西安电子科技大学半导体物理课件——第八章 半导体表面和MIS结构

第八章半导体表面和MIS结构主讲：施建章E-Mail:[e-mail]西安电子科技大学技术物理学院二零零七年九月主要内容™表面态概念™表面电场效应™硅-二氧化硅系统性质™MIS结构电容-电压特性™表面电场对pn结特性的影响几个基本概念9表面：固体与真空之间的分界面，不具有体内三维周期性的原子层。9界面：不同物质之间或不同相之间的分界面。9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晶体表面。——理想晶体中假想的分界面！9实际表面：¾清洁表面：没有杂质吸附和氧化层的实际表面。¾真实表面：含有氧化物或其它杂质、化合物以及物理吸附的实际表面。™定义：由于晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，从而在禁带中引入附加能级。这些附加能级上的电子将定域在表面层中，并沿与表面相垂直的方向向体内指数衰减。这些附加的电子能态就是表面态。™分类：™本征表面态：清洁表面的电子状态；™外诱表面态：存在杂质、吸附原子和其它不完整性时的表面电子状态。表面态™晶界的表面态密度是很高的。如果忽略自旋影响，则表面态的数目就等于表面原子的数目。™晶界的表面态密度是不稳定的，随表面处的缺陷和吸附状态而改变。这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。™实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低。9对于Si：清洁表面为1015/cm2；真实表面为1011~1012/cm2。表面态™测量表明硅的表面能级有两种，一是施主能级，靠近带；另一为受主能级，靠近导带。***与一般情况向反！！™根据表面态与体内交换电子的速率不同，表面态可分两种：9快态：毫秒级或更短；9慢态：毫秒级以上至几小时。表面态表面电场的产生①表面态和体内电子态之间交换电子可以产生垂直于表面的电场；②当金属和半导体接触时，因功函数的不同，会形成接触电势差，从而产生一个垂直于表面的电场；③半导体表面的氧化层或其它的绝缘层中存在的各种电荷，以及吸附的各种离子等，也会产生垂直于表面的电场；④在MOS或MIS的金属栅极和半导体间施加电压时，也会产生垂直于表面的电场；⑤离子晶体的表面或界面处存在过剩电荷时，会产生垂直于表面的电场。空间电荷层与表面势①空间电荷层为了屏蔽表面电场的作用，在半导体表面会形成有一定宽度的空间电荷层，其宽度通常在零点几到几个微米之间。②表面电势Vs为了描述能带弯曲的方向和程度所引入的一个参量。常取半导体内的电势为0，则表面处的电势Vs称为~。③表面层载流子浓度④说明我们把表面电势Vs≠0，因而电荷分布不同于体内的表面区域叫“表面空间电荷层”。表面电场的作用可以改变半导体的表面电导；表面空间电荷层的电荷与V(x)有关，故会表现出电容效应。))(()(TkxqVexpnxn00s=))(()(TkxqVexppxp00s−=表面空间电荷层的六种基本状态™以p型半导体为例!（a）平坦能带状态表面电场为E=0，表面电势也为零；ns=np0，ps=pp0，表面电荷为零；但表面电容不为零，而有一确定值。表面空间电荷层的六种基本状态™以p型半导体为例!（b）多数载流子的堆积状态表面电场E由体内指向体表，表面电势Vs为负，能带上弯；nsnp0，pspp0，表面电荷不为零；表面空间电荷层的六种基本状态™以p型半导体为例!（c）耗尽状态表面电场E由体表指向体内且不是很大，EiEF；表面电势Vs为正，能带由体内向体表下弯，VBVs0；nsnp0，但小于过剩电离受主；pspp0，表面空间电荷层的空穴浓度减少，使得电离受主过剩，称为空穴耗尽状态。表面空间电荷层的六种基本状态™以p型半导体为例!（d）表面本征状态表面电场E由体表指向体内且逐渐增大，Ei=EF；表面电势Vs为正，能带由体内向体表下弯，VB=Vs0；ns=ps=ni；表面本征状态是从耗尽转为弱反型的临界点。（e）反型状态表面电场E由体表指向体内且逐渐增大，Ei与EF相交；表面处电势Vs为正，能带由体内向体表下弯，VsVB0；nsps，成n型电导；交点后仍是空穴耗尽层。弱反型状态：pp0nsps；强反型状态：nspp0ps；强反型出现的条件：Vs≥2VB。表面空间电荷层的六种基本状态™以p型半导体为例!（f）深耗尽状态表面电场E由体表指向体内，幅值大，且变化快；则在刚开始时，少子来不及产生，故没有反型层。为了屏蔽外场，只有将更多的多子进一步推向体内，由更宽的耗尽层中的电离受主来承担。这种非平衡状态就叫深耗尽层。表面电场效应™理想MIS结构（1）金属与半导体间的功函数差为零；（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。空间电荷层及表面势™空间电荷层成因：参见前面。™表面电势：空间电荷层两端的电势差为表面势，以Vs表示之，规定表面电势比内部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。™三种典型情况：多子堆积、多子耗尽和少子反型。™以p型半导体为例：1.多数载流子堆积状态金属与半导体表面加负压，表面势为负，表面处能带向上弯曲。MIS的空间电荷分布™以p型半导体为例：2.多数载流子耗尽状态金属与半导体表面加正压，表面势为正，表面处能带向下弯曲，表面处空穴远低于体内空穴浓度。MIS的空间电荷分布™以p型半导体为例：3.少数载流子反型状态当金属与半导体表面间正压进一步增大，表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量，形成反型层。半导体空间电荷层的负电荷由两部分组成：耗尽层中已经电离的受主负电荷和反型层中的电子。MIS的空间电荷分布对于n型半导体，其分析过程相似：™金属与半导体间加正压，多子堆积；™金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽；™金属与半导体间加高负压，少子反型。MIS的空间电荷分布MIS的空间电荷分布表面空间电荷层的电场9规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表面处为x轴原点。9采用一维近似处理方法。空间电荷层中电势满足泊松方程9其中022)(εερrsxdxVd−=)()(ppADnppnqx−+−=−+ρ9设半导体表面层仍可以使用经典分布，则在电势为V的x点（半导体内部电势为0），电子和空穴的浓度分别为9在半导体内部，电中性条件成立，故9即9代入泊松方程可得)exp(00TkqVnnpp=)exp(00TkqVpppp−=0)(表面空间电荷层的电场=xρ00ppADpnpn−=−−+™上式两边乘以dV并积分，得到™将上式两边积分，并且电场强度，可得dVTkqVnTkqVpqdxdVddxdVVpprsdxdV∫∫−−−−−=0000000]}1)[exp(]1)[exp({)(εεdxdVE−=||表面空间电荷层的电场]}1)[exp(]1)[exp({0000022−−−−−=TkqVnTkqVpqdxVdpprsεε]}1)[exp(]1)]{[exp(2[)2(0000000002202−−+−+−=TkqVTkqVpnTkqVTkqVTkpqqTkEpprspεε™令™分别称为德拜长度，F函数。则电场强度为™式中当V大于0时，取“+”号；小于0时，取“-”号。),(20000ppDpnTkqVFqLTkE±=表面空间电荷层的电场210002)2(TkpqL1rspDεε=21000000000]}1)[exp(]1){[exp(),(−−+−+−=TkqVTkqVpnTkqVTkqVpnTkqVFpppp™在表面处V=Vs，故半导体表面处的电场强度为™根据高斯定理，表面电荷面密度Qs与表面处的电场强度有如下关系™代入可得™当金属电极为正，即Vs0，Qs用负号；反之Qs用正号。),(20000ppsDspnTkqVFqLTkE±=，srssEQ0εε−=表面空间电荷层的电荷),(200000ppsDrsspnTkqVFqLTkQεεm=™在单位表面积的表面层中空穴的改变量为™因为™考虑到x=0，V=Vs和x=∞，V=0，则得∫∫∞∞−−=−=Δ00000]1)[exp()(dxTkqVpdxpppppp||EdVdx−=表面空间电荷层的电荷∫−−=Δ0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpp™同理可得™由微分电容的定义可得（单位F/m2）∫−=Δ0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpn表面空间电荷层的电容),(]}1)[exp(]1)exp({[00000000ppsppsDrsssspnTkqVFTkqVpnTkqVLVQC−++−−=∂∂=εε