半导体物理分章答案第八章.ppt

第八章 半导体表面与MIS结构 Semiconductor surface and metal-insulator-semiconductor structure,沈阳工业大学电子科学与技术系,重点：,表面态概念 表面电场效应 MIS结构电容-电压特性 硅-二氧化硅系统性质,MIS结构,8.1 表面态,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。,晶格周期性在表面处中断或其它因素而引起的局（定）域在表面附近的电子态。理想表面上形成的表面态称为达姆表面态。,表面态：,与表面态相应的能级称为表面能级。 分布在禁带内的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的分布。,表面能级：,8.2 表面电场效应 Effect of Surface Electric,多子积累状态 耗尽状态 反型状态,理想MIS结构,（1） Wm=Ws ； （2）绝缘层内无电荷，且绝缘层不导电； （3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态； （4）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。,Ec EF EV,金属,半导体,1、空间电荷层(表面电荷层)及表面势,表面电荷层：MIS结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附近形成的电荷区称为表面电荷层。 表面势(Vs)：半导体表面电荷层两端的电势差称为表面势。 规定：表面电势比体内高时，Vs取正值； 表面电势比体内低时，Vs取负值。,（1）多数载流子堆积状态,（1）能带向上弯曲并接近EF；（2）多子在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。,特征,（2）多数载流子耗尽状态,Qs,Qm,（1）表面能带向下弯曲；（2）表面上的多子浓度远少于体内，基本上耗尽，表面带负电。,特征,EC,EV,Ei,EFs,VG0,x,P型半导体,xd,（3）少数载流子反型状态,Qn,Qm,EC,EV,Ei,EFs,VG0,x,P型半导体,xdm,N型半导体,2、表面空间电荷层的电场、电势及电容,（1）表面电场分布,空间电荷层中电势V(x)满足：,由以上方程得到,上式两边乘以dV并积分，得到 将上式两边积分，并根据 得,令，,则 表面处，V = Vs，则半导体表面处的电场强度为：,（2）表面电荷分布Qs,根据高斯定理，表面的电荷面密度为：,（3）表面电容Cs,多数载流子堆积状态（Vs 0）,（4）各种状态下的表面电场、电荷量、电容,平带状态（Vs = 0）,耗尽状态（Vs 0，Qs 0）,反型状态（强反型、弱反型）,临界反型时，Vs = VB,表面势费米势,从耗尽到临界强反型状态，空间电荷区电场、电势和电容均可以通过耗尽层近似求得,空间电荷区宽度,设半导体中性区电势为零,空间电荷区电容, 临界强反型时，Vs = 2VB,开启电压： 使半导体空间电荷层处于临界强反型时， 在MIS结构上所加的栅压。, 强反型时，Vs 2VB,（5）关于空间电荷层的讨论,强反型时空间电荷层达到最厚 由8-43式得,当Vs=2VB时xd达到最大 深耗尽现象 反型层中的电子是通过热激发产生的，需要时间。若Vs突变、远大于2VB时，空间电荷只能由多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象 强反型高频条件下， 空间电荷层电容保持最小,8.3 MIS结构的电容-电压特性 C-V characteristics of MIS structure,沈阳工业大学电子科学与技术系,（1）理想MIS结构的电容-电压特性,归一化电容:,多数载流子堆积区（Vs 0）,当|Vs|较大时，C/C0=1。此时从半导体内部到表面可视为导通的，电荷聚集在绝缘层两边。 当|VG|较小时，|Vs|也很小，此时C/C0值随|Vs|减小而下降。,平带状态（Vs = 0，Qs 0）,耗尽状态（Vs 0）,强反型后（Vs 0）,A. 低频时,少子的产生-复合跟得上小信号的变化。,强反型后（Vs 0）,B. 高频时,反型层电荷对MIS电容没有贡献。,讨 论,（1）用电荷面密度与Vs的定性关系解释C-V特性 （2） C-V特性与频率有关，可利用高频特性判断半导体的导电类型 （3）MIS结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，利用C-V特性测试d0及掺杂浓度,（2）金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响,例：当Wm Ws 时（P型半导体）将导致C-V特性曲线向负栅压方向移动。,平带电压：使零偏时产生的能带弯曲恢复到平带状态所需加的栅压称为。,（3）绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响,当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为,当绝缘层中有分布电荷,8. 4 硅-二氧化硅系统的性质 Characteristics of Si-SiO2 System,1. 二氧化硅中的可动离子 2. 二氧化硅中的固定表面电荷 3. 在硅二氧化硅界面处的快界面态 4.二氧化硅中的陷阱电荷,（1）二氧化硅中的可动离子,二氧化硅中的可动离子有Na、K、H等，其中最常见的是Na离子，对器件稳定性影响最大。 来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等 二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的四面体，呈无规则排列的多孔网络结构，从而导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。,作偏压温度（B-T）实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的Na离子电荷量： 单位面积钠离子电荷数：,降低碱金属离子影响的工艺方法： (a) 磷稳定化 (b)氯中性化,二氧化硅层中固定电荷有如下特征 电荷面密度是固定的，不随偏压而变化； 这些电荷位于Si-SiO2界面200范围以内 固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响 固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系,（2）二氧化硅中的固定表面电荷,一般认为固定正电荷的实质是过剩硅离子,这些电荷出现在Si-SiO2界面200范围以内，这个区 域是SiO2与硅结合的地方，极易出现SiO2层中的缺陷及 氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子 实验证明，若在硅晶体取向分别为111、110和 100三个方向生长SiO2时，他们的硅二氧化硅结构中 的固定表面电荷密度之比约为3:2:1。 将氧离子注入Si-SiO2系统界面处，在450度进行退火，发现固定表面电荷密度有所下降 将MOS结构加负偏压进行B-T实验，当温度高到一定程度（如350度）时，固定的表面电荷密度有所增加。,固定电荷引起的电压漂移：,功函数差与固定电荷引起的电压漂移：,则单位面积的固定电荷数目为：,（3）硅-二氧化硅界面处的快界面态,快界面态与表面态类似，指未被饱和的悬挂键，位于硅-二氧化硅界面处，形成表面能级，可以快速与半导体的导带或价带交换电荷。之所以称为快界面态是为了与二氧化硅外表面未饱和键以及吸附的分子、原子等所引起的表面态区别开。,硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，同样引入界面态。,界面态的特点： 界面态密度与晶体的晶向有关。 峰值分布：认为界面态能级连续地分布在禁带中，其中有两个高密度峰：一个靠近导带底为受主界面态；另一个靠近价带顶为施主界面态 界面态电荷密度随外加偏置而变，不但可改变平带电压，还会使C-V曲线形状改变。,减少界面态的方法： 将硅-二氧化硅系统在含H的气氛中退火，可显著降低界面态。,（4）二氧化硅中的陷阱电荷,氧化层受到高能磁辐射时，可以在氧化层中产生电子空穴对。在偏压作用下，电子空穴对中的电子容易运动，而漂向电极。空穴则被陷阱所陷，在氧化层中形成正电荷，这就是陷阱电荷。 使C-V特性平移，平带电压为负值。 在300度以上进行退火，可以很快消除。,rm是一个无量纲量，代表氧化层中可动离子电荷中心相对于氧化层厚度的归一化量，如果可动离子全部在金属-氧化层界面，rm=0，如果可动离子全部在二氧化硅-硅界面，rm=1。 通常，QNa、Qfc导致C-V特性曲线相对理论曲线沿电压轴发生平行的负漂移；由于QIT引起的VFB会因所加的偏置不同或正或负，QIT会使特性曲线发生扭曲或扩展。,（5）VFB总结,8.5 表面电导及迁移率 Surface conductivity and mobility,（1）表面电导,表面薄层附加电导 表面势Vs变化引起的平行于表面方向电导的改变量。用方块电导表示。,表面薄层电导：,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 同理可得,（2）表面载流子有效迁移率（表面迁移率）,表面迁移率 载流子在表面层中的平均迁移率。,表面迁移率的特点：载流子的有效迁移率与表面电荷密度有关。表面迁移率的数值比相应的体内迁移率约低一半。,12.1 霍耳效应,霍耳效应：若半导体沿x方向通电流，z方向加磁场，则在y方向将产生横向电场，该现象称为霍耳效应 产生的横向电场称为霍耳电场Ey，它与x方向电流密度Jx和z方向磁感应强度Bz成正比，比例系数成为霍耳系数。,（1）一种载流子的霍耳效应（以p型半导体为例）,稳定条件下，横向电流为零，则,由此可得：,显然，对于p型半导体：,对于p型半导体：,（2）两种载流子的霍耳效应,稳定条件下，横向电流为零，即,同理,（12-33）,（1）,（12-32）,将（12-32）、（12-33）代入（1）式得,（3）霍耳效应的应用,测量迁移率 利用霍耳效应测得的迁移率称为霍耳迁移率,由于载流子在漂移运动的同时还受到热运动的影响，导致利用霍耳效应测得的迁移率与电导迁移率出现偏差，统计分析可得：,强磁场情况下，可认为上式的比值等于1。 达到强磁场须满足的条件为： 其中是霍耳角，是电流Jx与合电场E间的夹角。,制作霍耳器件 利用霍耳效应可实现电流或磁感应强度的测量 在设计霍耳器件时，必须考虑半导体形状对霍耳电压的影响。,f (l / b,) 是由样品形状和霍耳角决定的修正系数，其数值在（0，1）范围内， l / b和越大f (l / b,)越接近1。 l / b4的条件下，可以认为 f (l / b,) = 1,8.6 表面电场对p-n结特性的影响 Effect of Surface field for p-n junction characteristic,（1）表面电场作用下的 p-n 结能带,栅控二极管结构示意图,P区,SiO2层,栅电极（金属层）,VI,VG,N+区,栅控二极管结构示意图,P区,N+区,SiO2层,栅电极（金属层）,VI,VG,VI = 0（p-n结处于平衡态）, VG = 0时 p-n结能带变化由n区和p区之间的自建电压所决定。, VG 0时,开启电压VT 场感应结 感应结最大耗尽层宽度,栅控二极管结构示意图,P区,N+区,SiO2层,栅电极（金属层）,VI