半导体表面与MIS结构解析

半导体表面与MIS结构解析8.1表面态；8.2表面电场效应；8.3MIS结构的电容-电压特性；半导体表面与MIS结构解析表面态半导体的表面特性与半导体器件的特性有很密切的联系。许多半导体器件，如MOS(金属-氧化物-半导体)器件、电荷耦合器件、表面发光器件，都是利用半导体的表面效应制成的。

本章主要讨论表面态、表面电场效应、硅-二氧化硅系统、MIS结构(金属-绝缘体-半导体)结构的电容-电压特性等意义：改善器件性能，提高器件稳定性；探索、研发新型器件；提高集成电路的可靠性与稳定性。半导体表面与MIS结构解析表面的特殊性：1.表面处晶体的周期场中断；2.表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；3.表面往往需要特殊保护措施，如钝化等4.表面是器件制备的基础，如MOSFET等半导体表面与MIS结构解析表面能级：由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏，在禁带中引入附加能级。达姆表面能级：晶体自由表面周期势场发生中断或破坏引入的附加能级。悬挂键：晶体自由表面的最外层原子中有一个未配对的电子，即未饱和的键。表面态：悬挂键所对应的电子能态。半导体表面与MIS结构解析理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限表面。理想表面实际上是不存在的。实际密度：1010~1012cm-2悬挂键特点：与体内交换电子或空穴。硅表面被氧化后，表面形成一层致密的二氧化硅保护层，大部分悬挂键被氧原子所饱和，表面态密度大大降低。半导体表面与MIS结构解析表面电场效应在金属-半导体间加电压即可产生表面电场,在理想情况下，MIS结构中满足以下条件：以MIS结构(金属-绝缘层-半导体)为例金属-半导体间功函数差为零；在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电。绝缘体与半导体界面处不存在任何电荷。半导体表面与MIS结构解析8.2.1空间电荷层及表面势MIS结构加电压后，金属-半导体间充电，相当于一个电容。电荷分布：金属中，自由电子密度很高。半导体中自由电子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层内。这个带电的表面层称作空间电荷区。空间电荷区电场：从表面到内部逐渐减弱。在空间电荷区的另一端，减小为零。空间电荷区电势：随距离逐渐变化。表面发生能带向下弯曲现象。半导体表面与MIS结构解析多数载流子堆积状态(P型半导体为例)

金属-半导体加反向电压(金属端负)，表面势为负，能带向上弯曲。

热平衡下，半导体内费米能级不变。接近表面，价带顶向上弯曲甚至超过费米能级，价带中空穴浓度随之增加，表面层出现空穴堆积现象。半导体表面与MIS结构解析靠近表面区域，价带顶离费米能级低得多。表面空穴浓度比体内低得多，这种状态称为耗尽。2.多数载流子耗尽状态金属-半导体加正向电压(金属端正)，表面势为正，能带向下弯曲。价带中空穴浓度随之减少。以p型半导体为例半导体表面与MIS结构解析表面处费米能级高于禁带中央能级Ei,使费米能级远离价带顶，靠近导带底，意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度。反型层位于表面，与半导体内部还夹着一层耗尽层。3.少数载流子反型状态当金属-半导体间的正向电压进一步加大，表面能带进一步向下弯曲。形成与原来半导体衬底的导电类型相反的一层导电层，称为反型层。半导体表面与MIS结构解析8.2.2表面空间电荷层的电场、电势和电容MIS结构的电容=绝缘层的电容C0+空间电荷区电容Cs1.空间电荷区电容Cs空间电荷区电势满足泊松方程总的空间电荷(x)=q(nD+-PA-+Pp-np)nD+电离施主,PA-电离受主，Pp，np为x点空穴、电子浓度半导体表面与MIS结构解析半导体内部，电中性条件成立(x)=0nD+-PA-=

np–

Pp0)

将np0、pp代入在半导体表面处，V=Vs在半导体表面面电荷密度，Qs=-rs0Es半导体表面与MIS结构解析半导体表面的电容Cs=-dQs/dVs电荷密度Qs随表面势Vs变化而变化当金属电极为正，VS〉0，Qs用负号；当金属电极为负，VS<0，Qs用正号；半导体表面与MIS结构解析1.多数载流子堆积状态以p型半导体为例当外加偏压VG<0时，V和VS<0,F函数中exp[qV/k0T]<<exp[qV/k0T]另外，np0/pp0<<1,半导体表面与MIS结构解析2.平带状态当VG=0,表面势Vs=0,表面能带不弯曲，称为平带状态。ES=0,Qs=0，由于Vs=0代入电容表达式(8.31)将给出不定式，所以由接近平带时Vs趋于0时的电容为：对p型半导体，np0<<pp0电容为：半导体表面与MIS结构解析3.耗尽状态当VG为正,但还不足以使Ei

弯曲到EF以下，空间电荷区处于空穴耗尽状态。V、Vs都大于零。Np0/pp0<<1将pp0=NA,LD关系代如，得Qs为负，为电离受主形成的负电荷。半导体表面与MIS结构解析耗尽状态时，空间电荷层的空穴已全部耗尽，电荷由电离受主杂质构成，所以，耗尽状态也可通过泊松方程解，变为边界条件：X=xd,dV/dx=0设体内电势为零，X=xd,V=0,再积分在表面，X=0，表面电势代入耗尽电容公式中半导体表面与MIS结构解析相当于一个平行板电容器的电容，表面势Vs增加，耗尽层宽度加宽。半导体空间电荷层中单位面积的电量为

Qs=-qNAxd半导体表面与MIS结构解析4.反型状态随VG为正增大,使Ei弯曲到EF以下，出现反型状态。分强反型、弱反型两种根据玻耳兹曼分布表面处少子浓度当表面处少子浓度ns=pp0时得到强反型的临界条件VS2VBqVB=Ei-EF,半导体表面与MIS结构解析得强反型条件：衬底掺杂浓度越大，Vs越大，越不容易达到强反型。Vs=2VB称为开启电压。此时，VG=VT半导体表面与MIS结构解析临界反型时当Vs>>2VB时达到强反型,Qs随Vs指数式增大Cs也随ns增大而增大强反型后，耗尽层宽度达到极大值xdm,不随外加电压增大而增大半导体表面与MIS结构解析8.3MIS结构的电容-电压特性MIS结构是组成MOS晶体管等表面器件的基本部分。MIS结构相当于一个平行板电容器。对MIS结构加某一电压VG,VG一部分V0降落在绝缘层上，一部分Vs降落在半导体表面层VG=V0+Vs8.3.1理想MIS结构的电容-电压特性绝缘层中无电荷，绝缘层中电场均匀V0=E0d0介质中的电位移矢量的大小D=0r0E0金属中的面电荷密度QM=等于介质中的电位移矢量DV0=E0d0=

QMd0

/

0r0E0r0为绝缘层介电常数半导体表面与MIS结构解析考虑到QM=-Qs如果MIS上所加电压变化dVG将dVG代入，得则MIS电容为半导体表面与MIS结构解析表明MIS的电容相当于绝缘层的电容和半导体空间电荷区电容相串联。半导体表面与MIS结构解析则C=C0,MIS结构的电容不随VG变化，总电容等于绝缘层电容，说明半导体内部到表面是导通的。如图AB段所示当偏压VG为负时，半导体表面处于堆积状态，将表面空间电荷区的电容Cs若加较大的负电压，代入半导体表面与MIS结构解析若绝缘层厚度d0一定，NA越大，表面空间电荷层越薄CFB/C0也越大。若加较小的负电压，指数项不能略去，C/C0随|VS|的减小而减小(如图BC段所示)当VG=0时，理想的MIS结构，VS=0，平带电容为若绝缘层厚度d0越大，C0越小，CFB/C0也越大。利用C-V特性测量表面参数时，常需计算CFB/C0半导体表面与MIS结构解析当Vg为正，空间电荷区处于耗尽时，半导体电容为VG=V0+VsV0=-Qs/C0V0+Vs-VG=Vs–VG-(QS/C0)=0耗尽时，表面空间电荷厚度xd随偏压VG增大而增大。Xd越大，则Cs越小，C/C0也减小。如图CD段所示电容随表面势发生变化半导体表面与MIS结构解析反型状态：当外加正向偏压(Vs>2VB时)，耗尽层宽度保持在最大xdm反型时，表面空间电容由于qVS>2qVB>>k0T,分母中第二项很快趋于零。MIS电容又增大，并达到C=C0（相当于EF段）（适于信号较低情况）。原因：大量电子在半导体表面积累，绝缘层两边堆积电荷，相当于平行板电容器。半导体表面与MIS结构解析高频时，反型层中的电子的产生与复合跟不上高频信号的变化，即反型层中的电子数量不能随高频信号的变化而变化。反型时，xdm达到最大值，并不随VG变化，耗尽区电容达到极小值并保持不变,反型层中电子对电容没有贡献，空间电荷区的电容仍有耗尽层的变化决定。所以，C/C0=C’min/C0,并保持不随VG变化.如图GH段半导体表面与MIS结构解析对同一种半导体，当温度一定时，C’min/C0为绝缘层厚度d0及衬底掺杂浓度NA的函数。MIS结构的电容与频率有关。当d0也一定时，NA越大，C’min/C0值就越大。利用C’min/C0值，可测定半导体表面的杂质浓度。MIS结构电容-电压特性开始强反型时，低频信号下的电容接近C0半导体表面与MIS结构解析半导体表面与MIS结构解析8.3.2金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性理想MIS结构没有考虑金属和半导体的公函数差的影响。实际中，金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性会产生显著影响。以铝-二氧化硅-p-硅组成的MOS结构为例由于Wsi〉WAl，电子从金属流向半导体因此，在p-硅表面形成负的空间电荷区，金属表面形成正电荷。产生指向半导体的电场，使硅表面层内部向下弯曲。半导体表面与MIS结构解析半导体中电子的电势能相对于金属的接触电势差

qVms=Ws-Wm这是由于金属和半导体功函数的不同，虽然外加偏压为零，半导体表面并不处于平带。为了使半导体处于平带，需加一个负电压。以抵消两边功函数不同引起的电场和能带弯曲。所加的电压称为平带电压。使理想MIS结构的C-