第8章-半导体表面与MIS结构.ppt

耗尽层近似理论：假设空间电荷层的空穴全部被耗尽，电荷全由电离的受主杂质构成。 对于强反型，表面耗尽层宽度将达到一个极大值，不再随外加电压的变化而变化,耗尽层宽度为： e、深耗尽状态 当金属与半导体间所加电压是交变电压时，且频率很高时（脉冲电压或者高频正弦波) 空间电荷层的少数载流子的产生速度赶不上电压的变化，反型层来不及建立，，只有靠耗尽层延伸至半导体体内而产生大量电离中心，以满足电中性条件 耗尽层宽度很大，远大于强反型的最大耗尽层宽度，且其宽度随电压幅值的增加而增加，这种状态称为深耗尽状态， 耗尽层近似理论分析深耗尽状态 (d)反型状态 qVB qVs Ei 随外加正向电压VG的进一步增大，Ei下降到费米能级以下，出现了反型层（少子大于多子）。 强反型层和弱反型层以少子的浓度ns 是否超过体内多子的浓度ppo 为标志 令： 所以有： 表面处少子浓度为： 当ns=ppo时， 上式为： 而: VS≥2VB 强反型时： 半导体衬底杂质浓度高，则VB越大，Vs越大越不容易达到强反型层。 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. 此时，表面势:VS=2VB 对于强反区域： 对于一定材料的半导体，惨杂浓度越大，xdm越小，对于一定衬底浓度，禁带宽度越大，ni越小，xdm越大。 §8·3 MIS结构的电容－电压特性 一、理想MIS结构的电容－电压特性 在MIS结构上加一偏压，同时测量小信号电容随外加偏 压变化的电容－电压特性，即C-V特性。 MIS结构实际上构成了一个电容器：金属层和半导体是它的两个电极，伴随着外加偏压的变化，半导体表面形成的空间电荷层也随之变化，这相当于一个电容器的充放电过程。 在MIS结构的金属和半导体间加以某一电压VG后，电压VG的一部分Vo降在绝缘层上，而另一部分降在半导体表面层中，形成表面势Vs，即 Cs C0 上式表明MIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，由此可得MIS结构的等效电路如图所示： MIS结构的等效电路 1、多子积累时：偏压Vg为负，半导体表面处于堆积状态（以P型半导体） （1）当|Vg|较大时，|Vs |较大，有C =Co半导体从内部到表面可视为导通状态；如右图的AB段。 C/Co 表面势 为负值！ （2）当|Vg|较小时，|Vs|较小， 有C/Co1。右图的BC段。 2、平带状态 Vg=0 Vg=0,对于理想MIS表面势Vs也为0. 特征：归一化电容与衬底掺杂浓度NA和绝缘层厚度 do有关。关系如图8-11所示。 把 代入 LD 中的pp0 等于掺杂浓度NA 3、耗尽状态 VG＞0 把 式（8－41） 代入电容公式 关键Vs=? 解一元二次方程 化简整理后，得到电容和偏压VG 的关系， VG增加， C/C0 减小，是因为空间电荷区xd 随偏压 增大而增大。 强反型层电容为： 得到C/C0  受表面少子电 子浓度的影响 4、强反型后，即VS＞2VB ： 一般解释： 强反型时VS 为正，并且数值较大，同时满足 qVS＞2qVB＞＞kT，所以上式中分母第二项为 零。 这时有C/C0=1 从物理图像上理解： 强反型层出现后，大量的电子聚积在半导体的 表面，绝缘层两边堆积了电荷，并且在低频信 号时，少子的产生和复合跟得上低频小信号得 变化。如同只有绝缘层电容一样。 B、高频时： 反型层中的电子的产生和复合将跟不上 高频信号的变化，即反型层中的电子数量不随小信号 电压而变化，所以对电 容没有贡献。 杂质浓度 8－57式 理想MIS结构C-V特性小结： （1）半导体材料及绝缘层材料一定时，C-V 特性将随绝缘层厚度do及半导体杂质浓度NA而变化； （2）C-V特性与频率有关，尤其是反型层时 的C-V曲线的形状。 二、金属与半导体功函数差Wms 对MIS结构C-V特性的影响 在实际的MIS结构中，存在一些因素影响着MIS的C-V 特性，如：金属和半导体之间的功函数的差、绝缘层 中的电荷等。 ＭＩＳ结构连通后,且VG=0时： 电子将由费米能级高的材料流向费米能级低的材料，从而产生接触电势差，使能带弯曲。 形成接触电势差： qVms ＝W s － Wm  所以，在偏压V=0时，半导体的表面层不处于平带 状态。 qVms qVi EF Ei Ec Ev SiO2 VG=0 理想MIS结构的平带点受到金属和半导体功函数 的影响，由VG=0处移到了VG=VFB处。 要恢复平带状态，必须在金属和半导体之间加一定的负电压，以抵消由于功函数不同而引起的电场和能带弯曲 使能带恢复平直的栅电压 CFB VFB 平带电压VFB 三、绝缘层电荷对MIS