第七章 半导体表面与MIS结构.doc

第七章 半导体表面与MIS结构 本章介绍 本章引入表面态的概念，主要讨论MIS结构中半导体的表面电场效应和电容-电压特性。介绍Si-SiO2系统的性质，定性介绍了表面电导及迁移率。 在8.1节，引入表面态的概念，说明表面态的来源。 在8.2节，讨论热平衡状态下理想MIS结构中半导体的表面电场效应，包括表面势，表面空间电荷区的电场、电势和电容。定性阐述深耗尽状态下的表面电场效应。 在4.3节，讨论理想MIS结构的电容-电压特性，并讨论金属和半导体功函数差、绝缘层电荷对MIS结构的电容-电压特性特性的影响。 在8.4节，介绍Si-SiO2系统的性质。 在8.4节，定性介绍了表面电导及迁移率。 8.1 表面态 本节要点： 1、表面态 晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，即表面态。表面态可看作表面最外层的原子未饱和键（悬挂键）所对应得电子能态，另外表面处还有由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。 表面态改变了晶体周期性势场，它和半导体内部交换电子和空穴，半导体表面状况严重影响半导体器件和集成电路的电学特性，尤其是稳定性和可靠性。 8.2表面电场效应 本节要点： 1、MIS结构在不同电压下的表面势； 2、MIS结构表面空间电荷区的电场、电势和电容； 3、MIS结构表面强反型的条件； 4、MIS结构深耗尽状态 表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加电压而变化，可归纳为多子堆积，耗尽，反型，深耗尽四种情况，对n型半导体，五种情况如下图所示。 (a) 堆积状态 金属与半导体间加正电压，表面势Vs为正值，表面处能带向下弯曲，表面多子－电子浓度增加，这样表面层内出现电子堆积。为 空间电荷区电荷密度 (8-1) 空间电荷区电容 (8-2) 空间电荷区电场 (8-3) (b) 耗尽状态 金属与半导体间加不太高的负电压，表面势V为负值，表面处能带向上弯曲，越接近表面，Ec离EF越远，导带中电子浓度越低，表面多子耗尽，正电荷浓度近似为电离施主浓度。 空间电荷区电荷密度 (8-4) 空间电荷区电容 (8-5) 空间电荷区电场 (8-5) 此时，空间电荷区电容相当于平板电容器，其绝缘层厚度为耗尽层宽度。 (c) 反型状态 金属和半导体间加负电压,且V0，表面能带向上弯曲，表面处EF低于Ei，空穴浓度超过电子浓度，表面导电类型与体内相反，叫反型层。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。半导体空间电荷层内的正电荷由两部分组成，一部分是耗尽层中已电离的施主正电荷，一部分是反型层中的空穴。 强反型条件 (8-7) 其中。此时，在半导体表面少子浓度 杂质浓度越高，越难达到强反型。当Vs=2VB时，金属上加的电压称为开启电压。 一旦出现强反型，表面耗尽层宽度达到极大值x 强反型后，空间电荷区电荷密度 (8-8) 空间电荷区电容 (8-9) 空间电荷区电场 (8-10) (d) 深耗尽状态 当在金属和半导体间的负电压值突然迅速增大，反型层内电荷跟不上外加电压的变化，为满足绝缘层两边的正负电荷量的平衡，半导体的耗尽层进一步展宽，这种情况称为表面深耗尽。 (e) 平带状态 理想MIS结构，当VG=0时，Vs=0，表面能带不弯曲，Qs=0，E=0。此时空间电荷区电容称为平带电容，用CFBS表示 (8-11) 8.3 MIS结构的C-V特性 本节要点： 1、理想MIS结构的C-V特性； 2、金属、半导体功函数差对MIS结构的C-V特性的影响； 3、绝缘层电荷对MIS结构的C-V特性的影响 加在MIS结构金属板上的电压V降在绝缘层和半导体表面层中，即 VG= V0+ Vs (8-12)