半导体物理总结-讲义.pdf

第二章第二章第二章第二章 半导体中的基本性质半导体中的基本性质半导体中的基本性质半导体中的基本性质 2 1 2 1 半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构 2 1 1 2 1 1 什么是半导体什么是半导体什么是半导体什么是半导体 2 1 2 2 1 2 晶体 多晶和非晶晶体 多晶和非晶晶体 多晶和非晶晶体 多晶和非晶 2 1 3 2 1 3 晶体的周期性和对称性晶体的周期性和对称性晶体的周期性和对称性晶体的周期性和对称性 2 1 4 2 1 4 晶体的晶向和晶面晶体的晶向和晶面晶体的晶向和晶面晶体的晶向和晶面 2 1 5 Si2 1 5 Si GeGe晶体的金刚石结构晶体的金刚石结构晶体的金刚石结构晶体的金刚石结构 2 1 6 2 1 6 化合物半导体和闪锌矿结构化合物半导体和闪锌矿结构化合物半导体和闪锌矿结构化合物半导体和闪锌矿结构 2 1 5 Si2 1 5 Si晶体的晶体的晶体的晶体的金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构 2 1 2 1 半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构 Si Ge等元素半导体结合形成晶体时 具有金刚石结构形式 它以四面体结 构为基础构成 由两个面心立方套构而成 位于不同面心立方中的 等元素半导体结合形成晶体时 具有金刚石结构形式 它以四面体结 构为基础构成 由两个面心立方套构而成 位于不同面心立方中的Si原子的 性质并不等价 因此 金刚石结构 由复式格子组成 半导体 原子的 性质并不等价 因此 金刚石结构 由复式格子组成 半导体Si晶体的这种 晶体结构与其原子结合形成晶体时的结合方式有关 晶体的这种 晶体结构与其原子结合形成晶体时的结合方式有关 第二章第二章第二章第二章 半导体中的基本性质半导体中的基本性质半导体中的基本性质半导体中的基本性质 2 2 2 2 半导体的结合性质半导体的结合性质半导体的结合性质半导体的结合性质 2 2 1 2 2 1 固体的结合和化学键固体的结合和化学键固体的结合和化学键固体的结合和化学键 2 2 2 Si2 2 2 Si原子结构和原子结构和原子结构和原子结构和SiSi晶体的共价键结合晶体的共价键结合晶体的共价键结合晶体的共价键结合 2 2 3 Si2 2 3 Si晶体的四面体结构晶体的四面体结构晶体的四面体结构晶体的四面体结构 晶体的结构通常与原子结合形成晶体时的结合方式有 关 本节将讨论固体结合形成晶体的结合方式和性质 晶体的结构通常与原子结合形成晶体时的结合方式有 关 本节将讨论固体结合形成晶体的结合方式和性质 2 2 2 2 半导体的结合性质半导体的结合性质半导体的结合性质半导体的结合性质 2 2 1 2 2 1 固体的结合和化学键固体的结合和化学键固体的结合和化学键固体的结合和化学键 固体结合的化学键包括 固体结合的化学键包括 离子键离子键 Ionic Bonding 金属键金属键 Metallic Bonding 共价键共价键 Covalent Bonding 范德瓦耳斯键范德瓦耳斯键 van der Waals Bonding 2 2 2 2 半导体的结合性质半导体的结合性质半导体的结合性质半导体的结合性质 2 2 1 2 2 1 固体的结合和化学键固体的结合和化学键固体的结合和化学键固体的结合和化学键 共价键共价键 Covalent Bonding 2 2 3 Si2 2 3 Si晶体结合的四面体结构晶体结合的四面体结构晶体结合的四面体结构晶体结合的四面体结构 2 3 1 2 3 1 薛定谔方程和原子的能级薛定谔方程和原子的能级薛定谔方程和原子的能级薛定谔方程和原子的能级 2 3 2 3 半导体的能带半导体的能带半导体的能带半导体的能带 2 3 2 2 3 2 布洛赫定理和晶体的能带布洛赫定理和晶体的能带布洛赫定理和晶体的能带布洛赫定理和晶体的能带 2 3 3 2 3 3 固体的能带和固体的能带和固体的能带和固体的能带和KK空间空间空间空间 存在半满的能带存在半满的能带 电子占据能带或是 全满或是全空 电子占据能带或是 全满或是全空 金属 半导体 绝缘体的能带金属 半导体 绝缘体的能带金属 半导体 绝缘体的能带金属 半导体 绝缘体的能带 第二章第二章第二章第二章 半导体中的基本性质半导体中的基本性质半导体中的基本性质半导体中的基本性质 2 4 2 4 半导体的输运和导电机制半导体的输运和导电机制半导体的输运和导电机制半导体的输运和导电机制 2 4 1 2 4 1 半导体中电子的状态半导体中电子的状态半导体中电子的状态半导体中电子的状态 2 4 2 2 4 2 有效质量近似有效质量近似有效质量近似有效质量近似 2 4 3 2 4 3 半导体导电的能带论解释半导体的导电半导体导电的能带论解释半导体的导电半导体导电的能带论解释半导体的导电半导体导电的能带论解释半导体的导电 2 4 4 2 4 4 半导体的导电载流子半导体的导电载流子半导体的导电载流子半导体的导电载流子 有效质量近似及其意义有效质量近似及其意义有效质量近似及其意义有效质量近似及其意义 有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响 2 4 1 2 4 1 半导体中的导电载流子半导体中的导电载流子半导体中的导电载流子半导体中的导电载流子 半导体的导带和电子载流子半导体的导带和电子载流子半导体的导带和电子载流子半导体的导带和电子载流子 半导体的价带和空穴载流子半导体的价带和空穴载流子半导体的价带和空穴载流子半导体的价带和空穴载流子 3 1 3 1 本征半导体和本征费米能级本征半导体和本征费米能级本征半导体和本征费米能级本征半导体和本征费米能级 3 1 1 3 1 1 半导体能带的状态密度半导体能带的状态密度半导体能带的状态密度半导体能带的状态密度 3 1 2 3 1 2 半导体载流子的分布函数半导体载流子的分布函数半导体载流子的分布函数半导体载流子的分布函数 3 1 3 3 1 3 本征半导体和本征载流子的浓度本征半导体和本征载流子的浓度本征半导体和本征载流子的浓度本征半导体和本征载流子的浓度 3 1 4 3 1 4 本征费米能级本征费米能级本征费米能级本征费米能级 第三章第三章第三章第三章 平衡态半导体的物理基础平衡态半导体的物理基础平衡态半导体的物理基础平衡态半导体的物理基础 3 1 3 1 本征半导体和本征费米能级本征半导体和本征费米能级本征半导体和本征费米能级本征半导体和本征费米能级 3 1 1 3 1 1 半导体能带的状态密度半导体能带的状态密度半导体能带的状态密度半导体能带的状态密度 第三章第三章第三章第三章 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布 3 1 2 3 1 2 半导体载流子的分布函数半导体载流子的分布函数半导体载流子的分布函数半导体载流子的分布函数 4 4 电子和空穴的浓度电子和空穴的浓度电子和空穴的浓度电子和空穴的浓度 kTEE C fC eNn kTEE V Vf eNp 电子浓度电子浓度 空穴浓度空穴浓度 其中其中 1 本征载流子浓度本征载流子浓度 其中其中Ei是本征半导体的费米能级是本征半导体的费米能级 2 本征费米能级本征费米能级 V CVC fi N NkTEE EEln 22 2 VC i EE E 22 gCV EkTEEkT iVCVC npnN N eN N e 杂质 在半导体晶体中引入的新的原子或离子杂质 在半导体晶体中引入的新的原子或离子 缺陷 晶体按周期性排列的结构受到破坏缺陷 晶体按周期性排列的结构受到破坏 3 2 3 2 非本征半导体非本征半导体非本征半导体非本征半导体 3 2 13 2 1半导体中的掺杂和杂质能级半导体中的掺杂和杂质能级半导体中的掺杂和杂质能级半导体中的掺杂和杂质能级 1 1 施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级 3施主电离 施主向导带释放电子的过程 施主电离 施主向导带释放电子的过程 DCD EE 电离能电离能 2 2 受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级 1 受主杂质 从能带论的角度 受主杂质 从能带论的角度 3 3 施主和受主的特征施主和受主的特征施主和受主的特征施主和受主的特征 受主电离 施主向导带释放电子的过程 受主电离 施主向导带释放电子的过程 DCD EE 电离能电离能 4 N4 N型半导体和型半导体和型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体型半导体型半导体 2 i nnp 热 平 衡 时热 平 衡 时 kTEE C fC eNn kTEE V Vf eNp 3 3 3 3 费米能级费米能级费米能级费米能级 3 3 13 3 1非本征半导体载流子浓度非本征半导体载流子浓度非本征半导体载流子浓度非本征半导体载流子浓度 其中其中 2 g EkT iVC nN N e 随掺杂浓度在禁带中上下变化随掺杂浓度在禁带中上下变化 随施主杂质浓度增加费米能级向导带靠近电子数增加随施主杂质浓度增加费米能级向导带靠近电子数增加 随受主杂质浓度增加费米能级向价带靠近空穴数增加随受主杂质浓度增加费米能级向价带靠近空穴数增加 随温度变化 费米能级表现出不同的变化趋势随温度变化 费米能级表现出不同的变化趋势 3 3 2 3 3 2 非本征费米能级非本征费米能级非本征费米能级非本征费米能级 费米能级的变化费米能级的变化 是电荷守恒原理的具体表达式是电荷守恒原理的具体表达式 npNpnp AAA DDD nNpnpn DDAA nNppNn 1 施主掺杂施主掺杂ND 2 受主掺杂受主掺杂NA 3 施主掺杂施主掺杂ND和受主掺杂和受主掺杂NA 3 3 3 3 3 3 电中性条件电中性条件电中性条件电中性条件 所有电子来自于价带和 施主能级 所有电子来自于价带和 施主能级 0K时 价带和施主能级 全部占据 时 价带和施主能级 全部占据 所有电子来自于价带所有电子来自于价带 0K时 价带全满 受主能 级和导带全空 时 价带全满 受主能 级和导带全空 所有电子来自于价带和 施主能级 所有电子来自于价带和 施主能级 0K时 价带全满 导带 全空 施主 受主能级 发生补偿 时 价带全满 导带 全空 施主 受主能级 发生补偿 非本征载流子浓度与温度的关系非本征载流子浓度与温度的关系 3 3 4 3 3 4 费米能级的温度变化关系费米能级的温度变化关系费米能级的温度变化关系费米能级的温度变化关系 3 4 3 4 重掺杂半导体重掺杂半导体重掺杂半导体重掺杂半导体 3 5 3 5 简并半导体和非简并半导体简并半导体和非简并半导体简并半导体和非简并半导体简并半导体和非简并半导体 第四章第四章第四章第四章 半导体中载流子的运动规律半导体中载流子的运动规律半导体中载流子的运动规律半导体中载流子的运动规律 4 1 1 载流子的热运动和散射机制载流子的热运动和散射机制 4 1 2 电场作用下的定向漂移运动和漂移电流电场作用下的定向漂移运动和漂移电流 4 1 3 半导体的电导和电阻率半导体的电导和电阻率 4 1 4 载流子迁移率载流子迁移率 4 1 5 载流子的速度饱和载流子的速度饱和 4 1 4 1 载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流 4 1 4 1 载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流 4 1 1 4 1 1 载流子的热运动 载流子的热运动 载流子的热运动 载流子的热运动 Thermal motionThermal motion 和散射机制和散射机制和散射机制和散射机制 在热平衡条件下 半导体中导带中的电子或价带中的空穴将 做随机的热运动 按照统计物理规律 其热能 在热平衡条件下 半导体中导带中的电子或价带中的空穴将 做随机的热运动 按照统计物理规律 其热能 Thermal Energy 3 2kT 电子的动能满足 电子的动能满足 其中 Vth 107cm sec 300K 热平衡时 载流子的运动是完全随机 的 因此 净电流为零 热平衡时 载流子的运动是完全随机 的 因此 净电流为零 其中在运动过程中 将遭遇各种散射 机制的散射 其中在运动过程中 将遭遇各种散射 机制的散射 半导体中载流子的散射机制半导体中载流子的散射机制半导体中载流子的散射机制半导体中载流子的散射机制 晶格散射 晶格散射 Lattice scattering 或声子 或声子 Phonon 散射 晶格振动引起 的散射 散射 晶格振动引起 的散射 电离杂质 电离杂质 Ionized impurity 散射 在高掺杂时重要散射 在高掺杂时重要 中性杂质 中性杂质 Neutral impurity 散射 可忽略散射 可忽略 电子 电子或电子 空穴散射 在高载流子浓度情形时重要电子 电子或电子 空穴散射 在高载流子浓度情形时重要 晶格缺陷散射 晶格缺陷散射 Crystal defects 在多晶时重要 在多晶时重要 表面散射效应 表面散射效应 Surface scattering effects 在MOS器件中重要器件中重要 4 1 4 1 载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流 4 1 2 4 1 2 载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流载流子的漂移运动和漂移电流 漂移电流和迁移率漂移电流和迁移率漂移电流和迁移率漂移电流和迁移率 Epqnqjjj pnpn pn pqnq 得到电导率与迁移率的关系式得到电导率与迁移率的关系式 半导体中有电子和空穴两种载流子 电场作用下的电流密度半导体中有电子和空穴两种载流子 电场作用下的电流密度 pn qpqn 1 4 2 4 2 载流子的扩散运动载流子的扩散运动载流子的扩散运动载流子的扩散运动 1 1 载流子的扩散和扩散电流载流子的扩散和扩散电流载流子的扩散和扩散电流载流子的扩散和扩散电流 电子扩散电流 电子扩散电流 dx dn qDj ndiffn 空穴扩散电流 空穴扩散电流 dx dp qDj pdiffp 其中其中Dn和和Dp分别称为扩散系数分别称为扩散系数 2 2 爱因斯坦关系爱因斯坦关系爱因斯坦关系爱因斯坦关系 nnpp kTkT DD qq 4 2 4 2 载流子的扩散运动载流子的扩散运动载流子的扩散运动载流子的扩散运动 3 3 半导体的电流方程半导体的电流方程半导体的电流方程半导体的电流方程 扩散项扩散项 漂移项漂移项 nqDnqj nnn E pqDpqj ppp E 半导体的基本关系式之一 反映了电流连续性半导体的基本关系式之一 反映了电流连续性 m q 这是半导体物理的一个重要表达式 是研究了解半 导体器件载流子迁移率特征的基础 这是半导体物理的一个重要表达式 是研究了解半 导体器件载流子迁移率特征的基础 4 3 4 3 迁移率与杂质浓度和温度关系迁移率与杂质浓度和温度关系迁移率与杂质浓度和温度关系迁移率与杂质浓度和温度关系 111 1 321 321 PPP 1111 321 存在多种散射 机制时 总的 迁移率表达式 存在多种散射 机制时 总的 迁移率表达式 4 3 1 4 3 1 散射与迁移率的关系散射与迁移率的关系散射与迁移率的关系散射与迁移率的关系 1 1 强电场下的速度饱和强电场下的速度饱和强电场下的速度饱和强电场下的速度饱和 4 3 2 4 3 2 载流子的强场效应载流子的强场效应载流子的强场效应载流子的强场效应 2 2 强场下的热载流子效应强场下的热载流子效应强场下的热载流子效应强场下的热载流子效应 4 4 非平衡情形的过剩载流子非平衡情形的过剩载流子 4 4 1 非平衡情形下过剩载流子的产生非平衡情形下过剩载流子的产生 非平衡载流子的电中性条件非平衡载流子的电中性条件 小注入条件小注入条件 4 4 2 过剩载流子的复合过剩载流子的复合 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 扩散长度扩散长度 4 4 3 载流子的产生和符合的机制及其特征载流子的产生和符合的机制及其特征 4 4 4 SRH理论理论 4 4 5 表面复合表面复合 4 4 3 4 4 3 载流子的复合载流子的复合载流子的复合载流子的复合 Recombination Recombination 机制机制机制机制 直接复合直接复合 direct recombination 导带电子与价带 空穴直接跃迁复合 导带电子与价带 空穴直接跃迁复合 间接复合间接复合 indirect 导带电子与价带空穴通过禁带 中的复合中心辅助发生复合 导带电子与价带空穴通过禁带 中的复合中心辅助发生复合 俄歇复合俄歇复合 复合过程需要同时满足动量守恒和能量守恒原理 复合过程需要同时满足动量守恒和能量守恒原理 直接禁带半导体 导带底与价带顶的直接禁带半导体 导带底与价带顶的 k 值相同值相同 间接禁带半导体 导带底与价带顶的间接禁带半导体 导带底与价带顶的 k 值不同值不同 仍然考虑间接复合的仍然考虑间接复合的4个微观过程个微观过程 4 4 4 SHR4 4 4 SHR理论理论理论理论 4 5 准费米能级准费米能级 4 5 1 准平衡态和准费米能级准平衡态和准费米能级 4 5 2 准平衡下载流子的表达式准平衡下载流子的表达式 4 6 半导体的基本物理方程半导体的基本物理方程 4 6 1 Poisson方程Poisson方程 4 6 2 静电势相关的载流子浓度表达式静电势相关的载流子浓度表达式 4 6 3广义欧姆定律广义欧姆定律 4 6 4 电流密度方程的各种表达式电流密度方程的各种表达式 4 6 5 电流连续方程电流连续方程 第五章第五章第五章第五章 半导体半导体半导体半导体PNPNPNPN结结结结 本章将首先讨论本章将首先讨论PN结结构 结结构 5 1 平衡平衡PN结特征结特征 5 2 偏置偏置PN结及其结及其IV特性特性 5 3 PN结电容结电容 5 4 深能级瞬变谱深能级瞬变谱 5 1 1 PN结的平衡能带图结的平衡能带图 5 1 2 PN结的自建势结的自建势 5 1 3 空间电荷区空间电荷区 5 1 4 突变结和耗尽近似突变结和耗尽近似 5 1 5 Poisson方程和电势分布及耗尽层宽度方程和电势分布及耗尽层宽度Wd 5 1 5 1 平衡平衡平衡平衡PNPN结的特征结的特征结的特征结的特征 5 2 1 PN结的偏置及其能带图结的偏置及其能带图 5 2 2 准费米能级及其空间变化特征和载流子分布准费米能级及其空间变化特征和载流子分布 5 2 3 过剩少子与平衡少子的关系过剩少子与平衡少子的关系 5 2 4 PN结中载流子的输运和结中载流子的输运和PN结的结的IV特性特性 5 2 5 2 偏置偏置偏置偏置PNPN结及其结及其结及其结及其IVIV特性特性特性特性 5 3 5 3 PNPN结电容结电容结电容结电容 5 3 15 3 1空间电荷区势垒电容空间电荷区势垒电容空间电荷区势垒电容空间电荷区势垒电容 5 3 2 5 3 2 过剩少子的扩散电容过剩少子的扩散电容过剩少子的扩散电容过剩少子的扩散电容 V Q CT dV dQ CT 电容是描述电子系统电荷存储能力的物理量 电容定义为 电容是描述电子系统电荷存储能力的物理量 电容定义为 电子扩散电容电子扩散电容电子扩散电容电子扩散电容BnDn tI kT q C pEpDp I kT q C pEpBnDpDnD ItI kT q CCC pEnB B pE EpE BB nB pEp Bn Dp Dn D W D NL NW D I tI C C 2 2 pE B B E Dp Dn L W N N C C 2 空穴扩散电容空穴扩散电容空穴扩散电容空穴扩散电容 总的扩散电容总的扩散电容总的扩散电容总的扩散电容 比较扩散电容的大小比较扩散电容的大小比较扩散电容的大小比较扩散电容的大小 其中其中NE和和NB是掺杂浓度是掺杂浓度 考虑考虑n端相对于空穴扩散长度是宽的 而在端相对于空穴扩散长度是宽的 而在p端相对于电子的扩散长度是短 的 于是有 端相对于电子的扩散长度是短 的 于是有 5 3 PN5 3 PN结电容结电容结电容结电容 5 3 2 5 3 2 扩散电容 扩散电容 扩散电容 扩散电容 Diffusion CapacitanceDiffusion Capacitance 5 4 PN5 4 PN结的击穿结的击穿结的击穿结的击穿 PN结加高的反向偏置电压后 将可能发生击穿现象 结加高的反向偏置电压后 将可能发生击穿现象 PN结中主要的击穿机制包括两类 结中主要的击穿机制包括两类 A 雪崩击穿雪崩击穿 B 齐纳击穿齐纳击穿 反偏情形下的能带图为 反偏情形下的能带图为 在高的反偏电压下 空间电荷区 中的电场可以很高 可对载流子 有大的的加速作用 另一方面 能带可以有很大的畸变 空间电 荷区导带与价带的间距变窄 在高的反偏电压下 空间电荷区 中的电场可以很高 可对载流子 有大的的加速作用 另一方面 能带可以有很大的畸变 空间电 荷区导带与价带的间距变窄 第六章第六章第六章第六章 金属金属金属金属 半导体 半导体 半导体 半导体 M SM S 接触 接触 接触 接触 ContactContact 本章我们将介绍金属与半导体接触的能带特征以及载流子在本章我们将介绍金属与半导体接触的能带特征以及载流子在 M S结构中的输运规律 结构中的输运规律 6 1 金属金属 半导体接触和肖特基势垒半导体接触和肖特基势垒 理想理想M S接触的平衡能带图接触的平衡能带图 理想肖特基 理想肖特基 Schottky 势垒及其高度 势垒及其高度 6 2 实际肖特基势垒高度的调制实际肖特基势垒高度的调制 M S中的镜像力和镜像力引起的势垒降低中的镜像力和镜像力引起的势垒降低 M S接触中的界面 表面 态及其对势垒高度的调制接触中的界面 表面 态及其对势垒高度的调制 6 3 肖特基二极管的偏置及其肖特基二极管的偏置及其IV特性特性 肖特基二极管的偏置及其能带特征肖特基二极管的偏置及其能带特征 偏置的肖特基二极管的电容特性偏置的肖特基二极管的电容特性 2 Ai dSi V Nq A dV dQ C dSi Ai NAq V C 22 21 肖特基二极管的IV特性及其特征 多子输运 肖特基二极管的IV特性及其特征 多子输运 1 0 kT qV A eII M S的欧姆接触的欧姆接触 半导体掺杂浓度很高使得隧穿几率很大 选择合适功函数的半导体和金属 使得电流流经 半导体掺杂浓度很高使得隧穿几率很大 选择合适功函数的半导体和金属 使得电流流经M S 接触时不存在势垒接触时不存在势垒 6 5 异质结异质结 6 5 1 异质结的形成异质结的形成 6 5 2 异质结的能带结构异质结的能带结构 6 5 3异质结的应用异质结的应用 第七章第七章第七章第七章 金属金属金属金属 氧化物氧化物氧化物氧化物 半导体 半导体 半导体 半导体 MOSMOS 结构结构结构结构 本章我们将介绍金属 本章我们将介绍金属 Metal 与氧化物绝缘体 与氧化物绝缘体 Oxide 半导体 半导体 Semiconductor 构成的 构成的MOS结构相关理论方法 重 点讨论各种偏置电压条件下 结构相关理论方法 重 点讨论各种偏置电压条件下 MOS结构的能带结构 电容特 性 结构的能带结构 电容特 性 C V 以及影响以及影响C V特性的各种因素及相关理论方法 特性的各种因素及相关理论方法 MOS结构是研究结构是研究MOS基器件的基本性能特征和参数 如栅氧 化层厚度 阈值电压 界面态就体缺陷态等的基本器件结构 基器件的基本性能特征和参数 如栅氧 化层厚度 阈值电压 界面态就体缺陷态等的基本器件结构 7 1 理想的理想的MOS结构结构 7 2 MOS结构的结构的CV特性特性 7 3 非理想 实际 非理想 实际 MOS结构结构 7 1 理想MOS结构理想MOS结构 理想理想MOS结构在各种偏压 结构在各种偏压 Vg 下的能带图和电荷分布情况 下的能带图和电荷分布情况 所加 栅压 所加 栅压 电荷分布电荷分布 MOS结构中的电容特性 n型 结构中的电容特性 n型 M O S Q Q 积累积累 g VG 0 M O S Q Q 电离施主电离施主 耗尽耗尽 e 小 小VG 0 Q M O S Q 空穴空穴 M O S 平带平带 f Q M O S Q 空穴空穴 反型反型 a b c 低频低频 VG VT IIIA IIIB高频 耗尽 反型过渡处 高频 耗尽 反型过渡处 d 0 E F E M C E V E F E 0 F n型型 p型型 0 反型 反型 INV 耗尽 耗尽 DEPL 积累 积累 ACC 积累 积累 ACC 耗尽 耗尽 DEPL 反型 反型 INV 2 F 2 F VGn型型 VG p型型 0 VT VT 反型 反型 INV 耗尽 耗尽 DEPL 积累 积累 ACC 积累 积累 ACC 耗尽 耗尽 DEPL 反型 反型 INV 7 1 5 Poisson方程求解和电势分布方程求解和电势分布 强反型后 即使表面势 强反型后 即使表面势 S有一微小的变化 也会引起载流子浓度的 显著增加 有效屏蔽栅电压的穿透 表面势将基本不随栅压变化 有一微小的变化 也会引起载流子浓度的 显著增加 有效屏蔽栅电压的穿透 表面势将基本不随栅压变化 QS随表面势变化曲线随表面势变化曲线 V S 7 2 MOS结构中的电容特性结构中的电容特性 7 2 1 C V方程方程 S Ox S SOxg C Q VV Ox Ox Ox t C SiOxS S Ox CCQd d CC 11 11 g S dV Qd C S S Si d Qd C 定义定义 可获得 可获得 反型情形反型情形 i a BS n N q kT invln22 一旦反型层 一旦反型层 Inversion 形成 电容开始增加 形成 电容开始增加 Si电容逐 渐开始转变为主要由反型层电荷随表面势的变化决定 电容逐 渐开始转变为主要由反型层电荷随表面势的变化决定 7 2 MOS结构中的电容特性结构中的电容特性 7 2 4 低频 准静态 低频 准静态 C V特性特性 7 3 非理想非理想MOS结构结构 7 3 1 非理想因素一 金属半导体功函数不同非理想因素一 金属半导体功函数不同 SM 在例子中 在例子中 P型硅里的空穴的平均能量比 金属中空穴的平均能量要高 达到热平 衡时将发生空穴从硅向金属移动 硅表 面能带向下弯曲 型硅里的空穴的平均能量比 金属中空穴的平均能量要高 达到热平 衡时将发生空穴从硅向金属移动 硅表 面能带向下弯曲 sM 1 热平衡时 热平衡时 Vg 0 1 在材料界面处在材料界面处EC和和EV突变突变 1 非理想 非理想MOS电容的热平衡电容的热平衡 2 在 在SiO2上压降大小与硅中表面势和费米能级上压降大小与硅中表面势和费米能级 Ef有关 因为没 有电流流过 有关 因为没 有电流流过SiO2 这一电压可以维持下去 这一电压可以维持下去 3 存在势垒限制载流子在金属与半导体之间运动 存在势垒限制载流子在金属与半导体之间运动 4 在硅表面 在硅表面 EV 离离 Ef较远 表面空穴耗尽 较远 表面空穴耗尽 2 非理想 非理想MOS电容的偏置 平带 电容的偏置 平带 SMFB V 通过外加栅压 可以使半导体恢复到平带 所加的电压称为平带电压 平带电压是 通过外加栅压 可以使半导体恢复到平带 所加的电压称为平带电压 平带电压是MOS结构主要的物理 参量之一 通过确定平带电容来确定 结构主要的物理 参量之一 通过确定平带电容来确定 7 3 1 非理想因素一 金属半导体功函数不同非理想因素一 金属半导体功函数不同 7 3 非理想非理想MOS结构结构 7 3 2非理想因素二 在氧化层和氧化层与非理想因素二 在氧化层和氧化层与Si界面中的各种电荷界面中的各种电荷 氧化层和界面电荷包括 氧化层和界面电荷包括 1 氧化层中的可动离子电荷 氧化层中的可动离子电荷Qm 2 氧化层中的陷阱电荷 电子或 空穴 氧化层中的陷阱电荷 电子或 空穴 Qot 3 工艺引入的氧化层固定电荷 工艺引入的氧化层固定电荷Qf 4 氧化层 氧化层 Si界面的表面态引入的 陷阱电荷 界面的表面态引入的 陷阱电荷Qit Si技术中的真正的魔法 不是发生在技术中的真正的魔法 不是发生在Si晶体 而是发生在晶体 而是发生在 SiO2中 中 SiO2构成了构成了Si器件的核心部件 器件的核心部件 Si材料性质很早就 基本研究清楚了 但对 材料性质很早就 基本研究清楚了 但对SiO2及其与及其与Si界面性质的研究直到现 在还是一个重要的研究课题 界面性质的研究直到现 在还是一个重要的研究课题 7 3 非理想非理想MOS结构结构 1 各种电荷对平带电压的影响各种电荷对平带电压的影响 2 各种电荷对能带的影响各种电荷对能带的影响 3 各种电荷对各种电荷对C V曲线的影响曲线的影响 oxsits txQxx ox ox t oxsit ox t s ox sgg tQdxxx dxxxVV 0 0 1 1 假设在氧化层和界面存在的电荷分布为假设在氧化层和界面存在的电荷分布为 则恢复平带所需要外加的栅压为则恢复平带所需要外加的栅压为 7 3 非理想非理想MOS结构结构 4 界面陷阱电荷 界面陷阱电荷 Qit 界面陷阱电荷源于界面态的存在 其 对平带电压的影响与界面态的填充有 关 界面态密度一般是界面态能级的 函数 其填充与表面势相关 此外 在 界面陷阱电荷源于界面态的存在 其 对平带电压的影响与界面态的填充有 关 界面态密度一般是界面态能级的 函数 其填充与表面势相关 此外 在Si SiO2界面存在的界面态可进一步 区分为类施主 界面存在的界面态可进一步 区分为类施主 Donor like 和类受主和类受主 Acceptor like 两种情形 因此界面陷 阱电荷对平带电压的影响非常复杂 两种情形 因此界面陷 阱电荷对平带电压的影响非常复杂 C Q V ox