半导体物理分章答案第八章

第八章半导体表面与MIS结构Semiconductorsurfaceandmetal-insulator-semiconductorstructure,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EffectofSurfaceElectric,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。,EcEFEV,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（Vs0）,（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（Vs0，Qs2VB,（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,8.3MIS结构的电容-电压特性C-VcharacteristicsofMISstructure,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（Vs0）,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，Qs0）,强反型后（Vs0）,A.低频时,少子的产生-复合跟得上小信号的变化。,强反型后（Vs0）,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Wm0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,VG,VI=VR0时,开启电压VT感应结最大耗尽层宽度,表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场产生的感应结扩大了p-n结空间电荷区，导致硅材料p-n结空间电荷区中产生电流增大，引起反向电流增加。