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第七章 表面电场效应和MOS物理 1 MOSFET是现代数字集成电路的核心器件。 MOSFET剖面图 • MOSFET与半导体表面及半导体-绝缘层界面性质密 切相关。 • MOSFET的核心部分是MOS(MIS)结构。 2 本章研究半导体/绝缘层界面性质以及MOS结构的电学 特性。 半导体表面以及半导体－绝缘层界面性质； 表面电场效应（是MOSFEF工作的基础）； MOS结构C-V特性。 3 §7.1 半导体表面和Si －SiO2界面 7.1.1 表面态 由于晶格周期性在表面处中断 而出现的局（定）域于表面附近 的电子态——表面态 禁带中的电子态数等于表面原子 数，表面原子面密度∼1015 2 /cm ，所 以表面能级准连续地分布在禁带 中。 总之，表面态起因于周期场在表面处中断；空间上 定域于晶体表面；能级位于禁带中。 4 从化学键角度来说明表面态 中性的表面硅原子：Si0 有一个未成键的电子（悬挂键） 中性的表面硅原子接受一个电子成为 负电中心： Si0 +e →Si− 表面态起受主作用，相应的能级为受主能级 中性的表面硅原子释放一个电子成为 正电中心： Si0 −e →Si+ 表面态起施主作用，相应的能级为施主能级 5 表面态既可以起受主作用，也 可以起施主作用。对于正的电子 相关能情形，受主能级能量高于 施主能级能量。 6 7.1.2 Si-SiO 界面 2 借助MOS结构研究Si-SiO2界面性质。 Si-SiO2界面： 不是几何平面：空间起伏； 存在非理想配比的过渡层 SiO （x = 0 ∼2 ）。 x SiO 中及Si-SiO 界面处存在 2 2 电荷，主要包括： 固定电荷Qf 可动电荷Qm 界面态电荷Qit 陷阱电荷Qot 7 固定电荷Q ： f 位于Si-SiO2界面附近(过渡区)； 正电荷； 位置固定( 电场作用下不运动)； 电荷固定(不和Si交换电子)； 10 12 2 面密度Nf 在10 ∼10 /cm 量级； 起源于界面附近的过剩Si+ 离子。 可动电荷Q ： m + SiO2 中的杂质离子，主要是Na 钠离子。 正电荷； + + Na 在SiO 中的扩散系数(迁移率)很大