第七章-半导体表面与MIS结构

1、第七章半导体表面和管理信息系统结构，半导体物理，主要内容和要求(10课时):71表面状态，1928年生于德国。他于1952年在德国哥廷根大学获得理论物理学博士学位。他博士论文的题目是热电子在晶体管中的作用，这是他从事半导体物理和半导体设备研究的开始。现在他在加州圣巴巴拉用量子力学解释固体的表面状态：x0区的电子波函数是：x0区的电子波函数是：1932年，Damm严格证明了晶体自由表面的存在导致了周期性势场在表面的中断，导致了额外的能级，并且电子被局限在表面附近。这种电子态叫做表面态，相应的能级是表面能级。每个表面原子对应一个能级，它构成了表面能带。根据化学键分析，在晶体的最外层原子中有不成对的

2、电子，即不饱和键悬挂键，相应的电子能态是表面态。1.不饱和键危险带，“理想表面”是指半无限晶体表面，其中表面层中原子排列的对称性与体内完全相同，并且没有原子或分子附着在表面上。硅表面77的重构原子照片，因为悬挂键的存在，表面可以与物体交换电子和空穴。干净的表面如n型硅带负电荷。1015cm-2。通过对硅表面态的实验测量，证实了它的表面能级由两组组成：一组是施主能级，接近价带；另一组是受体水平，接近导带。目前，对硅表面态的研究很多，对禁带中表面态的分布也有一定的了解，但具体过程的重复性较差，最迫切的研究是族化合物半导体的表面态，这对微电子学的发展具有重要意义。这种表面状态的特征是它的大小与表面的

3、处理方法有关；然而，对于给定的晶体，当表面“干净”时(每个表面原子对应于禁带中的能级)，Damm的表面状态具有大约1015cm-2的某个值。事实上，因为表面被其他原子覆盖，表面状态比这个值小得多，这个值是10101015厘米-2。表面电场效应，在外部电场作用下半导体表层发生的物理现象，以及主载流子输运性质的变化。可以使用不同的方法在半导体表面层中产生电场，例如：具有不同功函数的金属和半导体之间的接触(金/半接触)，一些带电离子在半导体表面上的吸附等。通常，金属/绝缘体/半导体(MIS)结构用于研究表面电场效应，1。表面电场效应。理想的管理信息系统结构：(1)工作模式=工作模式；(2)绝缘层中没

4、有可移动电荷，绝缘层不导电；(3)在绝缘层和半导体之间的界面处没有界面状态。如何生产？因为管理信息系统结构是一个电容器，当电压施加在金属和半导体之间时，它将在金属和半导体的相对侧充电和放电。但它与一般意义上的电容不同！在金属中，自由电子的密度非常高，电荷基本上分布在非常薄的原子层的厚度范围内；在半导体中，由于自由载流子密度低得多，电荷必须以一定的厚度分布在表面层中；这个带电的表层叫做空间带电区域。1.空间电荷层和表面电位，金属中导电电子的浓度很高，而半导体载流子的浓度相对较低，在10221023cm-3，即10101019cm-3。首先，在空间电荷区中，电场从半导体的表面到主体逐渐减弱，并且电

5、场强度在空间电荷区的另一端降低到零。其次，空间电荷区的电势将随着距离逐渐变化，并且在半导体表面和物体之间将产生电势差。空间电荷区对电场、电势和能带的影响：最后，p表面空间电荷区能带的弯曲，Vg0时的：p型orn-TYPe，空间电荷区的表面电位和电荷空间电荷的分布随金属和半导体之间施加的电压Vg(栅极电压)而变化，主要可概括为积累、耗尽和反转。当表面电势高于内部电势时，它是正的，否则它是负的。在VG0时，理想半导体的能带不会弯曲，即平带条件，有时称为状态。例如，对于P型半导体，有三种情况：当VG=0时，一般讨论理想MIS结构的能带图。以P型半导体为例，如果在金属和P型半导体之间施加电压，将在半导

6、体的表面层中产生空间电荷区，并且在P型半导体的表面上感应出带负电荷的空间电荷层。如果是VG0:表面电位将为正，表面的能带将向下弯曲。费米能离价带越远，空穴浓度越小。空间电荷层中的电场从半导体表面指向物体，电子的静电势能逐渐增加，能带向下弯曲。表面电位和空间电荷区中的电荷分布可分为：(1)当施加VG0时，多子累积状态；在VG0，平带状态；在VG0，多道程序已耗尽；在VG0，少数载流子反转状态；下面分别解释(对于P型半导体):考虑到热平衡，半导体中的费米能级保持不变。如上所述，当施加的电压改变时：(1)1)VG0多光子空穴的积累，半导体中的费米能级在热平衡时保持恒定，(1)能带向上弯曲，电子伏特接

7、近甚至高于费米能级电子伏特；插件(孔)在半导体表面积累，越靠近半导体表面，多重态的浓度越高。累积的空穴分布在最靠近表面的薄层中。特点：半导体表面的能带是平坦的。表面电势为零，表面的能带不弯曲，即所谓的平带态。(2)VG=0平带态，表面能带向下弯曲；表面上的多光子浓度远小于基本耗尽的体中的多光子浓度，并且表面层上的负电荷基本上等于电离受体的杂质浓度。表面势为正，能带向下弯曲，价带的顶部位置远低于费米能级，(3)VG0耗尽态。能带进一步弯曲。1)射能级可能高于地表的中间能级Ei，射能级更接近Ec；2)表面区域出现少数电子数和多孔数的表面反转；3)反型层出现在表面，耗尽层夹在反型层和半导体内部之间。

8、(4)反转状态，以及(2)表面空间电荷层的电场、电势和电容。为了深入分析表面空间电荷层的性质，通过求解泊松方程可以定量地得到表面层中电场强度E和电势V的分布，并可以分析电容的变化规律。*考虑表面层中的载流子满足经典统计；*表面空间电荷层中的电离杂质浓度是一个常数，它等于体内的电离杂质浓度。(1)表面电场Es分布，在半导体体中，电中性条件成立，空间电荷区的电离杂质浓度与体中的电离杂质浓度相等，有：其中np0和pp0是体平衡中的电子和空穴浓度，德拜在研究电介质表面极化时提出的正离子电场可能影响电子的最远距离。这里作为特征长度。f函数是表征半导体空间电荷层性质的一个重要参数。通过引入F函数，可以表达

9、空间电荷层的其他基本参数。因此：(2)表面电荷密度分布。在上式中，金属电极是正的，即Vs0，Qs使用负号，而Qs是正号。相应地，在Vs0，电子积累在半导体表面，相反，空穴积累。表层载流子浓度的变化，表层空穴的变化CsV？可以定量分析表面层，(3)表面电容Cs，讨论：(以p型半导体为例)，外加电压VG0，即Vs0。(a)f的函数是：所以f的函数大约是：(b)平带态。当所施加的电压VG=0时，表面电势Vs=0，并且表面处的能带不弯曲，这被称为平带状态。f函数，但Vs=0不能直接得到Cs空间电荷层的电容，因为当Vs为零时，Cs的分母为零，所以要求Vs的极限值趋于零，并采用级数展开。取二次项，代入Cs

10、的表达式(10)得到：当VS趋于零时，(c)耗尽态：外加电压VG0，即表面电势Vs0，能带向下弯曲，这是空穴的势垒。然而，当VG不太大时，表面的中心能级Ei不能弯曲到费米能级以下。因此，f函数中的npo/ppo和exp(-qV/kT)可以忽略！Es、Qs、Cs随表面电位Vs变化！从上述公式可以看出，“耗尽层近似”用于处理耗尽状态：空间电荷层中的所有空穴都已完全耗尽，所有电荷都由电离的受体杂质组成。均匀掺杂半导体，空间电荷层的电荷密度为(x)=-qNA，泊松方程为：积分可得：当X=0时，表面电位为：(d)反型态，当ns=ppo时，上述公式为：所以强反型层的条件为：VS2VB，根据玻尔兹曼统计：导

11、通电压VT:当半导体表面达到强反转时，施加于金属电极的栅极电压为导通电压。此时，表面电位为：VS=2VB，对强反型层状态的讨论如下：根据博世统计，当达到临界强反型时，所以，所以，达到强反型后：Vs2VB，和qVsk0T、从上面可以看出，这是因为表面反型层中的电子屏蔽了外部电场。(2)确定了2)xdn半导体材料的性质和掺杂浓度NA；(3)当表面耗尽层达到最大值时，厚度不会增加。此外，因为表面反转层的厚度在纳米量级，相当于电子的黛博拉波长，所以应该考虑量子效应。2DEG的形成。如：硅，钠在10141017厘米-3，xdn:在0和几微米之间；表面的反型层在110纳米之间。(e)深耗尽层状态：以上是空

12、间电荷层的平衡状态，即金属和半导体施加的电压VG不变或变化很小，载流子可以跟上偏置电压的变化。如果施加的偏置电压是脉冲和高频电压，少数载流子的产生速度跟不上电压的变化，反型层不能及时建立，只能通过加宽耗尽层来满足电中性的要求。此时，耗尽层的宽度非常大，大于当反型层强时耗尽层的最大宽度，并且随着电压VG的增加而增加。深耗尽层状态也可以用于实际的半导体器件，例如电荷耦合器件。100102s热松弛时间。管理信息系统结构是表面器件如金属氧化物半导体场效应晶体管的基础部分；电容-电压特性是研究半导体表面和界面的重要手段。1.理想管理信息系统结构的电容电压特性。在金属和金属绝缘体结构的半导体之间施加一定电

13、压VG之后，电压VG的一部分Vo落在绝缘层上，而另一部分落在半导体的表面层上，形成表面电势vs。也就是说，因为它是理想的金属绝缘体结构，所以绝缘层中没有电荷，并且绝缘层中的电场是均匀的。显然，VG=上式表明，MIS结构的电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，所以MIS结构的等效电路可以得到如图所示：，MIS结构的等效电路，理想的C-。2，平带Vg=0，Vg=0，对于理想的MIS，表面电位Vs也是0。特征：归一化电容与衬底掺杂浓度和绝缘层厚度有关。当d0不变时，钠越大，CFB/C0越小，因为空间电荷层随着钠的增加而变薄。d0绝缘层的厚度越大，C0越小，CFB/C0越大。将式(841)

14、代入电容公式、中，经过简化，得到电容与偏置电压VG的关系，VG增大，C/C0减小，因为空间电荷区xd随着偏置电压的增大而增大。4，强反型后，即VS2VB:用强反型层中的电容公式代替，得到C/C0A公式，低频：受表面少数电子浓度影响，8-56。一般解释：当强反转时，VS为正，其值较大，也满足qVS2qVBkT，所以上述公式中分母的第二项为零。此时，从物理图像可以理解C/C0=1:在强反转层出现之后，大量电子聚集在半导体表面上，并且电荷聚集在绝缘层的两侧。在低频信号的情况下，少数载流子的产生和复合可以跟上低频小信号的变化。仅与绝缘电容器一样。反型层中电子的产生和复合不会随着高频信号的变化而变化，即反型层中电子的数量不会随着小信号和小电压而变化，因此不会对电容产生