半导体表面与结构

关于半导体表面与结构第一页，共五十九页，2022年，8月28日主要内容§8.1表面态与表面电场效应§8.2MIS结构的C-V特性§8.3Si-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

第二页，共五十九页，2022年，8月28日§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。第三页，共五十九页，2022年，8月28日二.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。第四页，共五十九页，2022年，8月28日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）结构能带图第五页，共五十九页，2022年，8月28日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。第六页，共五十九页，2022年，8月28日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VS<0（1）多数载流子堆积状态表面多子浓度大于体内，表面多子积累；表面势为负。第七页，共五十九页，2022年，8月28日（2）多数载流子耗尽状态VG>0，能带向下弯曲,表面耗尽VS>0表面空穴浓度小于体内，表面多子耗尽；表面势为正第八页，共五十九页，2022年，8月28日（3）少数载流子的反型状态VG>>0，表面处Ei低于EF，表面反型ns>ps,形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层，叫反型层。第九页，共五十九页，2022年，8月28日四.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：第十页，共五十九页，2022年，8月28日平衡时，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：第十一页，共五十九页，2022年，8月28日上式两边积分，由，得：令：则：V>0能带向上弯曲，E取+，方向从体内指向表面V<0能带向下弯曲，E取-，方向从表面指向体内第十二页，共五十九页，2022年，8月28日根据高斯定律，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：第十三页，共五十九页，2022年，8月28日(1)p型多子积累当VG<0，Vs<0，V<0时，又∵由得则随-Vs增大指数增加第十四页，共五十九页，2022年，8月28日（2）平带状态（VG=0，Vs=0）利用∵Vs→0，npo/ppo→0化简∴第十五页，共五十九页，2022年，8月28日（3）耗尽状态当VG﹥0，Vs﹥0，np0/pp0＜＜1,时，空穴耗尽。忽略F函数中np0/pp0，exp-qV（KT）项，由耗尽层尽似得：第十六页，共五十九页，2022年，8月28日（4）反型状态强反型条件由得由玻尔兹曼统计分布式中得强反型条件：ns≥pp0第十七页，共五十九页，2022年，8月28日强反型的临界条件：∵∴强反型的条件：达到强反型时金属极板上所加的电压叫开启电压(阈值电压）——VT掺杂越高，Eg

大，VT

越大。第十八页，共五十九页，2022年，8月28日临界强反型的电场，电势：Qs随线性变化其值为负第十九页，共五十九页，2022年，8月28日强反型时，Vs>>2VB:强反型时，面电荷密度Qs随Vs按指数增大。第二十页，共五十九页，2022年，8月28日出现强反型后，耗尽层宽度达到极大值第二十一页，共五十九页，2022年，8月28日室温下，NA×1015cm-3的p型Si,

Qs与Vs的关系第二十二页，共五十九页，2022年，8月28日(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。第二十三页，共五十九页，2022年，8月28日上节重点复习以下以p型半导体理想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VS<0（2）平带状态（VG=0，Vs=0）第二十四页，共五十九页，2022年，8月28日（3）多子耗尽状态VG>0，能带向下弯曲,表面耗尽VS>0（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第二十五页，共五十九页，2022年，8月28日§8.2MIS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=εr

ε0/d0

表示绝缘层单位面积电容，由绝缘层厚度决定。第二十六页，共五十九页，2022年，8月28日根据微分电容的定义得:令得表明MIS电容由CO和Cs串联而成常用归一化电容：第二十七页，共五十九页，2022年，8月28日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，Vs<<0,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）。第二十八页，共五十九页，2022年，8月28日P型半导体MIS结构低频C-V曲线第二十九页，共五十九页，2022年，8月28日2.当VG=0，理想MIS结构Vs＝0，

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，

CFB/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)第三十页，共五十九页，2022年，8月28日归一化平带电容与氧化层厚度的关系第三十一页，共五十九页，2022年，8月28日3.当VG﹥0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。第三十二页，共五十九页，2022年，8月28日P型半导体MIS结构低频C-V曲线第三十三页，共五十九页，2022年，8月28日4.当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，C≈C0。第三十四页，共五十九页，2022年，8月28日P型半导体MIS结构低频C-V曲线第三十五页，共五十九页，2022年，8月28日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。

则有第三十六页，共五十九页，2022年，8月28日高频时，理想MIS结构归一化极小电容与氧化层厚度的关系第三十七页，共五十九页，2022年，8月28日频率对MIS(P型半导体)结构C-V特性的影响第三十八页，共五十九页，2022年，8月28日N型半导体构成MIS结构的C-V特性第三十九页，共五十九页，2022年，8月28日小结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。第四十页，共五十九页，2022年，8月28日二.金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响如果Wm<Ws,当VG=0时，表面能带向下弯曲。Vms＝(Ws-Wm)/q第四十一页，共五十九页，2022年，8月28日平带电压：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。第四十二页，共五十九页，2022年，8月28日功函数差对MIS结构C-V特性的影响Wm<Ws第四十三页，共五十九页，2022年，8月28日三.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四十四页，共五十九页，2022年，8月28日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。第四十五页，共五十九页，2022年，8月28日绝缘层中正电荷对C-V曲线的影响第四十六页，共五十九页，2022年，8月28日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，第四十七页，共五十九页，2022年，8月28日§8.3Si-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。第四十八页，共五十九页，2022年，8月28日Si-SiO2系统中的电荷状态第四十九页，共五十九页，2022年，8月28日二.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。第五十页，共五十九页，2022年，8月28日§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。第五十一页，共五十九页，2022年，8月28日以p型MIS结构为例：

1）表面势为负,多子积累，表面电导增加；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；第五十二页，共五十九页，2022年，8月28日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。第五十三页，共五十九页，2022年，8月28日本章小结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，表面能带向上弯曲，表面积累VS<0第五十四页，共五十九页，2022年，8月28日（2）平带状态（VG=0，Vs=0）（3）多子耗尽状态VG>0，能带向下弯曲,表面耗尽VS>0（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五十五页，共五十九页，2022年，8月28日出现强反型后，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