第七章-半导体表面与MIS结构.ppt

理想MIS结构的C-V特性 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/Vs/较大时，有C Co 半导体从内部到表面可视为导通状态； C/Co 把式8－35代入 上式中，可得 表面势 为负值！ （2）当/Vs/较小时，有C/Co1。 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。 d0 一定时， NA 越大，则 CFB/C0 越小，因为空间电 荷层随NA 增大而变薄； d0 绝缘层厚度越大， C0越小， CFB/C0 越大。 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=? 式8－39 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。 4、强反型后，即VS＞2VB ：把强反型层时的电容公式代入，得到C/C0 A、低频时： 受表面少子电 子浓度的影响 8-56式 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。 例：以Al/SiO2/P-type-Si 的MOS结构为例： P型硅的功函数一般较铝大， 当WmWs时，将导致C-V特性向负栅压方向移动。 Why? ＭＩＳ结构还未连接时： Ws Ec Ev SiO2 EFs Wm Ws Ec Ev SiO2 EFm EFs Eo ＭＩＳ结构连通后,且VG=0时： Wm EFm EFs Ws Ec Ev Eo SiO2 电子将从金属流向半 导体中，会在p型硅的 表面形成带负电的空间 电荷层，而在金属表面 产生正电荷，这些正电 荷在SiO2和Si表面层内 产生指向半导体内部的 电场，使得半导体表面 能带向下弯曲，同时硅 内部的费米能级相对于 金属的费米能级要向上 提高，到达相等而平衡。 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 如何恢复平带状况？ 加上负栅压 VG=-Vms SiO2 Wm Ws 以抵消由于 两者功函数 的不同所引 起的电场和 能带的弯曲 使能带恢复平直的栅电压 CFB VFB 平带电压VFB 实验上，可计算出 理想状态时的平带 电容值，然后在CFB 引与电压轴平行的 直线，和实际曲线 相交点在电压轴上 的坐标，即VFB 实际 How about Pt? 三、绝缘层电荷对MIS 结构C-V特性的影响 一般有： 由于这些电荷的存在，将在金属和半导体表面感 应出相反符号的电荷，在半导体的空间电荷层内 产生电场使得能带发生弯曲。也即没有偏压，也 可使得半导体表面层离开平带状态。 （1）假设在SiO2中距离金属/SiO2的界面x处有一层正电荷 金属 SiO2 半导体 do 讨论：假定半导体和金属的功函数相同， 即Wm=Ws 金属 半导体 Ec 半导体表面 能带下弯 恢复平带的方法： 半导体 绝缘层 金属 do 在金属一边加上负电压， 并且逐渐增大，使得半 导体表面层的负电荷随之 减小，直至完全消失。这 时在半导体表面层内，在 氧化物中存在的薄的正电 荷产生的电场完全被金属 表面增加的负电荷的电场 屏蔽了，半导体表面的能 带又平了，即恢复到 平带状态。 加偏压VG0 使能带恢复平直的栅电压 平带电压VFB2 E为金属与薄层电荷之间的电场 由高斯定律可知，金属与薄层电荷间的电位移电荷密度等于 显然，当薄层电荷贴近半导体时平 带电压最大。而位于金属和绝缘体 界面处对C-V特征没有影响。 （2）一般情况