理想MOS结构的表面空间电荷区分析知识讲解

1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province理想MOS结构的表面空间电荷区分析 半导体器件的特性与半导体表面特征性质有特半导体器件的特性与半导体表面特征性质有特别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的今天，半导体器件的制造相当多是在很薄的一层今天，半导体器件的制造相当多是在很薄的一层表面内完成的（几个微米甚至更小），因而，如表面内完成的（几个微米甚至更小），因而，如何有效控制和完善半导体的表面质量，从而进一

2、何有效控制和完善半导体的表面质量，从而进一步利用半导体表面效应，可用来制造例如步利用半导体表面效应，可用来制造例如MOSMOS（金（金属属- -氧化物氧化物- -半导体）器件半导体）器件、CCDCCD（电荷耦合器件）、（电荷耦合器件）、LEDLED（发光二极管）、（发光二极管）、LCDLCD（液晶显示）、半导体（液晶显示）、半导体激光等表面发光器件，以及太阳能电池等表面感激光等表面发光器件，以及太阳能电池等表面感应器件。应器件。 理想表面（清洁表面）理想表面（清洁表面）原子完全有规则排列所终止的一个平面。 表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形成共价键，但由于表面价键处于所谓“悬挂键”的空置状态

3、，其状态极其不稳定，表面很容易吸附一些其他原子例如空气中的氧原子而形成氧化层。真实表面真实表面 用物理或化学方法形成的半导体表面，暴露在空气中，存在氧化层或吸附其他原子。 表面存在“悬挂键”，对电子有受主的性质，存在一些可以容纳电子的能量状态，称为“表面能级”或“表面态”。 表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准连续。表面势表面势 空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到零，其各点电势也要发生变化，这样表面相对体内就产生电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差为表面势S。源极、衬底和漏极构成两个背靠背的二极管。在不加栅压源极、衬底和漏极构成两个背靠背的二极管。在不加栅压时，只能

4、有很小的反向饱和电流通过源漏极。当栅压足够时，只能有很小的反向饱和电流通过源漏极。当栅压足够大时，栅极下面半导体会反型。大时，栅极下面半导体会反型。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本上不再增加。子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本上不再增加。 在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷 金属和半导体之间的功函数差为零金属和半导体之间的功函数差为零 SiOSiO2 2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过层是良好的绝缘体，能阻挡直流

5、电流流过 理想理想MOSMOS结构假设：结构假设：即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，使得即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。整个表面空间电荷区中费米能级为常数。因此：因此： 0为为SiO2层的内建电场，层的内建电场，QM为金属极板上的电荷，则半导体为金属极板上的电荷，则半导体表面感应电荷为表面感应电荷为QS=QM。在外电场的作用下，在半导体表面在外电场的作用下，在半导体表面形成具有相当厚度（形成具有相当厚度（）的空间电荷区，它对电场起到屏）的空间电荷区，它对电场起到屏蔽作用。空间电荷区的形成是由于自由载流子的过剩或欠缺蔽作用。空

6、间电荷区的形成是由于自由载流子的过剩或欠缺以及杂质能级上电子浓度的变化引起的。以及杂质能级上电子浓度的变化引起的。在空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体内之间产生电位在空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体内之间产生电位差，半导体表面的电势，称为表面势差，半导体表面的电势，称为表面势 。在加上电压。在加上电压VG时，外时，外加电压加电压VG为跨越氧化层的电压为跨越氧化层的电压V0和表面势和表面势 所分摊，即有：所分摊，即有：S0GVVSS电场电场 从半导体表面到内部逐渐减弱，直到空间电荷区内边从半导体表面到内部逐渐减弱，直到空间电荷区内边界上基本全部被屏蔽而为零。则每个极板上的感应电荷与电场

7、界上基本全部被屏蔽而为零。则每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系：之间满足如下关系：sEs0SM QQ金属-氧比物和P型半导体的电位分布图S0GVV空间电荷区静电势空间电荷区静电势 的出现改变了空间电荷区中的能带的出现改变了空间电荷区中的能带图。根据图。根据VG极性和大小，有可能实现三种不同的表面情况：极性和大小，有可能实现三种不同的表面情况： 载流子积累；载流子积累； 载流子耗尽；载流子耗尽； 半导体表面反型。半导体表面反型。)(x设半导体体内本征费米能级为设半导体体内本征费米能级为Ei0，则空间电荷区内：则空间电荷区内：在半导体表面处有：在半导体表面处有：令：令：为半导体内的费米势为

8、半导体内的费米势KTEEKTEEeppenn/ )(i/ )(iFiiFsi0s iqEE)()(i0ixqExEqEE)(Fi0f可以得到：ORTfTST/i0/0S/ )(0)(VVVxennennenxnTfSTf/ iS/ )(i)(VVxennenxnKTEEKTEEeppenn/ )(i/ )(iFiiFKTEEKTEEeppenn/ )(i0/ )(i0Fi0i0F)()(i0ixqExEqEE)(Fi0f半导体表面层的载流子分布：半导体表面层的载流子分布：TfTST/i0/0s/ )(0)(VVVxeppeppepxpTSfTf/ )(iS/)(i)(VVxenpenxpORK

9、TEEKTEEeppenn/ )(i/ )(iFiiFKTEEKTEEeppenn/ )(i0/ )(i0Fi0i0F)()(i0ixqExEqEE)(Fi0f半导体表面层的载流子分布：半导体表面层的载流子分布：d00Sd )(xxpxpqQ当紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓当紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累。度时，称为载流子积累。当金属电极上加负电压时，在半导体表面形成负表面电势当金属电极上加负电压时，在半导体表面形成负表面电势 ，表面空间电荷区中能带向上弯曲，由于费米能级表面空间电荷区中能带向上弯曲，由于费米能级EF保持常数，保持

10、常数，能带向上弯曲使接近表面处有更大的能带向上弯曲使接近表面处有更大的Ei-EF，与体内相比，在表与体内相比，在表面处有更高的空穴浓度和更低的电子浓度，使空穴在表面积累，面处有更高的空穴浓度和更低的电子浓度，使空穴在表面积累，增加表面的电导率。增加表面的电导率。S表面电荷为：表面电荷为：d00Sd )(xxpxpqQ当金属电极上施加正偏压当金属电极上施加正偏压VG时，表面势时，表面势 为正，空间电荷区为正，空间电荷区中能带向下弯曲，准费米能级能级中能带向下弯曲，准费米能级能级Ei靠近费米能级靠近费米能级EF, (Ei EF)值减小，表面空穴浓度低于体内热平衡值，造成多数载流子空值减小，表面空穴

11、浓度低于体内热平衡值，造成多数载流子空穴的耗尽，少数载流子电子有所增加。当由于平衡少子数目极穴的耗尽，少数载流子电子有所增加。当由于平衡少子数目极小，因此小，因此，少子数目仍然可以忽略。少子数目仍然可以忽略。空间电荷由没有空穴中和的、固定的受主离子构成。空间电荷由没有空穴中和的、固定的受主离子构成。S单位面积下的总电荷单位面积下的总电荷QS为为:采用耗尽近似，根据泊松方程有：采用耗尽近似，根据泊松方程有：表面势表面势daBSxqNQQs2das2xqN2ds)1 ()(xxxsa22ddqNxQB:半导体空间电荷区中单位半导体空间电荷区中单位面积下的受主离子总电荷面积下的受主离子总电荷assd

12、2qNx在耗尽基础上进一步增加偏压在耗尽基础上进一步增加偏压VG，MOS系统半导体表面空间系统半导体表面空间电荷区中的能带进一步下弯。大的能带弯曲使硅表面及其附近电荷区中的能带进一步下弯。大的能带弯曲使硅表面及其附近的禁带中央能量的禁带中央能量Ei超越恒定的费米能级，即来到费术能级超越恒定的费米能级，即来到费术能级EF的的下面。下面。使得：少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度，而多数载流使得：少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度，而多数载流子空穴的浓度低于本征载流子浓度。这一层半导体由子空穴的浓度低于本征载流子浓度。这一层半导体由P型变成型变成N型，称为反型层，即载流子反型。型，称为反型层，即

13、载流子反型。KTEEKTEEeppenn/ )(i/ )(iFiiF当当nS=ni时，半导体表面呈现本征状态，此后，再增加时，半导体表面呈现本征状态，此后，再增加 ，半，半导体表面就会发生反型，则有：导体表面就会发生反型，则有：反型条件反型条件fsTfs/ isVennS但除非但除非EiS低于低于EF很多，否则电子浓度很低，这种现象叫做弱很多，否则电子浓度很低，这种现象叫做弱反型；对于大多数反型；对于大多数MOSFET运用来说，希望确定一种条件，运用来说，希望确定一种条件，在超过它之后，反型层中的电子电荷浓度相当高，规定当表在超过它之后，反型层中的电子电荷浓度相当高，规定当表面电子浓度等于体内

14、平衡多子空穴浓度时，半导体表面形成面电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时，半导体表面形成强反型层，这称为强反型条件强反型层，这称为强反型条件 ，令，令ns=p0，可得：，可得：强反型时的表面势强反型时的表面势fSi2Tfs/ isVennTf/i0Vepp强反型时相应的感生强反型时相应的感生PN结耗尽层宽度为：结耗尽层宽度为：强反型时空间电荷区的宽度强反型时空间电荷区的宽度电离受主电离受主QB为：为：afsaSisdm42qNqNxfasSiasdmaB42NqNqxqNQs2daS2xqNfSi2超过强反型以后，表面区内的空间电荷由以下条件确定：超过强反型以后，表面区内的空间电荷由以下条件确定：反型层中单位面积的可动电荷，又称沟道电荷。反型层中单位面积的可动电荷，又称沟道电荷。对于对于P型半导体，型