半导体物理学第八章名师优质课获奖市赛课一等奖课件

半导体中电子状态半导体中杂质和缺点能级半导体中载流子统计分布半导体导电性非平衡载流子pn结金属和半导体接触半导体表面与MIS结构半导体物理学第1页第8章半导体表面与MIS结构

8.1表面态

8.2表面电场效应

8.3MIS结构电容一电压特征

8.4硅一二氧化硅系统性质

8.5表面电导及迁移率

8.6表面电场对pn结特征影响

第2页MIS结构第3页MIS结构理想情况金属与半导体间功函数差为零绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态第4页能带图第5页能带图-1无偏压时MOS结构中因为功函数差引发表面能带弯曲第6页偏压时MOS结构表面能带弯曲过渡区：平带？第7页外加偏置FlatBand第8页★表面空间电荷层空间电荷区:半导体中展现非电中性(出现静电荷)区域表面空间电荷区起因:屏蔽外界影响产生电场[外电场;表面态;表面原子吸附或薄层覆盖;界面]特点:表面空间电荷区中存在电场,能带发生弯曲.表面势VS—半导体表面相对于体内电势值

第9页定性图象:设半导体表面外有电场

i(或写作Vg，栅压，以指向半导体表面为正).半导体

i

>0(VS>0)

i

<0(VS<0)n型电子积累

表面耗尽, 表面反型p型表面耗尽,空穴积累表面反型第10页p型

i

>0(VS>0)

第11页对表面空间电荷区普通讨论:解泊松方程(空间电荷区中电势满足方程)其中第12页求解方程,可得到表面空间电荷层基本参数:

♦表面电场强度Es(Vs)

♦表面空间电荷面密度Qsc(Vs)

♦单位面积空间电荷层电容Csc(Vs)

应用C-V特征研究表面空间电荷层第13页我们将直接讨论各种经典情况下空间电荷区,给出半定量或定性结果:♦当外加电场

i改变(外加电压改变),表面势VS(表面空间电荷层)随之改变

♦讨论表面空间电荷面密度QSC和空间电荷层电容(单位面积)CSC随表面势VS改变第14页MIS电容：P型半导体第15页MIS电容电容定义:第16页MIS电容-2积累态:耗尽态:第17页MIS电容-3反型第18页试验结果第19页深耗尽从耗尽扫描到反型时,需要少子第20页★几个经典情况以p型半导体表面为例①表面积累(多数载流子堆积状态):

♦当

i

<0

,表面空穴积累,QSC>0能带上弯,VS<0

♦空穴积累于靠近表面薄层,且随表面势数值增加而快速增加.

♦CSC很大第21页①②第22页②表面耗尽:

♦

i>0

,VS>0

,能带下弯,QSC<0

•当0<VS<2VB,可应用耗尽层近似其中,eVB=(Ei-EF)p

♦此时,-ρ(x)=eNA,泊松方程为:第23页♦解泊松方程,得到:第24页图8-7第25页③表面反型(强反型):♦当VS=2VB

耗尽层宽度到达最大

♦

i继续增加,VS

>2VB,表面nS>pB

♦

CSC很大

第26页③表面反型第27页一维电子势阱中2DEG

♦当VS

>2VB,半导体表面出现反型层(MOS器件中称为沟道),即电子势阱♦当势阱宽度足够窄,势阱中电子即称为一维电子势阱中2DEG:势阱中电子在平行于界面(势阱壁)方向运动,可视作二维准自由电子运动;在垂直于界面(势阱壁)方向运动,必须考虑量子效应--能量量子化.第28页①②③第29页图8-6①②③第30页④表面平带状态:

♦

VS

=0,QSC

=0,但CSC≠0

♦泊松方程:

♦方程解为:第31页

♦平带电容

♦德拜长度第32页对半导体表面空间电荷区电容小结:♦表面积累,CSC很大♦表面耗尽♦表面反型,CSC很大♦表面平带第33页理想MOS结构金属-氧化物(SiO2)-半导体(Si)（MOS）结构是主流半导体器件CMOS主要组成部分，经典结构如Al/SiO2/p-Si，其基本能带结构参数以下列图所表示。第34页理想MOS结构定义首先讨论p-Si作为衬底理想MOS结构。所谓理想MOS结构满足以下一些条件：金属与半导体功函数相同，即：φM

=φS♦Vms=0氧化层是理想绝缘体，即电阻率无穷大，没有体电荷和缺点态存在；♦Qox=0氧化层与半导体Si界面是理想界面，即没有界面电荷和界面态存在；金属与氧化层界面是理想界面，没有界面缺点存在。♦Qss=0第35页理想MOS结构能带图热平衡情形能带结构：1）三种材料接触组成MOS结构，在热平衡情况下Ef=常数，正如schottky接触或P-N结二极管。2）经过SiO2电流为0，所以，MOS结构由靠本身结构首先由非平衡到达平衡过程将非常漫长，或者需要经过辅助导电路径，实现热平衡。理想MOS平衡能带图对于MOS结构，主要是了解不一样偏置电压下能带结构和电荷分布情形第36页第37页理想MOS结构各种状态在理想情形，因为在Si中没有净电流存在，所以，在各种栅压条件下，Si内费米能级将保持平直，这意味着在各种栅压下，半导体都可作为热平衡状态处理。通常将Si表面电势相对于Si体内电势改变称为表面势。在各种栅压条件下，MOS结构能带将会出现：积累、平带、耗尽、反型等几个情形。需要了解不一样栅压下，表面势、电荷分布改变情况。第38页理想MOS结构各种状态平带情形：表面势为0情形。积累情形：Si表面产生多子积累情形，对P-Si来说，是空穴积累情形，Si表面价带将更靠近费米能级，发生能带向上弯曲现象。耗尽情形：半导体表面发生多子耗尽情形。对P-Si，发生空穴耗尽，能带向下弯曲，表面势为正值。反型情形：半导体表面发生少子浓度超出多子浓度情形，故称为反型。此时，能带向下弯曲，并在表面处，费米能级低于本征费米能级。这种表面出现少子浓度高于多子浓度现象是在外加场作用下发生，称为场效应反型现象。第39页各种状态下电势和电荷分布积累和耗尽情形（1）在硅中费米能级依然是常数。（2）空穴积累时，空穴浓度在硅表面处比体中大，硅表面处EV

和EF比较靠近，能带向上弯曲。积累表面空穴分布在硅表面很窄德拜长度内，可近似看成薄层电荷，这一情形和平行板电容相同。（3）耗尽时，Si表面出现载流子耗尽，表面电荷表现为耗尽电荷。耗尽层随栅压增加而变宽（以增加耗尽电荷量）。第40页第41页反型时到达反型后，随栅压增加，在半导体表面区域电荷将包含耗尽电荷和反型载流子电荷两部分；而且随栅压增加将只有很小电势降在半导体上，因为半导体表面很小电势增量将使电子浓度增加很多第42页第43页第44页§6MOS结构C-V特征

(1)

MOS结构微分电容(2)

理想MOS结构低频C-V特征(3)理想MOS结构高频C-V特征(4)实际MOS结构及其C-V特征第45页第46页★

MOS结构微分电容

♦栅压--VG=VOX+VS,

♦当不考虑表面态电荷,半导体总电荷面密度--QS

=QSC=-QG

♦MOS结构微分电容—

CdQG/dVG

第47页

定义:♦氧化层电容—COXdQG/dVOX=εox

ε0

/dox

♦空间电荷区电容—

CSC

-dQSC/dVS,

则有:等效电路模型表征MOS结构中能够存放电荷原因包含栅氧化层和Si半导体层，其中，Si层电荷存放能力与表面势相关第48页第49页第50页第51页2、平带情形 在平带电压（VFB）情形下，Si表面将没有电荷存在，不过因为我们所讨论电容为小信号交变电容。所以，在平带情形下，施加很小交变电压，仍会在Si表面德拜长度范围内感应电荷产生。将平带情形对应MOS电容称为平带电容。因为在平带情形下，交变电压感应电荷不会恰好在氧化层下表面产生，而是发生在距氧化层下Si表面德拜长度内，所以平带情形Si电容与Si中感应电荷分布德拜长度相关。第52页第53页第54页第55页第56页第57页

★低频（准静态）C-V特征总结一下低频情形下电容随栅压改变特征，其中不考虑随栅压改变频率对Si中感应载流子产生和复合影响（准静态情形）。①

VG<0,VS<0,表面积累

CSC很大,(C/Cox)→1,MOS结构电容展现为Cox。第58页②VG=0,VS=0表面平带

在平带电压（VFB）处不存在电荷，不过施加很小电压，就会在德拜长度范围内产生电荷。换句话说，平均电荷不会恰好在氧化层下表面产生，而是在离氧化层下表面德拜长度内。所以在VFB处电容为氧化层电容Cox和Si电容Cs串联电容。第59页③VG>0,0<VS<2VB表面耗尽第60页④

VG>VT,VS>2VB,表面强反型,CSC很大,(C/Cox)→1阈值电压(开启电压)[半导体表面刚到达强反型时所加栅压]VT

=VOX+VS=-(Qdm/COX)+2VB

Qdm=-eNAdm一旦反型层（Inversion）形成，电容开始增加，Si电容逐步开始转变为主要由反型层电荷随表面势改变决定。

第61页①②③MOS结构C-V特征第62页图8-11第63页⑤掺杂,氧化层厚度对C-V曲线影响:掺杂越大,or/and氧化层厚度dox越大•CFB/COX越大•VT越大—极值右移•CdM越大—极值上移第64页★高频C-V特征♦表面积累,表面耗尽,高低频特征一样♦VG>VT,VS>2VB,表面强反型,高频时,反型层中电子增减跟不上频率改变,空间电荷区电容展现是耗尽层电容最小值♦MOS结构电容也展现最小值不再随偏压VG展现显著改变

第65页反型层电荷主要由少数载流子决定，在低频时，它随电场改变而改变，反型电容起主要作用。当频率高于某一频率值时，反型层电荷（少子电荷）将不能交变信号，即少子产生复合速度跟随不上电场频率改变，于是反型层电荷将不随交变电场改变，这意味着与反型层电荷相关交变电容为0。假设少子响应时间由少数载流子产生－复合电流决定。在响应时间内，要能够产生足够少子赔偿耗尽层电荷作用第66页则响应时间为：该值经典值为：0.1~10秒。所以，当交变电压信号频率高于100Hz时，反型层电荷将跟不上栅压改变，只有耗尽电荷（多子行为）能够跟随电压信号改变而改变，于是，Si电容只由耗尽层电容决定，由此确定最小电容值发生在发生强反型最大耗尽层厚度情形，表示式为：第67页第68页图8-12第69页③③第70页★深耗尽状态当偏压VG改变十分快速,且其正向幅度大于VT,则:即使表面势VS>2VB,反型层也来不及建立,耗尽层宽度随偏压幅度增大而增大--深耗尽状态当表面处于深耗尽--随VG增加,d增加(>dM),MOS结构电容不再展现为最小值.第71页★实际MOS结构(Ⅰ)

功函数差异影响平带电压--为了恢复半导体表面平带状态需要加电压.考虑功函数差异影响:

VFB=-Vms第72页第73页非理想MOS电容热平衡P型硅里空穴平均能量比金属中空穴平均能量要高，到达热平衡时将发生空穴从硅向金属移动，硅表面能带向下弯曲。热平衡时，Vg=01)在材料界面处EC和EV突变2）在SiO2上压降大小与硅中表面势和费米能级Ef相关，因为没有电流流过SiO2，这一电压能够维持下去。3）存在势垒限制载流子在金属与半导体之间运动4）在硅表面，EV离EF较远，表面空穴耗尽。第74页非理想MOS电容偏置经过外加栅压VFB=φM−φS，能够使半导体恢复到平带，所加电压称为平带电压。平带电压是MOS结构主要物理参量之一，经过确定平带电容来确定。1）因为二氧化硅使得Si中不存在电流，所以Si中费米能级EF是常量。2)EC

和EV是平，没有弯曲，硅中空穴和电子浓度各处相等，可知硅和二氧化硅中电场强度为零。3)所对应情况称为平带情形，所加电压称为平带电压VFB，VFB=φMS

。第75页第76页第77页

★实际MOS结构C-V特征--(Ⅱ)