半导体mis结构ppt

半导体表面态与表面电场效应————贾鹏飞表面态表面处晶体的周期场中断；表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；表面往往要特殊保护措施，如钝化表面是器件制备的基础，如MOSFET等一、表面的特殊性达姆在1932年用量子力学严格证明，晶体的自由表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，电子被局域在表面附近，这种电子状态称为表面态，所对应的能级为表面能级。每个表面原子对应一个能级，组成表面能带。表面态定义理想一维晶体表面态220202220(0)2()(0)2dVExmdxdVxExmdxxV(x)V0E0a()()VxaVxEV0第一组解：等同于一维无限周期场的解第二组解：对应于表面态'''12001212()()exp(0)()()(0)ikxkxkmVExAxxxAuxeex薛定谔方程为'''12001212()()exp(0)()()(0)ikxkxkmVExAxxxAuxeex在表面x=0两边，波函数指数衰减，说明电子分布几率主要集中在x=0处，即电子被局限在表面附近每个表面原子对应禁带中一个表面能级，这些能级组成表面能带。SiSiSiSiSiSiSi硅表面悬挂键示意图悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴获得电子—带负电获得空穴—带正电硅表面原子密度∽1015cm-2,悬挂键密度也应为∽1015cm-2从化学键方面分析，在晶体最外层的原子存在未配对的电子，即未饱和的键－－悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。除了上述表面态外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。表面缺陷和吸附原子这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法有关；而达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值大约为1015cm-2(每个表面原子对应禁带中的一个能级)，实际上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010～1015cm-2。三、真实表面1.清洁表面：在超高真空(UHV)(～10-9Torr)环境中解理晶体，可以在短时间内获得清洁表面，但与理想表面不同：解理后的表面易形成再构2.真实表面自然氧化层（~nm）－大部分悬挂键被饱和，使表面态密度降低表面态密度1010~1012cm-2（施主型、受主型）3.界面掺杂不同－Sipn(同质结)、不同半导体－异质结金半接触－肖特基接触晶粒间界－多晶结构金属－氧化物－半导体－MOSFET半导体表面效应支配着大部分半导体器件的特性。MOS（金属—氧化物—半导体）器件电荷耦合器件CCD表面发光器件等利用半导体表面效应半导体表面研究，半导体表面理论发展，对改善器件性能，提高器件稳定性，探索新型器件等具有重要意义。OSM表面电场效应如图装置是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C0CsVGMIS结构示意图MIS结构的等效电路现在理想情况假设MIS结构满足以下条件：（1）金属与半导体功函数差为0；（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及表面势VG=0时，理想MIS结构的能带图MISEFmECEiEFsEVECIEVI金属绝缘层半导体欧姆接触VG0时，金属绝缘层半导体欧姆接触ECEVEFQmQsMIS结构实际是一个电容MIS++++0d加电压后，金属和半导体两个面内要充电(Qm=-Qs)金属中，自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度范围之内半导体中，自由载流子密度低，对应Qs的电荷分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层叫空间电荷区VG0时，MIS结构的能带图空间电荷区能带发生弯曲----MIS++++0dECEVEF0dqVS空间电荷区内：1)空间电场逐渐减弱2)电势随距离逐渐变化能带弯曲表面势(Vs)：空间电荷区两端的电势差表面电势比内部高，VS0;表面电势低于内部，VS0电子能量增加空穴能量增加ECEVEF0dqVSQmVsQs能带弯曲++-↓--+↑随金属和半导体间所加电压VG（栅电压）的不同，空间电荷区内电荷分布可归纳为以下几种(以p型半导体为例)：堆积平带耗尽少数反型金属绝缘层半导体欧姆接触1．多数载流子堆积状态金属与半导体间加负电压（金属接负）时，表面势为负，表面处能带上弯，如图示。ECEVEFEiVG0MISE多子堆积热平衡下，费米能级应保持定值。随着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过费米能级，价带中空穴浓度随之增加。表面层出现空穴堆积而带正电荷。越接近表面空穴浓度越高，堆积的空穴分布在最靠近表面的薄层内。ECEVEFEiVG0MISMISEFmECEiEFsEVECIEVI2.平带状态VG=0半导体表面能带平直，无弯曲3．多子耗尽状态金/半间加正电压（金属接正）时，表面势Vs为正，表面处能带向下弯曲，如图示。VG0ECEVEiEF多子耗尽越近表面，费米能级离价带顶越远，价带中空穴浓度随之降低。表面处空穴浓度比体内低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称做耗尽。VG0ECEVEiEF多子耗尽4．少子反型状态金/半间的正电压进一步增大，表面处能带进一步向下弯曲。表面处EF超过Ei，费米能级离导带底比离价带顶更近。ECEVEiEF少子反型VG0表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原来半导体衬底导电类型相反的层---反型层。ECEVEiEF少子反型VG0反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成，一是耗尽层中已电离的受主负电荷，一是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区。ECEVEiEF少子反型VG0通过解泊松方程定量地求出表面层中电场强度和电势的分布，以分析表面空间电荷层的性质。εrs半导体相对介电常数，(x)总空间电荷密度半导体内部，电中性条件成立(x)=0np0:半导体体内平衡电子浓度Pp0:半导体体内平衡空穴浓度根据上式经过数学的变换推导就可以得出和F函数就可以做出Cs和Vs图像积累平带耗尽弱反型强反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4这是以P型半导体为例做出的图像通过它就能对MIS结构的c-v特性进行研究归纳：多子堆积VG=0平带状态ECEVEFEiVG0MISMISEFmECEiEFsEVECIEVIVG0ECEVEiEF多子耗尽ECEVEiEF少子反型VG0MIS的应用MIS器件的功能主要决定于其中绝缘体层的厚度：（1）假若绝缘体层的厚度足够大（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大于5nm），则基本上不导电，这时即为MIS电容器；（2）假若绝缘体层的厚度足够薄（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大约为1nm），则绝缘体基本上不起阻挡导电的作用（阻抗极小），这时即为Schottky二极管；（3）假若绝缘体层的厚度不是很薄、也不是很厚（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大约为1nm～5nm），则这时载流子有较大的几率通过隧道效应而穿过绝缘体层，这种结构的器件即称为MIS隧道二极管。（二）MIS隧道器件：由于MIS隧道二极管的独特性能，具有许多用途，现在已经发展成了一大族的器件（MIS隧道器件），如MIS太阳电池、MIS开关管、MIM隧道二极管、MIMIM隧道晶体管等。谢谢！