高二物理竞赛表面电场效应课件

表面电场效应表面电场效应在外加电场作用下，在半导体的表面层内发生的物理现象。可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，如：功函数不同的金属和半导体接触（金/半接触）、表面态、使半导体表面吸附某种带电的离子等（一）空间电荷层及表面势：表面电场效应对金属/氧化物/半导体(MOS)器件及半导体表面的研究工作十分重要

如图装置是MIS结构。

(Metal-Insulator-Semiconductor)中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金/半间加电压时即可产生表面电场。结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒子，界面态等）金属绝缘层半导体欧姆接触

现在理想情况

假设MIS结构满足以下条件：（1）Ws=Wm；（2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；（3）绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。

讨论理想MIS结构金/O/半间加电压产生垂直于表面的电场时，半导本表面层内的电势及电荷分布情况。金属绝缘层半导体欧姆接触空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）外加表面电场空间电荷层空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度的“空间电荷层”或叫“空间电荷区”，其宽度从零点几微米到几个微米。表面势表面空间电荷区内能带的弯曲在半导体中，由于自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做空间电荷区表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发生弯曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。表面电场可以改变表面电导表面空间电荷层的电荷与Vs有关，表现出电容效应表面电势比内部高时取正值。表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加电压VG而变化，分为堆积、耗尽和反型三种情况。由波耳兹曼统计，表面层载流子浓度ns、ps和体内平衡载流子浓度n0、p0的关系为：

以热平衡时p型半导体为例：EviEciEiEvEcEFsEFm理想MIS结构的能带图表面势为零，能带平直在热平衡时，半导体内的费米能级保持定值VG=0VG=0(1)、VG=0时,平带状态(2)、VG<0多子空穴的积累VG<0EFmEFsEcEvEi能带图1.空间电荷区表面势为负2.能带向上弯曲，Ev接近甚至高于EF3.空穴(多子)堆积分布在最靠近表面的薄层x电荷分布QmQsVG>0（3）VG

＞0耗尽状态QmQsx电荷分布1.空间电荷区表面势为正2.能带向下弯曲3.表面层空穴(多子)浓度比体内少得多，基本上耗尽，负电荷基本等于电离受主杂质浓度EFmEFsEcEvEi能带图-受主杂质VG>>0（4）VG>>0反型状态1.空间电荷区表面势为正2.能带进一步下弯，EFs离Ec更近3.表面区的少子电子数>多子空穴数—表面反型出现；4.反型层发生在表面处，和半导体内部之间还夹着一层耗尽层EFmEFsEcEvEiQmQsx电荷分布-耗尽层电子VG状态Vs能带QsEsVG<0积累Vs<0上弯Qs>0Es<0VG=0平带Vs=0平直Qs=0Es=0VG>0耗尽Vs>0(Vs<VB)下弯Qs<0Es>0VG>>0反型Vs>>0(Vs>VB)下弯Qs<0Es>0p型理想MIS结构的表面电场效应VGp

型VsxVs=0V0多子堆积VG=0平带状态ECEVEFEiVG<0MISMISEFmECEiEFsEVECIEVIVG>0ECEVEiEF多子耗尽ECEVEiEF少子反型VG>>0求解泊松方程表面层中电场强度Es、电势Vs高斯定理表面空间电荷层思路：多子堆积平带多子耗尽少子反型进行相应近似ESQSCS四种基本状态的电场、电势和电容:外加电压VG＜0，Vs<0,表面层的电势都是负的，表面电荷是空穴。即Qs>0。（a）多子积累时：EFmEFsEcEvEi能带图E表面电场、表面电荷和空间电荷电容随表面势的绝对值的增加而指数增长。表面势越负，能带在表面处向上弯曲得更厉害，表面层空穴浓度急剧增加(b)平带状态当外加电压VG=0时，表面势Vs=0，表面处能带不发生弯曲，称为平带状态。EviEciEiEvEcEFsEFm（c）耗尽状态：外加电压VG>0，即表面势Vs>0，能带向下弯曲，是空穴的势垒。但当VG不太大时，不能使得表面处的中央能级Ei弯到费米能级以下。VB>Vs>0EFmEFsEcEvEi能带图-受主杂质（2）、Es为正值，电场和X方向一致；Qs为负值，表明空间电荷是由电离受主杂质形成的负电荷。（1）、表面电场强度Es和表面电荷Qs都正比于(VS)1/2

。(d)反型状态(VG>>0)qVBqVsEi随外加正向电压VG的进一步增大，Ei下降到费米能级以下，出现了反型层（少子大于多子）。Vs>VB强反型和弱反型:表面少子的浓度ns

是否超