半导体mis结构ppt

1、半导体表面半导体表面态态与与表面电场效应表面电场效应贾鹏飞表面态 表面处晶体的周期场中断； 表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性； 表面往往要特殊保护措施，如钝化 表面是器件制备的基础，如MOSFET等达姆在达姆在19321932年用量子力学严格证明，晶体的自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由表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，电子被局域在表面附近，中断，引起附加能级，电子被局域在表面附近，这种电子状态称为表面态，所对应的能级为表这种电子状态称为表面态，所对应的能级为表面能级。每个表面原子对应一个能级，组成表面能级。每

2、个表面原子对应一个能级，组成表面能带。面能带。表面态定义表面态定义理想一维晶体表面态220202220(0)2( )(0)2dVExm dxdV xExm dxxV(x)V0E0a()( )V x aV xE0时，金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触ECEVEFQmQsMISMIS结构实际是一个电容结构实际是一个电容MIS+0d加电压加电压后，金属和半导体两个面内要充电后，金属和半导体两个面内要充电( (Q Qm m=-=-Q Qs s) ) 金属中，自由电子密度高，电荷分布在一金属中，自由电子密度高，电荷分布在一个原子层的厚度范围之内个原子层的厚度范围之内半导体中，自由载流子密度

3、低，对应半导体中，自由载流子密度低，对应Q Qs s的电荷的电荷分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层叫叫空间电荷区空间电荷区VG0时，MIS结构的能带图 空间电荷区能带发生弯曲空间电荷区能带发生弯曲-MIS+0dECEVEF0dqVS空间电荷区内空间电荷区内：1)1)空间电场逐渐减弱空间电场逐渐减弱2)2)电势随距离逐渐变化电势随距离逐渐变化 能带弯曲能带弯曲表面表面势势(Vs)：空间电荷区两端的电势：空间电荷区两端的电势差差表面电势比内部表面电势比内部高高，V VS S0;0;表面电势表面电势低于内低于内部，部，V VS S00电子能量增加电子能量

4、增加空穴能量增加空穴能量增加ECEVEF0dqVSQm Vs Qs 能带弯曲能带弯曲+ + - - - + 随金属和半导体间所加电压VG（栅电压栅电压）的不同，空间电荷区内电荷分布可归纳为以下几种(以p型半导体为例)： 堆积 平带 耗尽 少数反型金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触1 1多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态 金属与半导体间加负电压（金属与半导体间加负电压（金属接负金属接负）时，）时， 表面势为负表面势为负，表面处能带上弯，如图示。，表面处能带上弯，如图示。ECEVEFEiVG0MISE多子堆积多子堆积 热平衡下，费米能级应保持定值。热平衡下，费米能级应保持定值。 随

5、着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过随着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过费米能级，价带中空穴浓度随之增加。费米能级，价带中空穴浓度随之增加。表面层出现空穴堆积而带正电荷。表面层出现空穴堆积而带正电荷。越接近表面空穴浓度越高，越接近表面空穴浓度越高，堆积堆积的空穴分布的空穴分布在最靠近表面的薄层内。在最靠近表面的薄层内。ECEVEFEiVG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽越近表面，费米能级离价带顶越远，价带中越近表面，费米能级离价带顶越远，价带中空穴浓度随之降低。空穴浓度随之降低。表面处空穴浓度比体内低得多，表面层的负表面处空穴浓度比体内低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。电荷

6、基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称做耗尽。表面层的这种状态称做耗尽。VG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽4 4少子反型状态少子反型状态 金金/半半间的间的正电压进一步增大正电压进一步增大，表面处能带进，表面处能带进 一步向下弯曲。一步向下弯曲。 表面处表面处EF超过超过Ei，费米能级离导带底比离价，费米能级离导带底比离价 带顶更近。带顶更近。ECEVEiEF少子反型少子反型VG0 表面处电子浓度将超过空穴浓度表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原，形成与原来半导体衬底导电类型相反的层来半导体衬底导电类型相反的层-反型层反型层。 ECEVEiEF少子少子反型反型VG0 反型层发生在

7、近表面，从反型层到半导体内部还反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还夹夹 着一层耗尽层。着一层耗尽层。 此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成，此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成， 一是耗尽层中已电离的受主负电荷，一是耗尽层中已电离的受主负电荷， 一是反型层中的电子，后者主要堆积在一是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区近表面区。 ECEVEiEF少子反型少子反型VG0 通过解泊松方程通过解泊松方程定量地求出表面层中电场强度和电势的定量地求出表面层中电场强度和电势的分布，以分析表面空间电荷层的性质。分布，以分析表面空间电荷层的性质。 rs半导体相对介电常数，半导体相对介电常数，

8、(x)总空间电荷密度总空间电荷密度半导体内部，电中性条件成立半导体内部，电中性条件成立 (x)=0n np0p0: : 半导体体内平衡电子浓度半导体体内平衡电子浓度P Pp0p0: :半导体体内平衡空穴浓度半导体体内平衡空穴浓度根据上式经过数学的变换推导就可以得出 和F函数就可以做出Cs和Vs图像积累积累平带平带耗尽耗尽弱反型弱反型强反型强反型VS(V)00.4SQ10-510-9(c/cm2)-0.4这是以P型半导体为例做出的图像通过它就能对MIS结构的c-v特性进行研究归纳：多子堆积多子堆积VG=0平带状态平带状态ECEVEFEiVG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽ECEVEiEF少子反型少子反型VG0MIS的应用MIS器件的功能主要决定于其中绝缘体层的厚度：（1）假若绝缘体层的厚度足够大（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大于5nm），则基本上不导电，这时即为MIS电容器；（2）假若绝缘体层的厚度足够薄（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大约为1nm），则绝缘体基本上不起阻挡导电的作用（阻抗极小），这时即为Schottky二极管；（3）假若绝缘体层的厚度不是很薄、也不是很厚（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大约为1nm5nm），则这时载流子