半导体表面和结构

1、关于半导体表面与结构第1页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四主要内容8.1 表面态与表面电场效应8.2 MIS 结构的C-V 特性8.3 Si-SiO2 系统的性质 8.4 表面电导及迁移率重点掌握1）表面电场效应 2）理想与非理想MIS结构的C-V特性 第2页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四8.1 表面态与表面电场效应一.表面态：晶体表面出现的局域态。1.产生原因： 半导体表面未饱和的键悬挂键；体缺陷或吸附外来原子。2.作用：表面态改变了晶体的周期性势场。1）可以制成各种MOS，CCD等器件。2）严重影响器件的稳定性。第3页，共59页，2022年，5

2、月20日，1点59分，星期四二.表面电场效应表面电场产生的原因 1）功函数不同的金属和半导体接触； 2）半导体具有表面态； 3）MIS结构的金属和半导体功函数不同； 4）外加电压。第4页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四2.理想的MIS结构1）Wm=Ws2）绝缘层中无电荷且完全不导电3）绝缘层/半导体接触界面间无界面态理想MIS （P型） 结构能带图第5页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四3.空间电荷区与表面势 1）MIS结构与等效电路在半导体中，电荷分布在一定厚度的表面层内， 这个带电的表面层称为空间电荷区。第6页，共59页，2022年，5月20日，1

3、点59分，星期四2）表面势：空间电荷区两端的电势差Vs常以体内中性区电势作为零点(以p型半导体为例）VG 0，表面能带向上弯曲，表面积累VS0，能带向下弯曲,表面耗尽VS0表面空穴浓度小于体内，表面多子耗尽；表面势为正第8页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四（3）少数载流子的反型状态VG 0，表面处Ei低于EF，表面反型nsps,形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层，叫反型层。第9页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四四.表面空间电荷层的电场、电势和电容在空间电荷区，一维泊松方程为：电荷密度为：电子和空穴的浓度：第10页，共59页，2022年，5月20日

4、，1点59分，星期四平衡时，在体内，满足电中性条件：在空间电荷区以上各式代入泊松方程：上式两边乘dV并积分，可得：第11页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四上式两边积分，由 ，得：令：则：V0 能带向上弯曲，E取+，方向从体内指向表面V0 能带向下弯曲，E取-，方向从表面指向体内第12页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四根据高斯定律，表面面电荷密度Qs满足：电场变化引起电荷变化，其微分电容为：利用：得到：第13页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四(1) p型多子积累当VG0，Vs0，V2V B:强反型时，面电荷密度Qs随Vs按指数增大

5、。第20页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四出现强反型后，耗尽层宽度达到极大值第21页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四室温下，NA1015cm-3的p型Si,Qs与Vs的关系第22页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四(5)深耗尽状态：当VG 0，加高频或脉冲电压，表面深耗尽。高频电压，反型层来不及形成，电中性条件靠耗尽层厚度随电压的增加而展宽来实现。空间电荷层中只存在电离杂质所形成的空间电荷，“耗尽层近似”仍适用。深耗尽状态的应用：制备CCD等。第23页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四上节重点复习以下以p型半导

6、体理想MIS结构为例： （1）多子的积累VG 0，表面能带向上弯曲，表面积累VS0，能带向下弯曲,表面耗尽VS0（4）少子的反型状态， VG 0 强反型时条件：Vs 2V B，能带向下弯曲剧烈出现强反型后，耗尽层宽度达到极大值开启电压(阈值电压）VT第25页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四8.2 MIS 结构的C-V 特性一. 理想MIS结构的电容电压特性在金属上加电压VG，绝缘层上压降V0，半导体表面电势Vs，即：其中 C0=r 0/d0 表示绝缘层单位面积电容，由绝缘层厚度决定。第26页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四根据微分电容的定义得:令得表

7、明MIS电容由CO和Cs串联而成常用归一化电容：第27页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四1.当VG 0时，p型半导体表面积累（图中AC)1） 当负偏压较大时，Vs0, 电荷积累在半导体表面， MIS结构电容相当于绝缘层平板电容(图中AB段）。2）当负偏压较小时，C随Vs减小而减小(图中BC段）。第28页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四P型半导体MIS结构低频C-V曲线第29页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四2.当VG=0，理想MIS结构Vs0， 此电容叫平带电容CFB利用可得1） 若d0一定，NA越大，表面空间电荷层变薄， CF

8、B/C0增大； 若NA一定， d0越大，C0愈小，CFB/C0增大；2）根据上式，利用C-V曲线可得到d0或NA（或ND)第30页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四归一化平带电容与氧化层厚度的关系第31页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四3. 当VG0时，p型半导体表面耗尽（图CD段）耗尽时正偏，耗尽时，空间电荷区厚度xd和表面势Vs均随VG增大而增加， xd大， Cs 减小, C/C0减小。第32页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四P型半导体MIS结构低频C-V曲线第33页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四4.当

9、VG 0时，p型半导体表面强反型（图EF段）强反型时1）低频情况强反型时，反型层表面聚集大量电荷， MIS结构相当于绝缘层平板电容，CC0。第34页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四P型半导体MIS结构低频C-V曲线第35页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四2）高频情况 反型层中电子数量跟不上频率的变化。总电容由耗尽层电荷随VG的变化决定。耗尽层宽度达最大值xdm，Cs，C均最小且不变。 则有第36页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四高频时，理想MIS结构归一化极小电容与氧化层厚度的关系第37页，共59页，2022年，5月20日，1点

10、59分，星期四频率对MIS(P型半导体)结构C-V特性的影响第38页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四N型半导体构成MIS结构的C-V特性第39页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四小结1. 半导体材料和绝缘层材料一定，MIS结构C-V特性由半导体半导体掺杂浓度和绝缘层厚度决定。2. 由C-V曲线可得到半导体掺杂浓度和绝缘层厚度。第40页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四二. 金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响如果WmWs, 当VG=0时，表面能带向下弯曲。 Vms(Ws-Wm)/q第41页，共59页，2022年，5月20

11、日，1点59分，星期四平带电压：为了恢复半导体表面平带状态，需外加一电压，这个电压叫平带电压VFB。此处VFB为负。因而，理想MIS结构的平带点 由VG=0 移到 VG=VFB即：C-V特性曲线向负栅压方向平移。第42页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四功函数差对MIS结构C-V特性的影响 WmWs第43页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四三.绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响如绝缘层有电荷，在金属表面和半导体表面附近感应出符号相反的电荷，空间电荷区产生电场，能带发生弯曲。需外加电压使能带达到平带，这个电压叫平带电压。绝缘层中薄层电荷的影响第44页

12、，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四为抵消绝缘层中薄层电荷的影响所需加的平带电压金属与薄层间电场由高斯定理得到绝缘层中电荷越接近半导体表面，对C-V特性影响越大；在金属/绝缘层界面，对C-V特性无影响。第45页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四绝缘层中正电荷对C-V曲线的影响第46页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四如电荷在绝缘层中具有某种分布，则由积分求平带电压可见，VFB随绝缘层中电荷分布而变化。如果绝缘层中存在可动电荷，则其移动使VFB改变，引起C-V曲线沿电压轴平移。当功函数差和绝缘层电荷同时存在时，第47页，共59页，2022

13、年，5月20日，1点59分，星期四8.3 Si-SiO2 系统的性质一. Si-SiO2系统存在以下四种基本类型电荷：SiO2层中可动离子，在一定温度和偏压下可在SiO2 中移动；Na+ 、K+ 等。2. SiO2层中的固定电荷，在Si-SiO2 界面约20nm内；3. 界面态Si-SiO2 界面处禁带中的能级或能带； Si-SiO2界面处快界面态； 快界面态可迅速地和半导体交换电荷。 空气/ SiO2界面处慢态。4. SiO2层中的电离陷阱电荷，由各种辐射引起。第48页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四Si-SiO2系统中的电荷状态第49页，共59页，2022年，5月20

14、日，1点59分，星期四二. Si-SiO2系统中的电荷的作用： 引起MOS结构C-V特性变化，影响器件性能。三.减少Si-SiO2系统中的电荷的主要措施： 1. 防止沾污减少Na+ 等可动离子。 2.退火，热处理减少固定电荷和陷阱电荷。 3.选100晶向的单晶硅减少界面态。第50页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四 8.4 表面电导及迁移率1.表面电导 表面电导取决于表面层载流子浓度及迁移率。 垂直于表面的电场产生表面势，改变载流子浓度，影响表面电导。第51页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四以p型MIS结构为例：1）表面势为负,多子积累，表面电导增加；

15、2）表面势为正,多子耗尽，表面电导减小；3）表面势为正且很大，表面反型，反型层中电子浓度高，表面电导很大；第52页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四2. 表面载流子的有效迁移率1）由于表面散射以及热氧化时杂质再分布的 影响，使得表面迁移率仅约体内一半。2）有效迁移率还与温度有关。第53页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四本章小结1.在电场或其他物理效应作用下，半导体表面层载流子分布发生变化，产生表面势及电场，导致表面能带弯曲。半导体表面电场不同，导致表面出现多子的积累、平带、耗尽、反型或强反型。以下以p型半导体为例： （1）多子的积累VG 0，表面能带向

16、上弯曲，表面积累VS0，能带向下弯曲,表面耗尽VS0（4）少子的反型状态，强反型时条件：Vs 2V B，能带向下弯曲剧烈第55页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四出现强反型后，耗尽层宽度达到极大值2.理想MIS结构的电容电压特性表明MIS电容由CO和Cs串联而成常用归一化电容：第56页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四（1）当VG=0，理想MIS结构Vs0， 此电容叫平带电容CFB（2）当VG0时，p型半导体表面耗尽（3）当VG 0时，p型半导体表面强反型低频时：高频时，反型层中电子数量跟不上变化。总电容由耗尽层电荷随VG的变化决定。耗尽层宽度达最大值xdm，Cs，C均最小且不变。P型半导体MIS结构C-V曲线第57页，共59页，2022年，5月20日，1点59分，星期四3.金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响如果WmWs, 当VG=0时，表面能带向下弯曲。为了恢复半导体表面平带