半导体物理学第八章

一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构九．半导体异质结构半导体物理学第8章半导体表面与MIS结构8.1表面态8.2表面电场效应8.3MIS结构的电容一电压特性8.4硅一二氧化硅系统的性质8.5表面电导及迁移率8.6表面电场对pn结特性的影响MIS结构MIS结构理想情况–金属与半导体间功函数差为零–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界面态能带图能带图-1•无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲偏压时MOS结构表面能带弯曲过渡区：平带？外加偏置FlatBand★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定性图象:设半导体表面外有电场i(或写作Vg，栅压，以指向半导体表面为正).半导体i0(VS0)i0(VS0)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p型i0(VS0)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220()=rdVxdx()()()DAxenpepn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)♦单位面积的半导体空间电荷层电容Csc(Vs)应用C-V特性研究表面空间电荷层0SCrsSQESCSSQCV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MIS电容：P型半导体0绝缘层电容C0和半导体空间电荷区电容Cs高频时反型层电子浓度变化跟不上频率变化，只有空间电荷层变化MIS电容电容的定义:MIS电容实验结果图8-6理想MOS结构金属-氧化物(SiO2)-半导体(Si)（MOS）结构是主流半导体器件CMOS的重要组成部分，典型的结构如Al/SiO2/p-Si，其基本的能带结构参数如下图所示。MOS场效应管MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流。P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极(s)和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极(g)。金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-semiconductor)电路符号gds23MOS晶体管基本结构与工作原理n型MOS管p掺杂半导体衬底nn导体绝缘体漏极栅极源极耗尽型电路符号栅极源极漏极衬底增强型电路符号栅极源极漏极衬底p型MOS管n掺杂半导体衬底pp导体绝缘体漏极栅极源极栅极源极漏极衬底栅极源极漏极衬底耗尽型电路符号增强型电路符号图2.8MOS管的物理结构与电路符号欧姆接触25工作原理：如果没有任何外加偏置电压，这时，从漏到源是两个背对背的二极管。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。在栅电极下没有导电沟道形成。如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，从静电学的观点看，这一正的栅电压将要排斥栅下的P型衬底中的可动的空穴电荷而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的P型层将变成N型层，即呈现反型。N反型层与源漏两端的N型扩散层连通，就形成以电子为载流子的导电沟道。26引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压VT。往往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度，从而改变阈值电压。阈值电压VT27改变阈值电压对NMOS晶体管而言，注入P型杂质，将使阈值电压增加。反之，注入N型杂质将使阈值电压降低。如果注入剂量足够大，可使器件沟道区反型变成N型的。这时，要在栅上加负电压，才能减少沟道中电子浓度，或消除沟道，使器件截止。在这种情况下，阈值电压变成负的电压，称其为夹断电压。28根据阈值电压不同，常把MOS器件分成增强型和耗尽型两种器件。对于N沟MOS器件而言，将阈值电压VT＞0的器件称为增强型器件，阈值电压VT＜0的器件，称为耗尽型器件。在CMOS电路里，全部采用增强型的NMOS和PMOS。29图(a)VgsVT,Vds=0V(b)VgsVT,VdsVgs-VT(c)VgsVT,VdsVgs-VT沟道不再伸展到漏极，处于夹断状态，夹断处的电压降保持在VdsVgs-VT。三个区域二维电子气目前,二维电子气主要以下面三个方式实现1,MOSFET2,超晶格3,液He表面MOSFET示意图课堂练习8MIS结构中如果绝缘层厚度d0，相对介电常数为，问绝缘层电容C0=？MIS结构中存在绝缘层电容和半导体空间电荷层电容，试写出总电容与这两个电容的关系。r