半导体物理学刘恩科第七版第八章半导体表面与MIS结构

1、第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MIS结构结构8.1 表面态；表面态；8.2 表面电场效应；表面电场效应；8.3 MIS结构的电容结构的电容-电压特性；电压特性；8.1表面态表面态半导体的表面特性与半导体器件的特性有很密切的联系。半导体的表面特性与半导体器件的特性有很密切的联系。许多半导体器件，如许多半导体器件，如MOS (金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体)器件器件、电荷耦合器件、表面发光器件，都是利用半导体的表面电荷耦合器件、表面发光器件，都是利用半导体的表面效应制成的。效应制成的。 本章本章主要讨论表面态、表面电场效应、硅主要讨论表面态、表面电场效应、硅-二氧化硅系统、二氧化硅系

2、统、MIS结构结构(金属金属-绝缘体绝缘体-半导体半导体)结构的电容结构的电容-电压特性等电压特性等意义：意义： 改善器件性能，提高器件稳定性；改善器件性能，提高器件稳定性； 探索、研发新型器件；探索、研发新型器件；1. 提高集成电路的可靠性与稳定性。提高集成电路的可靠性与稳定性。表面的特殊性：表面的特殊性：1.1.表面处晶体的周期场中断；表面处晶体的周期场中断；2.2.表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；器件的稳定性；3.3.表面往往需要特殊保护措施，如钝化等表面往往需要特殊保护措施，如钝化等4.4.表面是器件制备的基础，如表面是器件

3、制备的基础，如MOSFETMOSFET等等 表面能级表面能级：由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏，：由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏，在禁带中引入附加能级。在禁带中引入附加能级。达姆表面能级达姆表面能级：晶体自由表面：晶体自由表面周期势场发生中断或破坏引入周期势场发生中断或破坏引入的附加能级。的附加能级。悬挂键悬挂键：晶体自由表面的最外：晶体自由表面的最外层原子中有一个未配对的电子，层原子中有一个未配对的电子，即未饱和的键。即未饱和的键。表面态：悬挂键表面态：悬挂键所对应的电子所对应的电子能态。能态。理想表面：理想表面：表面层中原子排列的表面层中原子排列的对称性对称性与体内原子完

4、全相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表面。同，且表面不附着任何原子或分子的半无限表面。理想表面实际理想表面实际上是不存在的。上是不存在的。实际密度：实际密度：10101012cm-2悬挂键特点：与体内交换电子或空穴。悬挂键特点：与体内交换电子或空穴。硅表面被氧化后，表面形成一层硅表面被氧化后，表面形成一层致密的二氧化硅保护层，大部分致密的二氧化硅保护层，大部分悬挂键被氧原子所饱和，悬挂键被氧原子所饱和，表面态表面态密度大大降低。密度大大降低。8.2表面电场效应表面电场效应在金属在金属-半导体间加电压即半导体间加电压即可产生可产生表面电场表面电场, 在理想情在理想情况下，况

5、下， MIS结构中满足以下结构中满足以下条件：条件：以以MIS结构结构(金属金属-绝缘层绝缘层-半导体半导体)为例为例金属金属-半导体间半导体间功函数差功函数差为零；为零； 在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电。导电。 绝缘体与半导体界面处不存在任何电荷。绝缘体与半导体界面处不存在任何电荷。8.2.1 空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势MIS结构加电压后，金属结构加电压后，金属-半导体间充电，相当于一半导体间充电，相当于一个电容。个电容。电荷分布：电荷分布：金属中金属中，自由电子密度很高。，自由电子密度很高。半导体中自由电子密度低，电荷分布在半导体中自

6、由电子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层内。这个带电的表面一定厚度的表面层内。这个带电的表面层称作层称作空间电荷区空间电荷区。空间电荷区电场空间电荷区电场：从表面到内部逐渐减弱。在空间电荷：从表面到内部逐渐减弱。在空间电荷区的另一端，减小为零。区的另一端，减小为零。空间电荷区电势空间电荷区电势：随距离逐渐变化。表面发生能带向：随距离逐渐变化。表面发生能带向下弯曲现象。下弯曲现象。多数载流子多数载流子堆积堆积状态状态(P型半导体为例型半导体为例) 金属金属-半导体加半导体加反向电压反向电压(金属端负金属端负)，表面，表面势为负，能带向上弯曲。势为负，能带向上弯曲。 热平衡下，半导体内费米能级热平

7、衡下，半导体内费米能级不变。不变。接近表面，价带顶向上弯曲甚接近表面，价带顶向上弯曲甚至超过至超过费米能级费米能级，价带中空穴，价带中空穴浓度随之增加，表面层出现浓度随之增加，表面层出现空空穴堆积现象穴堆积现象。靠近表面区域，价带顶离费米靠近表面区域，价带顶离费米能级低得多。能级低得多。表面空穴浓度比体内低得多表面空穴浓度比体内低得多，这种状态称为这种状态称为耗尽耗尽。2.多数载流子多数载流子耗尽耗尽状态状态金属金属-半导体加半导体加正向电压正向电压(金属端正金属端正)，表面势为正，表面势为正，能带向下弯曲。能带向下弯曲。 价带中空穴浓度随之减少。价带中空穴浓度随之减少。以以p型半导体为例型半

8、导体为例表面处费米能级高于禁带表面处费米能级高于禁带中央能级中央能级Ei, 使费米能级远离价使费米能级远离价带顶，靠近导带底，意味着带顶，靠近导带底，意味着表面处电子浓度将超过空表面处电子浓度将超过空穴浓度穴浓度。反型层位于表面，与半导体内部反型层位于表面，与半导体内部还夹着一层耗尽层。还夹着一层耗尽层。3.少数载流子少数载流子反型状反型状态态 当金属当金属-半导体间的正向电压进一步加大，表面能半导体间的正向电压进一步加大，表面能带进一步向下弯曲。带进一步向下弯曲。 形成与原来半导体衬底的导电类型形成与原来半导体衬底的导电类型相反的一层相反的一层导电层导电层， 称为称为反型层反型层。8.2.2

9、 表面空间电荷层的表面空间电荷层的电场、电势和电容电场、电势和电容MIS结构的电容结构的电容=绝缘层的电容绝缘层的电容C0+空间电荷区电容空间电荷区电容Cs1. 空间电荷区电容空间电荷区电容Cs空间电荷区电势满足泊松方程空间电荷区电势满足泊松方程022)(rsxdxVd总的空间电荷总的空间电荷 (x)=q(nD+-PA-+Pp-np)nD+电离施主电离施主,PA-电离受主，电离受主，Pp，np为为x点空穴、电子浓度点空穴、电子浓度)exp(00TkqVnnpp)exp(00TkqVpppp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)=0nD+-PA- = np Pp0)022)

10、(rsxdxVd 将将np0、pp代入代入dxdVE在半导体表面处，在半导体表面处，V =Vs),(20000ppsDspnTkqVFqLTkE在半导体表面面电荷密度，在半导体表面面电荷密度，Qs=- rs 0Es),(200000ppsDrsspnTkqVFqLTkQ半导体表面的电容半导体表面的电容Cs=-dQs/dVs电荷密度电荷密度Qs随表面势随表面势Vs变化而变化变化而变化当金属电极为正，当金属电极为正，VS0 ， Qs用负号用负号 ；当金属电极为负，当金属电极为负，VS0 ， Qs用正号用正号 ；1. 多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态)2exp(),(0000TkqVpnTkqV

11、Fspps)2exp(200TkqVqLTkEsDs)2exp(2000TkqVqLTkQsDrss)2exp(00TkqVLCsDrss以以p型半导体为例型半导体为例当外加偏压当外加偏压VG0时，时，V和和VS0,F函数中函数中expqV/k0T expqV/k0T另外，另外，np0/ /pp01,2. 平带状态平带状态当当VG=0, 表面势表面势Vs=0, 表面能带不弯曲，称为表面能带不弯曲，称为平带状态平带状态。ES=0, Qs=0， 由于由于Vs=0代入电容表达式代入电容表达式(8.31)将给出不将给出不定式，所以定式，所以 )1 (2000ppDrsspnLCDrssLC02由接近平

12、带时由接近平带时Vs趋于趋于0时的时的电容为：电容为：对对p型半导体，型半导体，np0pp0电容为：电容为：3. 耗尽状态耗尽状态当当VG为正为正, 但还不足以使但还不足以使Ei 弯曲到弯曲到 EF以下，空间电荷以下，空间电荷区处于区处于空穴耗尽状态空穴耗尽状态。V、Vs都大于零。都大于零。Np0/pp02VB时时达到强反型达到强反型,Qs随随Vs指数式指数式增大增大2/100)2(rsssTknE 2/100)2(srssnTkQCs也随也随ns增大增大而增大而增大强反型后，耗尽层宽度达到极大值强反型后，耗尽层宽度达到极大值xdm, 不随不随外加电压增大而增大外加电压增大而增大8.3 MIS

13、结构的电容结构的电容-电压特性电压特性MIS结构是组成结构是组成MOS晶体管等表面器件的基本部分。晶体管等表面器件的基本部分。 MIS结构相当于一个平行板电容器。结构相当于一个平行板电容器。对对MIS结构加某一电压结构加某一电压VG, VG一部分一部分V0降落在降落在绝缘层上，一部分绝缘层上，一部分Vs降落在半导体表面层降落在半导体表面层VG= V0 +Vs8.3.1 理想理想MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性 绝缘层中无电荷，绝缘层中电场均匀绝缘层中无电荷，绝缘层中电场均匀V0=E0d0介质中的电位移矢介质中的电位移矢量的大小量的大小D= 0 r0E0金属中的面电荷密度金属中的面电

14、荷密度QM=等于介质中的电位移矢量等于介质中的电位移矢量DV0 =E0d0= QM d0 / / 0 r0E0 r0为绝缘层介电常数为绝缘层介电常数考虑到考虑到 QM= -Qs如果如果 MIS上所加电压变化上所加电压变化dVG将将dVG代入，得代入，得00CQVs0000dCrssGdVCdQdV0则则MIS电容电容为为GsGMdVdQdVdQCsssdVCdQdQC0sssssdVdQdVdQC表明表明MIS的电容相当于绝缘层的的电容相当于绝缘层的电容和半导体空间电电容和半导体空间电荷区电容相串联。荷区电容相串联。sssssdVdQdVdQC设sssssdVdQCdVCdQdQC0011sC

15、CC1110则则C=C0 , MIS结构的电容不随结构的电容不随VG变化，变化，总电容等于绝缘层电总电容等于绝缘层电容容，说明半导体内部到表面是，说明半导体内部到表面是导通的导通的。如图。如图AB段所示段所示当偏压当偏压VG为负时，半导体表面处于堆积状态，为负时，半导体表面处于堆积状态，将表面空间电荷区的电容将表面空间电荷区的电容Cs若加较大若加较大的负电压，的负电压，)1 (2000npDsrFBSpnLCsCCC1110代入代入)2exp(11000TkqVLCCsDsr0)2exp(0TkqVs10CC则若绝缘层厚度若绝缘层厚度d0一定，一定，NA越大，表越大，表面空间电荷层越薄面空间电

16、荷层越薄CFB/C0也越大。也越大。)2exp(11000TkqVsLCCDsr若加较小的负电压，若加较小的负电压，指数项指数项不能略去，不能略去，C/C0随随|VS|的减小而减小的减小而减小 (如图如图BC段段所示所示)当当VG=0时，理想的时，理想的MIS结构，结构， VS =0，平带电容为，平带电容为2/1202000000)(11)(dNqTkCCCCArsrsrFBVsDsrFBSLC02若绝缘层厚度若绝缘层厚度d0越大，越大，C0越小，越小，CFB/C0也越大也越大。利用利用C-V特性测量表面参数时，特性测量表面参数时，常需计算常需计算CFB/C0当当Vg为正，空间电荷区处为正，空

17、间电荷区处于耗尽时，半导体电容为于耗尽时，半导体电容为2/10)2(ssrASVqNC2/100000)2(11qpVdCCpsrsrsrVG= V0 +VsV0 =-Qs/C0V0 +Vs -VG= Vs VG -(QS/C0)=02/100)(2sDsrsVqTkLQ表面电荷2/1200200)21 (1dqNVCCArsGr耗尽时，表面空间电荷厚度耗尽时，表面空间电荷厚度xd随偏压随偏压VG增大而增大增大而增大。 Xd越大，越大，则则Cs越小，越小，C/C0也减小。也减小。如图如图CD段所示段所示电容随表面势发生变化电容随表面势发生变化反型状态反型状态：当外加正向偏压：当外加正向偏压(V

18、s2 VB时时)，耗尽层宽度保持在最，耗尽层宽度保持在最大大xdm反型时，表面反型时，表面空间电容空间电容由于由于qVS2qVBk0T, 分母中第二项很快趋于零。分母中第二项很快趋于零。MIS电容电容又增大，并达到又增大，并达到C=C0（相当于（相当于EF段）（适于信号较低情段）（适于信号较低情况）。况）。2/100)(psDsrSpnLC2/1000000)2exp(110TkqVspndLCCpprrD原因：大量电子在半导体表面积累，绝缘层两边堆积原因：大量电子在半导体表面积累，绝缘层两边堆积电荷，相当于电荷，相当于平行板电容器平行板电容器。高频时，反型层中的电子的产生与复合跟不上高频信号

19、的变高频时，反型层中的电子的产生与复合跟不上高频信号的变化，即反型层中的电子数量不能随高频信号的变化而变化。化，即反型层中的电子数量不能随高频信号的变化而变化。反型时，反型时，xdm达到最大值，达到最大值，并不随并不随VG变化变化，耗尽区电，耗尽区电容达到容达到极小值并保持不变极小值并保持不变, 0000min11dxCCrdmr反型层反型层中电子对电容没有贡献，空间电荷区的电容仍有中电子对电容没有贡献，空间电荷区的电容仍有耗尽层的变化决定。耗尽层的变化决定。所以，所以，C/C0=Cmin/C0, 并保持不随并保持不随VG变化变化. 如图如图GH段段对同一种半导体，当温度一定时，对同一种半导体

20、，当温度一定时，Cmin/C0为绝缘层厚度为绝缘层厚度d0及衬底掺杂浓度及衬底掺杂浓度NA的函数。的函数。MIS结构的电容与频率有关。结构的电容与频率有关。当当d0也一定时，也一定时， NA越大，越大， Cmin/C0值就越大。值就越大。利用利用Cmin/C0值，可测定半导体表面的杂质浓度。值，可测定半导体表面的杂质浓度。MIS结构电容结构电容-电压特性电压特性开始强反型时，低频信号下开始强反型时，低频信号下的电容接近的电容接近C00000min11dxCCrdmr8.3.2 金属与半导体功函数差对金属与半导体功函数差对MIS结构结构C-V特性特性理想理想MIS结构没有考虑金属和半导结构没有考

21、虑金属和半导体的公函数差的影响。实际中，体的公函数差的影响。实际中， 金金属与半导体功函数差对属与半导体功函数差对MIS结构结构C-V特性会产生显著影响。特性会产生显著影响。以铝以铝-二氧化硅二氧化硅-p-硅组成的硅组成的MOS结构为例结构为例由于由于WsiWAl，电子从，电子从金属流向半导体金属流向半导体因此，在因此，在p-硅表面形成硅表面形成负的空间电荷区负的空间电荷区，金属表面形成正电荷。金属表面形成正电荷。产生指向半导体的电场，使硅表面层内部向下弯曲。产生指向半导体的电场，使硅表面层内部向下弯曲。半导体中电子的电势能相对于金属的半导体中电子的电势能相对于金属的接触电势差接触电势差 qV

22、ms=Ws-WmqWWVmsms这是由于金属和半导体功函数的不同，这是由于金属和半导体功函数的不同，虽然外加偏压为虽然外加偏压为零，半导体表面并不处于平带零，半导体表面并不处于平带。为了使半导体处于为了使半导体处于平带平带，需加需加一个负电压一个负电压。以抵消两边功函。以抵消两边功函数不同引起的电场和能带弯曲。数不同引起的电场和能带弯曲。所加的电压称为所加的电压称为平带电压。平带电压。qWWVVsmmsFB使理想使理想MIS结构的结构的C-V特性曲线特性曲线向负电压方向移动了向负电压方向移动了VFB的距离。的距离。8.3.3 绝缘层中的电荷对绝缘层中的电荷对MIS结构结构C-V特性的影响特性的影响绝缘层中总是会存在一定的电荷，对绝缘层中总是会存在一定的电荷，对MIS结构结构C-V特性产特性产生影响生影响无外加电压时，设绝缘层中有一薄层电荷无外加电压时，设绝缘层中有一薄层电荷Q，在金属和半，在金属和半导体表面会吸引异号电荷。导体表面会吸引异号电荷。这些电荷在半导体空间电荷层内有电场产生，使这些电荷在半导体空间电荷层内有电场产生，使半导体表面能带发生弯曲。为了恢复半导体的平半导体表面能带发生弯曲。为了恢复半导体的平带，须在金属板上加一个平带电压。带，须在金属板上加一个平带电压。若薄层电荷为正电荷，则会感应负电荷，使半导若薄层电荷为正电荷，