第七章-半导体的表面PPT课件

.,1,第七章半导体的表面、界面及接触现象,半导体表面半半接触金半接触,.,2,7.1半导体的表面,一、理想表面和实际表面,理想表面：,表面对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。,指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。,.,3,真实表面：表面吸附杂质,或表面原子生成氧化物或其它化合物,清洁表面：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化的实际表面。,实际表面又分为：,二、表面态,达姆表面能级:晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断,在禁带中引起的附加能级.,.,4,求解薛定谔方程,在x=0处，出现新的本征值,附加的电子能态表面态,硅表面悬挂键,由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。,.,5,例如:对硅(111)面，在超高真空下,可观察到(7*7)结构，即表面上形成以(7*7)个硅原子为单元的二维平移对称性结构。,理想表面实际上不存在,共价半导体的表面再构现象:近表面几个原子厚度的表面层中,离子实所受的势场作用不同于晶体内部,使得晶体的三维平移对称性在表面层中受到破坏,表面上形成新的原子排列结构,这种排列具有沿表面的二维平移对称性.,.,6,清洁表面的电子态，称为本征(达姆)表面态。,真实表面由于吸附原子或其它不完整性，产生表面电子态，称为外诱表面态。,外诱表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关;达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值。,.,7,表面态分为施主型表面态和受主型表面态。,施主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何,能级被电子占据时呈电中性,施放电子后带正电.这样的表面态叫,受主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何,能级空着时呈电中性,接受电子后带负电,这样的表面态叫,.,8,7.2半导体的表面电场,一、形成表面电场的因素,1表面态的影响,由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。,(EF)s表面费米能级,(EF)sEF,.,9,如果(EF)sEF,Ec,Ev,EF,(EF)s,+,E,.,10,2功函数的差异,金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。,金属功函数的定义,上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。,EF,E0真空中静止电子的能量,.,11,Eo,Ec,Ev,(EF)s,Ws,Wm,金(M),半(S),WSWM，即(EF)S0，反之，表面电势比内部低时，VS0；,外加反向偏压时，VG0时，取负号，空间电荷区的能带从体内到表面向下弯曲VG0,空穴的势垒,空间电荷区：,0,x,EF,.,20,V(x)0，能带向上弯,V(x)0反型层,界面,Ec,Ei,EF,Ev,qVs,x,qV,qVB,Eg,半导体,绝缘体,表面空间电荷区内能带的弯曲,P,电子,.,30,称这个状态为反型状态,电子,电离受主,空间电荷,反型少子堆积,弱反型：ps多子数表面反型；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。,.,33,表面反型条件,.,34,出现强反型的临界条件，ns=(po)p,.,35,.,36,强反型出现,.,37,VG0,VG0多子堆积,平带,多子耗尽,反型少子堆积,VG变化VS变化能带弯曲电荷分布变化,.,38,4N型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,1)VG0,VS0,能带下弯，ns(n0)n多子的堆积,EF,.,39,2)VG=0，VS=0,平带,.,40,3)VG0，VS0,能带上弯，ns(n0)n为电子势垒,+,电离施主,4)VG0,+,空穴,表面处形成了p型材料，即反型层,多子耗尽,EF,Ei,弱反型：ns0,取正;V0，QS为负号,金属为负时，VG0，QS为正号,.,50,空间电荷层单位面积上的电容,单位F/m2,以p型半导体为例,定量地分析各种表面层的状态,空间电荷层的电容,.,51,(1)VG0，金属接负，半导体接正,多数载流子堆积状态,.,52,随而0,CC0,(AB),随|VG|积累的空穴越来越少，CS，C/C0,(BC),.,53,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,A,B,C,D,E,F,C0,CFB,Cmin,Cmin,Vmin,1低频,C0,2高频,G,H,0,0,+V,MIS结构的电容-电容曲线,C/C0,.,54,又（no)p0，表面能带下弯，是空穴的势垒,空穴耗尽状态,.,57,电离饱和时(p0)p=NA,VG,C/C0,(CD),.,58,假设空间电荷区的空穴都已全部耗尽，电荷全由已电离的受主杂质构成。半导体的掺杂是均匀的，则空间电荷区的电荷密度，(x)=-qNA,设xd为耗尽层的厚度,耗尽层近似,.,59,(4)VG0,反型状态,低频时,少子的产生与复合跟得上小信号的变化,VS，少子积累越多，ns，Cs，C0/CS，C/C0,(DE),.,60,当VS到使C0/CS很小时，C/C0的分母中的第二项又可以忽略。C/C01。(EF),.,61,高频时，反型层中的电子对电容没有贡献,空间电荷区的电容由耗尽层的电荷变化决定,因强反型出现时耗尽层宽度达到最大值xdmax,不随VG变化,耗尽层贡献的电容将达极小值并保持不变.,(GH),.,62,（1）半导体材料及绝缘层材料一定时，C-V特性将随do及NA而变化；（2）C-V特性与频率有关,N型半导体组成的MIS结构具有相似的规律。,结论,.,63,二、实际的MIS结构的C-V特性,1金属和半导体功函数的影响,(EF)M(EF)S,M,S,(EF)M,(EF)s,+,E,WMWs，形成的Vs0，这时C-V曲线是向右发生了移动。,.,67,2绝缘层中离子的影响,可动离子：Na+，K+或H+,固定离子：通常位于SiSiO2界面附近的200范围内,+,M,I,S,-,-,E,外,CV曲线向左平移,能带下弯,.,68,3表面态的影响,(1)受主表面态,在N型半导体中,Ec,Ev,EF,+,E,VS0，能带上弯,-,电离受主表面态,+,电离施主,空穴,使N型表面反型,接受电子,带负电,.,69,在P型表面,-,-,Vs0，能带下弯,正电荷：电离施主表面态,负电荷：,反型层中少子电子,耗尽层中电离的受主,表面出现了反型层,只要有施主表面态，总要形成指向内部的电场，在没加电场时，在表面就有电场VS0，能带下弯，C-V特性左移,为使恢复平带状态，必须加一反向电压.,Ec,Ev,EF,+,E,.,72,第六章,一、表面态、表面电场及效应,P型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,VG变化VS变化能带弯曲电荷分布变化,VG0VG0多子堆积平带多子耗尽反型少子堆积,N型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,.,73,二、理想的MIS结构的C