和半导体功函数的影响 (EF)M(EF)SMS(EF)M(EF)s+EWMWs，形成的，形成

20、的Vs0，这，这时时C-V曲线是向右发生了移动。曲线是向右发生了移动。2绝缘层中离子的影响绝缘层中离子的影响 可动离子：可动离子：Na+，K+或或H+固定离子：通常位于固定离子：通常位于SiSiO2界面附近的界面附近的200 范围内范围内 +MIS-E外外CV曲线向左平移曲线向左平移0sV能带下弯能带下弯3表面态的影响表面态的影响 (1) 受主表面态受主表面态 在在N型半导体中型半导体中 EcEvEF+EVS0，能带上弯 -电离受主电离受主表面态表面态+电离施主电离施主空穴空穴使使N型表面反型型表面反型接受电子接受电子, 带负电带负电在在P型表面型表面 -Vs0，能带上弯，能带上弯 电离受主电离受主表面态表面态多