半导体表面与MIS结构

1、半导体物理SemiconductorPhysics,李德昌西安电子科技大学理学院,理想MIS结构：,（1）Wm=Ws；（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。,7.1表面电场效应,第八篇半导体表面与MIS结构Semiconductorsurfaceandmatal-insulator-semiconductorstructure,Co,Cs,MIS结构,等效电路,VG=0时,理想MIS结构的能带图,Ev1,Ec1,Ei,Ev,Ec,EFs,EFm,如果VG0:,d,x,0,+VG,p型半导体表面感生一个荷负电的空间电荷层,空间电荷层内的能带发生弯曲,qVs

2、,Ec,Ev,EF,表面电势,（1）多子积累,特征：1）能带向上弯曲并接近EF；,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,Qs,Qm,x,VG0,2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。,1、空间电荷层及表面势,(2)平带,特征：半导体表面能带平直。,VG=0,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,（3）耗尽,特征：1）表面能带向下弯曲；,EFm,EFs,Ec,Ev,Ei,VG0,Qm,Qs,x,2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。,（4）反型,特征：1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；,2）表面区的少子数多子数表面反型；3）反型层和半导体内部之间还

3、夹着一层耗尽层。,2、理想MIS结构的电容效应,VG=Vs+Vo(2),（1a）表面电场分布Es,3、表面空间电荷层的电场、电势和电容,（1c）表面电容Cs,（1b）表面电荷分布Qs,（1）多子积累时：Vs0,讨论：,/Qs/,Vs,(2)平带：Vs=0,（3）耗尽：Vs0,xd,qVsq,qVB,qVs,(4)反型,根据Boltzmann统计：,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.,临界强反型时：,强反型后：VsVB，且qVsk0T,（1）、多子积累时：,（1）当/Vs/较大时，有CCo半导体从内部到表面可视为导通状态；,C/Co,（2）当/Vs/较小时

4、，有C/Co1。,7.2MIS结构的C-V特性,(2)平带状态,特征：归一化电容与衬底掺杂浓度NA和绝缘层厚度do有关。,do绝缘层厚度,（3）耗尽状态,（4）强反型后：A、低频时,B、高频时,结论,（1）半导体材料及绝缘层材料一定时，C-V特性将随do及NA而变化；（2）C-V特性与频率有关,3、金属与半导体功函数差Wms对MIS结构C-V特性的影响,例：当WmWs时，将导致C-V特性向负栅压方向移动。,结构连通后且VG=0时：,Wm,Ws,Ec,Ev,SiO2,EFm,EFs,结构还未连接时：,接触电势差qVms：因功函数不同而产生的电势差。,qVms,qVi,EF,Ei,Ec,Ev,Si

5、O2,VG0,Wm-Ws=q（Vms+Vi）qVms,例：WmWs的情况。,如何恢复平带状况？,VG=-Vms,加上负栅压,使能带恢复平直的栅电压,CFB,VFB1,平带电压VFB1,4、绝缘层电荷对MIS结构C-V特性的影响,（1A）假设在SiO2中距离金属-SiO2界面x处有一层正电荷,金属,SiO2,半导体,do,假定Wm=Ws,讨论：,恢复平带的方法：,半导体,绝缘层,金属,do,VG0,使能带恢复平直的栅电压,平带电压VFB2,（2）一般情况：正电荷在SiO2中有一定的体分布,实际MIS结构的开启电压：,7.3Si-SiO2系统的性质,1、可动离子,特点：半径较小，带正电，具有热激活的特点。如：Na+、K+、H+,2、固定电荷,位于距Si-SiO2界面约30埃以内，主要是Si-SiO2界面附近的过剩Si+。,3、界面态,存在于Si-SiO2界面离Si表面3-5埃内。分为施主界面态和受主界面态。,4、陷