第六章半导体表面及同质、异质接触

1、第六章第六章 半导体表面及同质、异质接触半导体表面及同质、异质接触Semiconductor surface and homo-hetero-contactSemiconductor Physics主要内容及要求主要内容及要求（2课时）课时）：* *表面态及表面电场效应表面态及表面电场效应* *半导体同质接触半导体同质接触- -PN结结* *MIS结构及电容结构及电容- -电压特性电压特性( (C-V) )* *金半接触及电流整流特性金半接触及电流整流特性(I-V)(课时少，但非常重要和课时少，但非常重要和有用有用，建议加强课后自学），建议加强课后自学） 61 表面态与表面电场效应表面态与表面

2、电场效应By increasing miniaturization in semiconductor-device technology, the interface itself is the device!Kroemer, the 2000 Nobel winner of physics1928年出生于德国年出生于德国.1952年获得德国哥廷根大年获得德国哥廷根大学理论物理学博士学位学理论物理学博士学位.他的博士论文的题目他的博士论文的题目是在是在晶体管中热电子晶体管中热电子的效应的效应,这成为他从事半这成为他从事半导体物理和半导体设备研究职业生涯的开端导体物理和半导体设备研究职业生涯的开

3、端.现为加州现为加州圣巴巴拉加州大学圣巴巴拉加州大学的物理学教授。的物理学教授。 达姆达姆在在19321932年用量子力学严格证明，晶体的自由年用量子力学严格证明，晶体的自由表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断，表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断，引起引起附加能级附加能级，电子被局域在表面附近，这种电，电子被局域在表面附近，这种电子状态称为子状态称为表面态表面态，所对应的能级为，所对应的能级为表面能级表面能级。每个表面原子对应一个能级，组成表面能带每个表面原子对应一个能级，组成表面能带从从化学键化学键方面分析，在晶体最外层的原子存在未方面分析，在晶体最外层的原子存在未配对的电子，

4、即未饱和的键配对的电子，即未饱和的键悬挂键悬挂键，与之对，与之对应的电子能态就是应的电子能态就是表面态表面态。1、未饱和的键、未饱和的键悬挂键悬挂键dangling band “理想表面理想表面”就是指表面层中原子排列的对称就是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。原子或分子的半无限晶体表面。但在实际中，理想表面是不存在的，即使在绝对但在实际中，理想表面是不存在的，即使在绝对清洁的半导体表面，由于表面对称性破坏，原子清洁的半导体表面，由于表面对称性破坏，原子所受的势场作用完全不同于体内，实验中观测到所

5、受的势场作用完全不同于体内，实验中观测到原子发生原子发生再构再构现象，以达到能量的最小化。现象，以达到能量的最小化。 例如例如，对硅，对硅(111)(111)面，在超高真空下可观察到面，在超高真空下可观察到(7(77)7)结构，即表面上形成以结构，即表面上形成以(7(77)7)个硅原子个硅原子为单元的二维平移对称性结构。为单元的二维平移对称性结构。硅表面硅表面7 7 7重构的原子照片重构的原子照片 由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。如子和空穴。如n型硅型硅的清洁表面带的清洁表面带负电负电。如下图所示：如下图所示：SiSiSiSiSiSi硅表面悬挂

6、键示意图硅表面悬挂键示意图表面悬挂键表面悬挂键1015cm-2 从硅表面态的从硅表面态的实验测量实验测量中，证实其表面能级中，证实其表面能级由两组组成：由两组组成：一组为一组为施主能级施主能级，靠近价带；，靠近价带；另一组为另一组为受主能级受主能级，靠近导带。，靠近导带。除了上述表面态外，在表面处还存在由于晶体晶体缺陷缺陷或吸附原子吸附原子等原因引起的表面态。2、表面缺陷和吸附原子、表面缺陷和吸附原子 目前，对硅表面态的研究比较多，表面态在禁带目前，对硅表面态的研究比较多，表面态在禁带的分布有一定的了解，但对具体的工艺重复性比的分布有一定的了解，但对具体的工艺重复性比较差，最急待研究的是较差，

7、最急待研究的是族化合物半导体的族化合物半导体的表面态情况，对微电子的发展具有重要意义。表面态情况，对微电子的发展具有重要意义。这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法有关；而达姆表面态对给定的晶体过的处理方法有关；而达姆表面态对给定的晶体在在“洁净洁净”表面时为一定值大约为表面时为一定值大约为10101515cmcm-2-2( (每个每个表面原子对应禁带中的一个能级表面原子对应禁带中的一个能级) )，实际上由于，实际上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010101010101515c

8、mcm-2-2 。表面态对半导体各中物理过程有重要影响，特别表面态对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多是对许多半导体器件半导体器件的性能影响更大。的性能影响更大。3、表面态的影响、表面态的影响 4. 表表 面面 电电 场场 效效 应应在外加电场作用下，在半导体的在外加电场作用下，在半导体的表面层表面层内发生的内发生的物理现象，主要载流子的物理现象，主要载流子的输运性质输运性质的改变。的改变。可以采用可以采用不同方法不同方法，使得半导体表面层，使得半导体表面层内产生电内产生电场，场，如：如：功函数不同的金属和半导体接触（功函数不同的金属和半导体接触（金金/半接触半接触）、使半导体表面吸附

9、某种带电的离子、）、使半导体表面吸附某种带电的离子、金属金属/绝缘体绝缘体/半导体半导体(MIS)结构等。结构等。 62 金属金属/ /半导体接触及半导体接触及I-VI-V特性特性2、MESFET( metal-semiconductor field-effect transistor) 具有与具有与MOSFET相似的相似的电流电压电流电压特性特性，但在器件的栅，但在器件的栅(gate)上电极部分利用金属上电极部分利用金属半导体的整流接触取代了半导体的整流接触取代了MOSFET的的MOS结结构；用欧姆接触取代构；用欧姆接触取代MOSFET的的p-n结。结。一、概述：一、概述：1 1、在微电子和

10、光电子器件中，半导体材料和、在微电子和光电子器件中，半导体材料和金金属属、半导体以及、半导体以及绝缘体绝缘体的各种接触是普遍存在的各种接触是普遍存在的，如的，如MOS器件、肖特基二极管、气体传感器器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展，使得等。薄膜技术及纳米技术的发展，使得界面接界面接触触显得更加重要。显得更加重要。3 3、第一个实际的半导体器件就是点接触整流性、第一个实际的半导体器件就是点接触整流性的金半接触，就是将细须状金属压在半导体表面的金半接触，就是将细须状金属压在半导体表面。从。从19041904年起，该器件有许多不同的应用。年起，该器件有许多不同的应用。1938

11、年，年，Schottky提出其整流作用，可能由半导提出其整流作用，可能由半导体中稳定的体中稳定的空间电荷区空间电荷区所产生的电势能差引起的，所产生的电势能差引起的，由此所建立的模型称肖特基势垒（由此所建立的模型称肖特基势垒（Schottky barrier).4、两个要点两个要点：功函数和禁带宽度的不同金属功函数和禁带宽度的不同金属/半导体接触半导体接触能带能带图图的变化；的变化；肖特基接触的整流特性即电流电压肖特基接触的整流特性即电流电压I-V特性。特性。二、金属和半导体的功函数二、金属和半导体的功函数Wm 、Ws1 1、金属的功函数、金属的功函数Wm表示一个起始能量等于费米能级的电子，由表

12、示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最最小能量小能量。E0(EF)mWm0()mFmWEE即：E0为真空中静止电子的为真空中静止电子的能量，又称为真空能级。能量，又称为真空能级。 金属铯金属铯Cs的功函数最低的功函数最低1.93eV，PtPt最高为最高为5.36eV2 2、半导体的功函数、半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体与费米能级之差称为半导体的功函数。的功函数。0()sFsWEE即：用用表示从表示从Ec到到E0的能量间隔：的能量间隔：0cEE称称为电子的为电子的亲和能亲和能，它表示要使半导体，它表示要使半导

13、体导带导带底底的电子逸出体外所需要的的电子逸出体外所需要的最小最小能量。能量。Ec(EF)sEvE0WsEn N型半导体：型半导体：scFnsWEEE式中：式中：()ncFsEEE P型半导体：型半导体：()pFsvEEE()soFsgpWEEEE式中：式中：Note: 和金属不同的是，半导体的费米能级随杂和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，质浓度变化，所以，Ws也和也和杂质浓度杂质浓度有关有关。Ec(EF)sEvE0WsEn半导体半导体金属金属半导体半导体金属金属What?能带结构发生变化能带结构发生变化新的物理效应新的物理效应和应用和应用3 3、金属、金属/ /半导体接触

14、半导体接触三、金属与半导体的接触及接触电势差三、金属与半导体的接触及接触电势差1. 阻挡层阻挡层接触接触金金属属n半导半导体体mWFmEsWnEvEcEFsE0E设想有一块金属和一块设想有一块金属和一块n型型半导体，并假定半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：金属的功函数大于半导体的功函数，即：（1）msWW即半导体的费米能即半导体的费米能EFs高于金属的费米能高于金属的费米能EFm金属的传导电子的浓度金属的传导电子的浓度很高很高，10221023cm-3半导体载流子的浓度比半导体载流子的浓度比较低较低，10101019cm-3金属半导体接触前后金属半导体接触前后能带图能带图的变化

15、：的变化：接触后接触后，金属和半导体的费，金属和半导体的费米能级应该在同一水平，半米能级应该在同一水平，半导体的导带电子导体的导带电子必然必然要流向要流向金属，而达到统一的费米能金属，而达到统一的费米能接触前接触前，半导体的费米能，半导体的费米能级高于金属（相对于真空级高于金属（相对于真空能级），所以半导体导带能级），所以半导体导带的电子有向金属流动的的电子有向金属流动的可可能能WmEFmWsE0EcEFsEv接触前接触前接触后接触后qVDEFEFEvEcmqxdE0在接触在接触开始开始时，金属和半导体的间距大于原子的时，金属和半导体的间距大于原子的间距，在两类材料的表面形成电势差间距，在两类

16、材料的表面形成电势差Vms。smmsmsWWVVVq接触电势差：接触电势差：紧密接触紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成正的厚的一层形成正的空间电荷区空间电荷区。空间电荷区形成。空间电荷区形成电场，其电场在界面处造成电场，其电场在界面处造成能带弯曲能带弯曲，使得半导，使得半导体表面和内部存在体表面和内部存在电势差电势差，即，即表面势表面势Vs。接触电。接触电势差分降在势差分降在空间电荷区空间电荷区和金属与半导体和金属与半导体表面之间表面之间。但当忽略接触间隙时，电势主要降在。但当忽略接触间隙时，电势主要降在空间电荷空间电荷区区。现在考虑忽略间

17、隙中的电势差时的现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限极限情形情形:半导体一边的势垒高度为：半导体一边的势垒高度为：DsmsqVqVWW 金属一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEW 半导体体内电场为零，在空半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向间电荷区电场方向由内向外由内向外，半导体表面势半导体表面势Vs0mqEFEvqVDEcE电场电场在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡阻挡层层。界面处的势垒通常称为。界面处的势垒通常称为肖

18、特基势垒。肖特基势垒。mqEFEvqVDEcE电场电场所以：所以：金属与金属与N型型半导体接触时半导体接触时，若，若WmWs，即半导体，即半导体的费米能级高于金属，电的费米能级高于金属，电子向金属流动，稳定时系子向金属流动，稳定时系统费米能级统一，在半导统费米能级统一，在半导体表面一层形成体表面一层形成正的空间正的空间电荷区电荷区，能带向上弯曲，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。形成电子的表面势垒。金属与金属与P型型半导体接触时，若半导体接触时，若WmWs，即金属，即金属的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的多子空穴多子空穴流向金属，使得金属表面带正电

19、，半流向金属，使得金属表面带正电，半导体表面带导体表面带负电负电，半导体表面能带向下弯曲，半导体表面能带向下弯曲，形成空穴的形成空穴的表面势垒表面势垒。（2）金属）金属p型型半导体接触的阻挡层半导体接触的阻挡层在半导体的势垒区，在半导体的势垒区，空间电荷空间电荷主要由负的电离受主要由负的电离受主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成空穴个高阻区域，形成空穴阻挡层阻挡层。金属和金属和p型型半导体半导体WmWs金属与金属与P型型半导体半导体, , WmWs阻挡层阻挡层2. 2. 反阻挡层接触反阻挡层接触金属与金属与N型半导体接触时，若型半

20、导体接触时，若Wm0，能带向，能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层，即电子反阻个高电导的区域，称之为反阻挡层，即电子反阻挡层。挡层。（1 1）金属与）金属与N型型半导体接触半导体接触WmEFmWsE0EcEFsEvEEcEFsEvmsDWWqVDx金属金属 /n型型半导体接触前后电子反阻挡层形成半导体接触前后电子反阻挡层形成能带图能带图的变化：的变化：在半导体表面，能带向下弯曲，相当有个电子的在半导体表面，能带向下弯曲，相当有个电子的势阱势阱, 多子电子的浓度比体内大得多，是一个高通多子电子的浓度比体内大得多，

21、是一个高通区，即电子的区，即电子的反阻挡层高导通区反阻挡层高导通区。（。（很薄很薄！）！）（2 2）金属与）金属与P型型半导体接触半导体接触金属与金属与P P型半导体接触时，若型半导体接触时，若WmWs，空穴将从金属流，空穴将从金属流向半导体表面，在半导体表面形成正的空间电荷区，电向半导体表面，在半导体表面形成正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面，场方向由体内指向表面，VsWs阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层Wm势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边入另一边 。电流的计算即。电流的计算即求越过势垒的载流子数求越过势垒的载流子数目。目。 以以非简并半导体的非简

22、并半导体的n n型阻挡层为例，型阻挡层为例，qVqVD Dk k0 0T T，通过势垒交换的电子很少，体内的电子，通过势垒交换的电子很少，体内的电子浓度视为浓度视为常数常数，与电流无关。，与电流无关。当当n n型阻挡层型阻挡层很薄很薄时，即电子的平均自由程大于时，即电子的平均自由程大于势垒宽度。扩散理论不再适合了。势垒宽度。扩散理论不再适合了。电子通过势电子通过势垒区的碰撞可以忽略。垒区的碰撞可以忽略。规定电流的规定电流的正方向正方向是从金属到半导体是从金属到半导体 sFqExms1dnqvJx方向输运假设电子沿电子流密度方向和电流方向相反电子流密度方向和电流方向相反 Jsm时（正向电流）时（

23、正向电流）EFnsqsqDqVVx能量范围内的电子数在dEEE dEEfEgdn电子的电子的状态密度状态密度和和分布函数分布函数 2240021323*dEeEEehmTkEEcTkEEncFc考虑非简并半导体的情况考虑非简并半导体的情况,分布函数为分布函数为Boltzmann分布：分布：dEeEEhmTkEEcnF021323*24dn所以：所以： 3212*vmEEnc利用 4*vdvmdEnTkEEcFceNn00又TkEEnFcehTkm03230*22dveTkmndnTkvmnn02*2230*02则 520222*2230*0zyxTkvvvmndvdvdveTkmnzyxn单位

24、截面秒 11xvdndN 620222*2230*0zyxxTkvvvmndvdvdvveTkmnzyxnxV的正方向选取垂直于界面，由半导体指向金属所以，在单位时间内，通过单位截面积，在VxVx+dVx范围的电子可以到达金半界面。VVqvm21D2x*n到达界面的电子的动能 7002*TkqVTkqeeTAns*2minnDxmVVqv即电子的最小速度00222*20*02xzyxnvxTkvvvmxyyndvevdvdvTkmqnsFqExmsdnqvJ于是电子流密度电子流密度2034nqm kAh其中，有效理查逊常数 800smmsJJV时 902*TkqnseTA0VJJmssm从而

25、Jms时（反向电流）时（反向电流）nsmsmsJJ电子从金属到半导体所面临的势垒高度是不随外加电压而变化的，所以从金属到半导体的电子流所形成的电流密度是个常量。它与热平衡条件下，V0时的大小相等，方向相反。smmsJJJ 1102*TkqSTnseTAJ其中 1010TkqVSTeJnsns是是金属一边的电子势垒金属一边的电子势垒 总的电流密度总的电流密度J 讨论：讨论：扩散理论：扩散理论：0exp() 1,SDSDqVJJJVk T热电子发射理论：热电子发射理论：0exp() 1,STSTqVJJJk T和外加电压无关Ge、Si、GaAs都有较高的载流子迁移率，即较都有较高的载流子迁移率，即

26、较大的平均自由程，在室温时，其肖特基势垒中的大的平均自由程，在室温时，其肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多数载流子的电流输运机构，主要是多数载流子的热电子发射热电子发射五、欧姆接触五、欧姆接触定义定义：金金/半接触的半接触的非整流接触，非整流接触，即不产生明显的附即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。显的改变。应用：应用：半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超高频和大功率的器件中，

27、欧姆接触时设计和制造的关高频和大功率的器件中，欧姆接触时设计和制造的关键。键。实现：实现：不考虑表面态的影响，金半接触形成不考虑表面态的影响，金半接触形成反阻挡层反阻挡层，就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态，就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态，主要用主要用隧道效应实现隧道效应实现半导体制造的欧姆接触。半导体制造的欧姆接触。半导体半导体重掺杂重掺杂导致明显的导致明显的隧穿电流隧穿电流，而实现，而实现欧姆接触：欧姆接触：半导体掺杂浓度很高时，金半接触的势垒区的宽度变半导体掺杂浓度很高时，金半接触的势垒区的宽度变得得很薄很薄，电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的，电子会通过

28、隧道效应穿过势垒产生相当大的隧穿电流，甚至会超过隧穿电流，甚至会超过热电子发射热电子发射电流成为电流的主电流成为电流的主要部分。当隧穿电流占主要成份时，接触电阻会很小，要部分。当隧穿电流占主要成份时，接触电阻会很小，可以用作欧姆接触。可以用作欧姆接触。常用的方法常用的方法：在：在n型或型或p型半导体上制作一层重掺杂型半导体上制作一层重掺杂区再与金属接触，形成金属区再与金属接触，形成金属n+n 或金属或金属p+p 结构。结构。使得金属的选择很多。电子束和热使得金属的选择很多。电子束和热蒸发蒸发、溅射溅射、电镀电镀。D0qN2DrVXc欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧欧姆接触可以通过金属

29、半导体形成反阻挡层或隧道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在半导体上制造欧姆接触。半导体上制造欧姆接触。VJ 6.3 MIS结构及电容结构及电容-电压特性电压特性(C-V)：（1 1）Wm=Ws；（2 2）绝缘层内无可移动绝缘层内无可移动电荷且绝缘层不导电；电荷且绝缘层不导电；（3 3）绝缘层与半导体绝缘层与半导体 界面处不存在界面态。界面处不存在界面态。MIS结构结构等效电路等效电路表面电场表面电场导致电容导致电容如何产生如何产生?一一. 理想理想MIS结构结构由于由于MIS结构是一个结构是一个电容电容，当在金属与半导体之，当在金属与半导体之间加

30、电压后，在金属与半导体相对的两个面上间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被就要被充放电充放电。但和一般意义的电容不一样！。但和一般意义的电容不一样！在在金属金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在很薄的一个原子层的厚度范围之内布在很薄的一个原子层的厚度范围之内；而在而在半导体半导体中，由于自由载流子密度低得多，中，由于自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做电的表面层称做空间电荷区空间电荷区space charge region。1、空间电荷层及表面势、空间电荷层及表面势金属

31、的传导电子的浓度金属的传导电子的浓度很高很高，10221023cm-3半导体载流子的浓度比半导体载流子的浓度比较低较低，10101019cm-3首先首先，在空间电荷区内，从半导体的表面到体，在空间电荷区内，从半导体的表面到体内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度电场强度减小到零。减小到零。其次其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化化，半导体表面相对体内就产生化，半导体表面相对体内就产生电势差电势差。空间电荷区对空间电荷区对电场电场、电势电势与与能带能带的影响：的影响：最后最后，电势的变化，使得电子在空间电荷

32、区的能，电势的变化，使得电子在空间电荷区的能量改变，从而导致量改变，从而导致能带的弯曲能带的弯曲。表面空间电荷区内能带的弯曲表面空间电荷区内能带的弯曲界面界面EcEiEFEvxEg半导体半导体绝缘体绝缘体BqVsqVqVVg0时时: p-type or n-type Si 表面势表面势surface potential及空间区内电荷及空间区内电荷space charge的分布情况的分布情况, ,随金属与半导体间随金属与半导体间所加的电压所加的电压VG(gate voltage)而变化，主要可而变化，主要可归纳为归纳为堆积堆积accumulation、耗尽、耗尽depletion和和反型反型in

33、version三种三种情况情况: :称空间电荷层两端的电势差为称空间电荷层两端的电势差为表面势表面势，以，以 表示之。规定表面势比内部高时，取表示之。规定表面势比内部高时，取正值正值，反之，反之 取取负值负值。SVSV（1 1） 多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态（2 2） 多数载流子耗尽状态多数载流子耗尽状态（3 3） 少数载流子反型少数载流子反型状态状态在在VG0时，理想半导体的能带不发生弯时，理想半导体的能带不发生弯曲，即曲，即平带状态平带状态flat-band condition，有时也，有时也称为一种状态。称为一种状态。例如，对于p p型半导体，有三种情况：一般情况讨论一般情况讨论

34、,以以p型型半导体为例：半导体为例：EviEciEiEvEcEFsEFmdx0+VGp p型半导体型半导体表面感生一个荷负电的空间电荷层表面感生一个荷负电的空间电荷层qVsEcEvEF表面势为正，表面处能带向下弯曲，越接表面势为正，表面处能带向下弯曲，越接近表面。费米能离价带越远，近表面。费米能离价带越远，表面势及空间电荷区内电荷的分布情况，随金表面势及空间电荷区内电荷的分布情况，随金属与半导体间所加的电压属与半导体间所加的电压VG变化，可分为：变化，可分为：VG 0 0时，时，多子积累状态；多子积累状态；VG 0 0时，平带状态；时，平带状态；VG 0 0时，多子耗尽状态；时，多子耗尽状态；

35、VG 0 0时，少子反型状态；时，少子反型状态；当外加电压变化时，如前面所述：当外加电压变化时，如前面所述：2.理想理想MIS结构结构C-V特性特性小结小结：（1 1）半导体材料及绝缘层材料一定时，）半导体材料及绝缘层材料一定时，C-V 特性将随绝缘层厚度特性将随绝缘层厚度do及半导体杂质浓度及半导体杂质浓度NA而变化；而变化；（2）C-V特性与频率有关，尤其是反型层时特性与频率有关，尤其是反型层时 的的C-V曲线的形状。曲线的形状。1 1、金属与半导体、金属与半导体功函数差功函数差对对C-V特性的影响特性的影响在实际的在实际的MIS结构中，存在一些因素影响着结构中，存在一些因素影响着MIS的

36、的C-V特性，如：金属和半导体之间的特性，如：金属和半导体之间的功函数的差功函数的差、绝缘层绝缘层中的电荷等。中的电荷等。 例：以例：以Al/SiO2/P-type-SiAl/SiO2/P-type-Si 的的MOSMOS结构为例：结构为例： P P型硅的功函数一般较铝大，型硅的功函数一般较铝大， 当当WmWs时，将导致时，将导致C-V特特性向负栅压方向移动。性向负栅压方向移动。Why?二二.实际实际MIS结构结构C-V特性：特性：结构还未连接时：结构还未连接时：WsEcEvSiO2EFsWmWsEcEvSiO2EFmEFsEo结构结构连通连通后后,且且VG=0时：时：WmEFmEFsWsEcEvEoSiO2电子将从金属流向半电子将从金属流向半导体中，会在导体中，会在p型硅的型硅的表面形成带表面形成带负电的空间负电的空间电荷层电荷层，而在金属表面，而在金属表面产生正电荷，这些正电产生正电荷，这些正电荷在荷在SiO2和和Si表面层内表面层内产生指向半导体内部的产生指向半