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.pdf

第八章 半导体表面和第八章 半导体表面和MIS结构结构 主 讲：施 建 章主 讲：施 建 章 E-Mail: jzhshi 西安电子科技大学技术物理学院西安电子科技大学技术物理学院 二零零七年九月二零零七年九月 主要内容主要内容 ?表面态概念表面态概念 ?表面电场效应表面电场效应 ?硅-二氧化硅系统性质硅-二氧化硅系统性质 ?MIS结构电容-电压特性结构电容-电压特性 ?表面电场对表面电场对pn结特性的影响结特性的影响 几个基本概念几个基本概念 ?表面表面：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。 ：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。 ?界面界面：不同物质之间或不同相之间的分界面。：不同物质之间或不同相之间的分界面。 ?理想表面理想表面：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。 ：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！理想晶体中假想的分界面！ ?实际表面实际表面： ?清洁表面清洁表面：没有杂质吸附和氧化层的实际表面。：没有杂质吸附和氧化层的实际表面。 ?真实表面真实表面：含有氧化物或其它杂质、化合物以及物理吸附的实际 表面。 ：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：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 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表面态。 ?分类：分类： ?本征表面态本征表面态：清洁表面的电子状态；：清洁表面的电子状态； ?外诱表面态外诱表面态：存在杂质、吸附原子和其它不完整性时 的表面电子状态。 ：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。 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。 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。 ?对于Si：清洁表面为10对于Si：清洁表面为1015 15/cm /cm2 2； 真实表面为10； 真实表面为1011 1110 1012 12/cm /cm2 2。 表 面 态表 面 态 ?测量表明硅的表面能级有两种，一是测量表明硅的表面能级有两种，一是施主能级施主能级，靠近 带；另一为 ，靠近 带；另一为受主能级受主能级，靠近导带。，靠近导带。 *与一般情况向反！*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： 根据表面态与体内交换电子的速率不同，表面态可分 两种： ?快态快态：毫秒级或更短；：毫秒级或更短； ?慢态慢态：毫秒级以上至几小时。：毫秒级以上至几小时。 表 面 态表 面 态 表面电场的产生表面电场的产生 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； 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； 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； 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； 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； 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； 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； 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； 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。 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空间电荷层与表面势 空间电荷层空间电荷层 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。 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。 表面电势表面电势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 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，则表面处的电势Vs称为称为。 表面层载流子浓度表面层载流子浓度 说明说明 我们把表面电势我们把表面电势Vs 0，因而电荷分布不同于体内的表面区域叫，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 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。有关，故会表现出电容效应。 ) )( ()( Tk xqV expnxn 0 0s =) )( ()( Tk xqV exppxp 0 0s = 表面空间电荷层的六种基本状态表面空间电荷层的六种基本状态 ?以p型半导体为例!以p型半导体为例! （a）平坦能带状态（a）平坦能带状态 表面电场为E=0，表面电势也为零；表面电场为E=0，表面电势也为零； n ns s=n=np0 p0，p ，ps s=p=pp0 p0，表面电荷为零； ，表面电荷为零； 但表面电容不为零，而有一确定值。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表面空间电荷层的六种基本状态 ?以p型半导体为例!以p型半导体为例! （b）多数载流子的堆积状态（b）多数载流子的堆积状态 表面电场E由体内指向体表，表面电场E由体内指向体表， 表面电势Vs为负，能带上弯；表面电势Vs为负，能带上弯； n ns spp0 p0，表面电荷不为零； ，表面电荷不为零； 表面空间电荷层的六种基本状态表面空间电荷层的六种基本状态 ?以p型半导体为例!以p型半导体为例! （c）耗尽状态（c）耗尽状态 表面电场E由体表指向体内且不是 很大，E 表面电场E由体表指向体内且不是 很大，Ei iEEF F； 表面电势Vs为正，能带由体内向体 表下弯，V 表面电势Vs为正，能带由体内向体 表下弯，VB BVVs s0；0； n ns snnp0 p0，但小于过剩电离受主； ，但小于过剩电离受主； p ps s0； n ns s=p=ps s=n=ni i； 表面本征状态表面本征状态是从耗尽转为弱反型 的临界点。 是从耗尽转为弱反型 的临界点。 （e）反型状态（e）反型状态 表面电场E由体表指向体内且逐渐增大，E表面电场E由体表指向体内且逐渐增大，Ei i与E与EF F相交；相交； 表面处电势Vs为正，能带由体内向体表下弯，V表面处电势Vs为正，能带由体内向体表下弯，Vs sVVB B0；n0；ns spps s，成，成 n n型电导；交点后仍是空穴耗尽层。型电导；交点后仍是空穴耗尽层。 弱反型状态弱反型状态：p：pp0 p0n ns spps s； 强反型状态强反型状态：n：ns sppp0 p0p ps s； 强反型出现的条件强反型出现的条件：V：Vs s2V2VB B。 表面空间电荷层的六种基本状态表面空间电荷层的六种基本状态 ?以p型半导体为例!以p型半导体为例! （f）深耗尽状态（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 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非平衡状态就叫深耗尽层。 表面电场效应表面电场效应 ?理想MIS结构理想MIS结构 （1）（1）金属与半导体间的功函数差为零；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。 （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及表面势 ?空间电荷层成因：参见前面。空间电荷层成因：参见前面。 ?表面电势：表面电势： 空间电荷层两端的电势差为表面势，以V空间电荷层两端的电势差为表面势，以Vs s表示之，规 定表面电势比内部高时，V 表示之，规 定表面电势比内部高时，Vs s取正值；反之V取正值；反之Vs s取负值。取负值。 ?三种典型情况：三种典型情况： 多子堆积、多子耗尽和少子反型。多子堆积、多子耗尽和少子反型。 ?以p型半导体为例：以p型半导体为例： 1. 1. 多数载流子堆积状态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。 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的空间电荷分布的空间电荷分布 ?以p型半导体为例：以p型半导体为例： 2. 2. 多数载流子耗尽状态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。 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的空间电荷分布的空间电荷分布 ?以p型半导体为例：以p型半导体为例： 3. 3. 少数载流子反型状态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。 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的空间电荷分布的空间电荷分布 对于n 型半导体，其分析过程相似：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。金属与半导体间加高负压，少子反型。 MIS的空间电荷分布的空间电荷分布 MIS的空间电荷分布的空间电荷分布 表面空间电荷层的电场表面空间电荷层的电场 ?规定规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表面 处为 轴垂直于表面指向半导体内部，表面 处为x轴原点。轴原点。 ?采用一维近似处理方法。空间电荷层中电势 满足泊松方程 采用一维近似处理方法。空间电荷层中电势 满足泊松方程 ?其中其中 0 2 2 )( rs x dx Vd = )()( ppAD nppnqx+= + ?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 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 ?在半导体内部，电中性条件成立，故在半导体内部，电中性条件成立，故 ?即即 ?代入泊松方程可得代入泊松方程可得 )exp( 0 0 Tk qV nn pp = )exp( 0 0 Tk qV pp pp = 0)( 表面空间电荷层的电场表面空间电荷层的电场 =x 00ppAD pnpn= + ?上式两边乘以dV并积分，得到上式两边乘以dV并积分，得到 ?将上式两边积分，并且电场强度，可得将上式两边积分，并且电场强度，可得 dV Tk qV n Tk qV p q dx dV d dx dV V pp rs dx dV = 0 0 0 0 0 0 0 1)exp( 1)exp()( dx dV E= | 表面空间电荷层的电场表面空间电荷层的电场 1)exp( 1)exp( 0 0 0 0 0 2 2 = Tk qV n Tk qV p q dx Vd pp rs 1)exp( 1)exp( 2 ) 2 ( 000 0 0000 0 2 20 2 += Tk qV Tk qV p n Tk qV Tk qV Tk pq q Tk E p p rs p ?令令 ?分别称为德拜长度 ，F函数。则电场强度为分别称为德拜长度 ，F函数。则电场强度为 ?式中当V大于0时，取式中当V大于0时，取“+ +”号；小于0时，取号；小于0时，取“- -”号。号。 ),( 2 0 0 0 0 p p D p n Tk qV F qL Tk E= 表面空间电荷层的电场表面空间电荷层的电场 2 1 00 0 2 ) 2 ( Tk pq L 1 rs p D = 2 1 000 0 000 0 0 1)exp( 1)exp(),(+= Tk qV Tk qV p n Tk qV Tk qV p n Tk qV F p p p p ?在表面处在表面处V=Vs，故半导体表面处的电场强度为，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 与表面处的