半导体物理 第八章 半导体表面与MIS结构3

1、重点 1、表面电场效应与电容-电压特性： 2、阈值电压 3、平带电压 第八章 半导体表面与MIS结构Semiconductor surface and metal-insulator- semiconductor structure一般概念讨论在热平衡情况的表面电场效应，以及外加电场作用下半导体表面层内现象。表面电场产生的原因：功函数不同的金属和半导体接触，或半导体表面外吸附某种带电离子等。表面电场效应的研究方法： MIS结构理想MIS结构的 电容-电压特性CsCoMIS结构实际MIS结构的C-V特性 VFBMIS结构意义：分析实验C-V曲线，监控集成电路生产制造工艺、以及对MIS晶体管可靠性

2、物理及失效机理作基本分析空间电荷层及表面势的概念 MIS结构相当于一个电容，在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充电。两者所带电荷符号相反，但电荷分布情况不同。金属中自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围之内；在半导体中自由载流子密度要低得多，电荷分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层称做空间电荷区。 空间电荷区内从表面到内部电场逐渐减弱，到另端减小到零。空间电荷区内的电势随距离逐渐变化。半导体表面相对体内存在电势差，能带发生弯曲。常称空间电荷层两端的电势差为表面势（VS表示）。 规定表面电势比内部高时取正值，反之取负值。表面势及空间电荷区内电荷的

3、分布情况随金属与半导体间所加的电压VG而变化，基本上可归纳为多子堆积、耗尽和反型三种情况 ：8.1 表 面 电 场 效 应 Effect of Surface Electric理想MIS结构（1）Wm=Ws(金属与半导体间功函数差为零)； （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。Effect of Surface ElectricCoCsMIS结构等效电路Effect of Surface ElectricVG=0时,理想MIS结构的能带图 Ev1Ec1EiEvEcEFsEFmEffect of Surface Electric讨论p型半导体情况多数载流

4、子堆积状态 ：金属与半导本间加负电压(指金属接负，VG0)时，表面势为正值、表面处能带向下弯曲，如图(b)所示。 越接近表面，费米能级离价带顶越远、价带中空穴浓度随之降低。在靠近表面的一定区域内，价带顶位置比费米能级低得多，根据玻尔兹曼分布，表面处空穴浓度将较体内空穴浓度低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面的这种状态称做耗尽。如果VG0: dx0+VGp型半导体表面感生一个荷负电的空间电荷层Effect of Surface Electric空间电荷层内的能带发生弯曲 qVsEcEvEFEffect of Surface Electric表面电势 VsEffect of Su

5、rface Electric少数载流子反型状态： 加在金属和半导体间的正电压较大时，VG0。表面处能带相对于体内将进一步向下弯曲。如图(c)所示 表面处费米能级位置可能高过禁带中央能量Ei，也就是说，费米能级离导带底比离价带项更近一些，这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层，叫做反型层。 反型层发生在近表面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。这种情况下，半导体空间电荷层内的负电荷由两部分组成，一部分是耗尽层中主要为带负电荷电离受主，另部分是反型层中的电子，主要堆积在近表面区。对于n型半导体，当金属与半导体间加正电压时，表面层内形成多数载流子电子的堆

6、积；当金属与半导体间加不太高的负电压时，半导体表面内形成耗尽层；当负电压进一步增大时，表面层内形成有少数载流子空穴堆积的反型层。P型半导体的表面电荷QS和表面势VS关系1、空间电荷层及表面势 Effect of Surface ElectricEffect of Surface Electric（1） 多 子 积 累 特征： 1）能带向上弯曲 并接近EF；EFmEFsEcEvEiQsQmxVG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。表面积累 VG0VG0表面耗尽 平 带表面反型VG=02、理想MIS结构的电容效应Effect of Surface ElectricVG=Vs

7、+Vo (2)Effect of Surface ElectricEffect of Surface Electric（1a）表面电场分布EsEffect of Surface Electric3、表面空间电荷层的电场、电势和电容 Effect of Surface ElectricEffect of Surface ElectricEffect of Surface Electric（1b）表面电荷分布QsEffect of Surface Electric（1c）表面电容CsEffect of Surface Electric讨论：Effect of Surface Electric（1）

8、多子积累时：Vs0Effect of Surface ElectricEffect of Surface ElectricVs/Qs/Effect of Surface Electric(2)平带：Vs=0Effect of Surface ElectricEffect of Surface ElectricCFBEffect of Surface Electric（3）耗尽： Vs0 Effect of Surface Electric/Qs/VsEffect of Surface ElectricxdEffect of Surface Electric(4)反型 Effect of Surface ElectricqVBqVsEffect of Surface Electric根据Boltzmann统计： Effect of Surface Electric Effect of Surface Electric开启电压VT：使半导体表面达到强反型时加在金属电极上的栅电压就是开启电压.Effect of Surface Electric临界强反型时：