半导体界面问题

会计学1半导体界面问题§1金属-半导体接触和肖特基势垒

(1)

金属和半导体的功函数

(2)

金属-半导体接触电势差

(3)表面态对接触势垒的影响

(4)I-V特性的定性图象

第1页/共84页★金属和半导体的功函数功函数:W=EVAC-EF,

(

EVAC--真空中静止电子的能量,亦记作E0)功函数给出了固体中EF处的电子逃逸到真空所需的最小能量.

图7-1第2页/共84页金属功函数Z第3页/共84页关于功函数的几点说明:①对金属而言,功函数Wm可看作是固定的.功函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度.

对半导体而言,功函数与掺杂有关②功函数与表面有关.③功函数是一个统计物理量第4页/共84页对半导体,电子亲和能χ是固定的,功函数与掺杂有关

图7-3第5页/共84页表7-1半导体功函数与杂质浓度的关系♦

n型半导体:WS=χ+(EC-EF)

♦p型半导体:WS=χ+[Eg-(EF-EV)]第6页/共84页★金属和半导体接触电势差一种典型情况:

讨论M/n型半导体,Wm>Ws(阻挡层）①接触电势差--为了补偿两者功函数之差,金属与半导体之间产生电势差:Vms=(Ws–Wm)/e

♦当Wm>Ws,

Vms<0(金属一边低电势)

（反阻挡层）♦通常,可认为接触电势差全部降落于空间电荷区.第7页/共84页第8页/共84页②半导体一边的势垒高度:

VD

=∣Vms∣③表面势—半导体表面相对于体内的电势

Vs=Vms④金属一边的势垒高度(肖特基势垒--SB):

eΦSB

=eΦns=

Wm–χ

♦常常选择ΦSB为描述金属/半导体接触势垒的基本物理量(ΦSB几乎与外加电压无关)第9页/共84页能带电荷分布电场分布第10页/共84页★金属/半导体接触的几种情况对M/n型半导体:

♦

Wm>Ws能带上弯--电子势垒

空间电荷—电离施主

♦

Wm<Ws能带下弯--电子势阱空间电荷—电子积累势垒—阻挡层,势阱—反阻挡层第11页/共84页Wm>Ws电子势垒Wm<Ws电子势阱第12页/共84页对M/p型半导体:

♦Wm>Ws能带上弯--空穴势阱空间电荷—空穴积累

♦

Wm<Ws能带下弯--空穴势垒空间电荷—电离受主第13页/共84页Wm<Ws空穴势垒Wm>Ws空穴势阱第14页/共84页★表面态对接触势垒的影响理论上,金属一边的势垒高度

eΦSB

=eΦns=

Wm–χ实际上,ΦSB常常与金属的种类关系不太大,而主要取决于表面态(界面态)的影响:

半导体表面处,禁带中存在表面态.半导体与其表面态通过交换电子,达到相互平衡

(由于表面态的存在,)半导体表面产生空间电荷区,能带弯曲.

第15页/共84页以M/n型半导体为例,且Wm>Ws.①

单独考虑表面态:表面态在能隙中形成一个能带.♦设表面态的电中性能级距价带顶为eΦ0由表面态的带电状态,表面态可分为:♦施主型表面态—被电子占据时,呈电中性,失去电子后,呈正电性.♦受主型表面态—空态时,呈电中性,得到电子后,呈负电性.第16页/共84页对大多数半导体,表面态电中性能级距价带顶大约有eΦ0=⅓Eg♦对p型半导体,本征表面态常为施主型♦对n型半导体,本征表面态常为受主型第17页/共84页图7-7第18页/共84页②半导体与其表面态通过交换电子,达到相互平衡,具有统一的EF.当表面态的密度很大,EF被表面态钉扎(钉扎于表面态电中性能级).

♦对n型半导体:eVD=Eg–eΦ0–(Ec–EF)n

♦对p型半导体:eVD=eΦ0–(EF

–EV)p第19页/共84页图7-8第20页/共84页③考虑金属/半导体:

当带有表面态的半导体与金属接触,要考虑这三者之间的电子交换.

平衡时,金属,表面态和半导体具有统一的EF.第21页/共84页对金属/半导体接触势垒的小结:

仍以M/n-S,势垒接触(Wm>Ws)为例:

eΦSB

=eVD+(Ec–EF)n

♦当不考虑表面态:eΦSB

=

Wm–χ

♦当表面态的密度很高:

eΦSB

=Eg–

eΦ0--肖特基势垒高度与金属的Wm无关.

第22页/共84页♦一般情况下,可介于二者之间,则有:eΦSB

=(1-S)(Eg–

eΦ0)+S(

Wm–χ)♦S称为界面行为因子(与半导体材料有关,与制造工艺有关)

•

当表面态密度很小,S1

•

当表面态密度很大,S0第23页/共84页★I-V特性的定性图象①定性图象--阻挡层的整流作用:(仍讨论M/n-S

形成电子势垒)

M/S接触是多子器件.对M/n-S

形成的电子势垒,其输运特性主要由电子决定.

♦正向偏置,半导体一侧电子势垒降低,可形成较大的正向电流.

♦反向偏置,半导体一侧电子势垒升高,反向电流很小.当反向偏置加大,反向电流可趋于饱和.第24页/共84页图7-10第25页/共84页要定量讨论I-V特性,必须讨论电子是怎样越过势垒的.两种近似模型:♦扩散理论—势垒区较厚,制约正向电流的主要是电子在空间电荷区的扩散过程♦热电子发射理论—载流子的迁移率较高,电子能否通过势垒区,主要受制于势垒高度.第26页/共84页②热电子发射理论的结果♦其中♦有效里查孙常数

(书上,表7-4)第27页/共84页第28页/共84页

★肖特基势垒二极管(SBD)p-n结二极管肖特基势垒二极管第29页/共84页ⓐ肖特基势垒二极管是多子器件,有优良的高频特性.

一般情况下,不必考虑少子的注入和复合.ⓑ肖特基势垒二极管有较低的正向导通电压.

反向击穿电压较低,反向漏电较高.ⓒ肖特基势垒二极管具有制备上的优势.第30页/共84页★欧姆接触欧姆接触是金属-半导体接触的另一个重要应用—作为器件引线的电极接触(非整流接触).欧姆接触的要求:接触电阻应小到与半导体的体电阻相比可以忽略(不影响器件的电学特性).欧姆接触的实现:主要方法是对接触处的半导体高掺杂,利用隧道效应,得到很小的接触电阻第31页/共84页§2半导体表面电场效应(1)

表面空间电荷层和表面势

(2)

讨论几种典型情况

①表面积累

②表面耗尽③表面反型④表面平带第32页/共84页★表面空间电荷层空间电荷区:半导体中呈现非电中性(出现静电荷)的区域表面空间电荷区起因:屏蔽外界影响产生的电场[外电场;表面态;表面原子吸附或薄层覆盖;界面]特点:表面空间电荷区中存在电场,能带发生弯曲.

♦表面势VS—半导体表面相对于体内的电势值

第33页/共84页定性图象:

设半导体表面外有电场i(以指向半导体表面为正).半导体i

>0(VS>0)

i

<0(VS<0)n型电子积累

表面耗尽,

表面反型

p型表面耗尽,空穴积累表面反型第34页/共84页p型i

>0(VS>0)

第35页/共84页对表面空间电荷区的一般讨论:

解泊松方程(空间电荷区中电势满足的方程)

其中第36页/共84页求解方程,可得到表面空间电荷层的基本参数:

♦表面电场强度Es(Vs)

♦表面空间电荷面密度Qsc(Vs)

♦单位面积的空间电荷层电容Csc(Vs)

应用C-V特性研究表面空间电荷层第37页/共84页我们将直接讨论各种典型情况下的空间电荷区,给出半定量或定性的结果:

♦当外加电场i变化(外加电压变化),表面势VS(表面空间电荷层)随之变化♦讨论表面空间电荷面密度QSC和

空间电荷层电容(单位面积)CSC

随表面势VS的变化第38页/共84页★几种典型情况以p型半导体表面为例①表面积累(多数载流子堆积状态):

♦当i

<0

,表面空穴积累,QSC>0

能带上弯,VS<0

♦空穴积累于靠近表面的薄层,且随表面势数值的增加而迅速增加.

♦CSC很大,第39页/共84页①②第40页/共84页②表面耗尽:

♦

i>0

,VS>0

,能带下弯,QSC<0

•

当0<VS<2VB,可应用耗尽层近似其中,eVB=(Ei-EF)p

♦此时,-ρ(x)=eNA,泊松方程为:第41页/共84页♦解泊松方程,得到:第42页/共84页图8-7第43页/共84页③表面反型(强反型):♦当VS=2VB

耗尽层宽度达到最大

♦

i

继续增加,VS

>2VB,表面nS>pB

♦

CSC很大

第44页/共84页③第45页/共84页一维电子势阱中的2DEG

♦当VS

>2VB,半导体表面出现反型层(MOS器件中称为沟道),即电子势阱♦当势阱宽度足够窄,势阱中的电子即称为一维电子势阱中的2DEG:

势阱中的电子在平行于界面(势阱壁)方向的运动,可视作二维准自由电子的运动;在垂直于界面(势阱壁)方向的运动,必须考虑量子效应--能量量子化.第46页/共84页①②③第47页/共84页图8-6①②③第48页/共84页④表面平带状态:

♦

VS

=0,QSC

=0,但CSC≠0

♦泊松方程:

♦方程的解为:第49页/共84页

♦平带电容

♦德拜长度第50页/共84页对半导体表面空间电荷区电容的小结:♦表面积累,CSC很大♦表面耗尽♦表面反型,CSC很大♦表面平带第51页/共84页§3MIS结构的电容-电压特性

(1)

MOS结构的微分电容

(2)

理想MOS结构的低频C-V特性

(3)理想MOS结构的高频C-V特性

(4)实际MOS结构的C-V特性第52页/共84页第53页/共84页★

MOS结构的微分电容

♦栅压--VG=VOX+VS,

♦当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷面密度--QS

=QSC=-QG

♦MOS结构的微分电容—

CdQG/dVG

第54页/共84页

定义:♦氧化层电容—

COXdQG/dVOX=εox

ε0

/dox

♦空间电荷区电容—

CSC

-dQSC/dVS,

则有:第55页/共84页第56页/共84页第57页/共84页★理想MOS结构理想MOS结构:

♦Vms=0

♦Qox=0

♦Qss=0MOS结构的微分电容公式:第58页/共84页

★低频C-V特性①

VG<0,VS<0,

♦表面积累,CSC很大,(C/Cox)→1,MOS结构的电容呈现为Cox第59页/共84页①②③第60页/共84页②VG>0,0<VS<2VB,

♦表面耗尽,

第61页/共84页③VG>VT,VS>2VB,

♦表面强反型,CSC很大,(C/Cox)→1

阈值电压(开启电压)[半导体表面刚达到强反型时所加的栅压]

VT

=VOX+VS=-(Qdm/COX)+2VB

Qdm=-eNAdm第62页/共84页④VG=0,VS=0,表面平带,第63页/共84页图8-11第64页/共84页⑤掺杂,氧化层厚度对C-V曲线的影响:

掺杂越大,

or/and氧化层厚度dox越大

•CFB/COX越大

•VT越大—极值右移

•CdM越大—极值上移第65页/共84页★高频C-V特性♦表面积累,表面耗尽,高低频特性一样♦

VG>VT,VS>2VB,表面强反型,

高频时,反型层中电子的增减跟不上频率的变化,空间电荷区电容呈现的是耗尽层电容最小值

第66页/共84页♦MOS结构的电容也呈现最小值

--不再随偏压VG呈现显著变化第67页/共84页图8-12第68页/共84页③③第69页/共84页第70页/共84页★深耗尽状态当偏压VG的变化十分迅速,且其正向幅度大于VT,则:

即使表面势VS>2VB,反型层也来不及建立,耗尽层宽度随偏压幅度的增大而增大--深耗尽状态第71页/共84页当表面处于深耗尽--随VG增加,d增加(>dM),MOS结构的电容不再呈现为最小值.第72页/共84页★实际MOS结构的C-V特性--(Ⅰ)

功函数差异的影响平带电压

--为了恢复半导体表面平带状态需要加的电压