第八章 半导体表面与MIS结构第八章 半导体表面与MIS结构第八章 半导体表面与MIS结构重点：表面空间电荷层的性质 (表面电场效应)MIS结构的C-V特性(理想和非理性MOS电容)多子堆积状态平带状态多子耗尽状态少子反型状态硅二氧化硅系统的性质 平带电压第八章 半导体表面与MIS结构金属绝缘层半导体欧姆接触C0CsVGMIS结构的等效电路MIS结构示意图第八章 半导体表面与MIS结构VFB理想实际C/C00VGP型半导体MIS结构的C-V特性第八章 半导体表面与MIS结构半导体表面效应支配着大部分半导体器件的特性。 MOS（金属氧化物半导体）器件电荷耦合器件CCD表面发光器件等利用半导体表面效应半导体表面研究，半导体表面理论发展，对改善器件性能，提高器件稳定性，探索新型器件等具有重要意义。OSM第八章 半导体表面与MIS结构最初的MIS结构是由Moll在1959年作为变容二极管的电压控制电容提出的。Al/SiO2/SiMoll当时已经建议由MIS电容监控氧化硅质量。OSM第八章 半导体表面与MIS结构1962年， Moll的两位研究生发表的博士论文（ An investigating of surface state at a silicon silicon dioxide interface employing metal-oxide- silicon diodes,Solid State Electronics,5(5),Lewis M. Terman,1962)中对MIS中界面束缚态进行详尽研究在两种材料边界和界面中，束缚态称为界面陷阱。由C-V特性曲线数据给出界面陷阱总密度。OSM第八章 半导体表面与MIS结构20世纪70年代起，HFCV普遍用作VLSI制造过程监控方法。1965年GROVE等给出正确HFCV物理模型和理 论(Investigating of thermally oxidized silicon surface using metal-oxide-semiconductor structures, J. Appl. Phys. 33 (8), 1964) 。1970年Smith在贝尔实验室发明CCD器件。第八章 半导体表面与MIS结构作为半导体表面研究，难度大。侧重于：实际表面表面态概念表面电场效应硅二氧化硅系统性质MIS（指金属绝缘层半导体）结构的电容电压特性等表面效应第八章 半导体表面与MIS结构 8.1 表面态表面处晶体的周期场中断；表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性；表面往往要特殊保护措施，如钝化表面是器件制备的基础，如MOSFET等一、表面的特殊性一、表面的特殊性第八章 半导体表面与MIS结构 二、 理想表面 理想一维晶体表面态：薛定谔方 程为xV(x)V0E0 aE 0时，MIS+- - -金属绝缘层半导体欧姆接触ECEVEFQmQsMIS结构实际是一个电容第八章 半导体表面与MIS结构加电压后，金属和半导体两个面内要充电(Qm=- Qs) 金属中，自由电子密度高，电荷分布在一 个原子层的厚度范围之内半导体中，自由载流子密度低，对应Qs的电荷 分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层 叫空间电荷区第八章 半导体表面与MIS结构VG0时，MIS结构的能 带图,空间电荷区能带发生弯 曲MIS+- - - 0dECEVEF0dqVS空间电荷区内： 1)空间电场逐渐减弱 2)电势随距离逐渐变化 能带弯曲第八章 半导体表面与MIS结构表面势(VS)：空间电荷区两端的电势差 表面电势比内部高，VS0;表面电势低于内部，VS0ECEVEiEF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构越近表面，费米能级离价带顶越远，价带中 空穴浓度随之降低。 表面处空穴浓度比体内低得多，表面层的负 电荷基本上等于电离受主杂质浓度。 表面层的这种状态称做耗尽。VG0ECEVEi EF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构 4少子反型状态金/半间的正电压进一步增大，表面处能带进一步向下弯曲。表面处EF超过Ei，费米能级离导带底比离价带顶更近。ECEVEiEF少子反型VG0第八章 半导体表面与MIS结构表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原 来半导体衬底导电类型相反的层-反型层。 ECEVEiEF少子反型VG0第八章 半导体表面与MIS结构反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成，一是耗尽层中已电离的受主负电荷，一是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区。ECEVEi EF少子反型VG0第八章 半导体表面与MIS结构归 纳 ：多子堆积VG=0平带状态ECEVEFEiVG0ECEVEi EF多子耗尽ECEVEi EF少子反型VG0第八章 半导体表面与MIS结构问题：金/O/n型半结构分析同学们可试试。第八章 半导体表面与MIS结构8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势、电容通过解泊松方程定量地求出表面层中电场强度 和电势的分布，以分析表面空间电荷层的性质。 金属绝缘层半导体欧姆接触VG0ECEVEi EF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构空间电荷区的泊松方程假设：半导体表面是个无限大的面，其线度空间电荷层厚度 一维近似，(,E,V)不依赖y,z半导体厚度空间电荷层厚度 半导体体内电中性半导体均匀掺杂非简并统计适用于空间电荷层不考虑量子效应第八章 半导体表面与MIS结构 1a) 空间电荷层电场分布 空间电荷层中电势满足的泊松方程为rs半导体相对介电常数，(x)总空间电荷密度VG0ECEVEi EF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构表面层电势为V的x点（取半导体内电势为零），电子和 空穴的浓度分别为np0: 半导体体内平衡电子浓度 Pp0:半导体体内平衡空穴浓度EC(x)=EC0-qV(x)VG0ECEVEi EF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构半导体内部，电中性条件成立 (x)=0即VG0ECEVEi EF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构将式（8-16）（8-19）代入式（8-15），则得第八章 半导体表面与MIS结构数学上做些处理两边乘以dV积分得：从空间电荷层内边界积分到表面第八章 半导体表面与MIS结构两边积分，电场强度|E|=-dV/dx，则得第八章 半导体表面与MIS结构令 LD：德拜长度F函数则“+”：V0“-”: V0ECEVEi EF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构1b）表面电荷分布？根据高斯定理： Qs=-rs0Es负号与规定有关（规定电场强度指向半导体内部时为正）。 Es代入上式，则得金属电极为正，Vs0，Qs负号；反之Qs正号。第八章 半导体表面与MIS结构1c）表面电容分布上式给出单位面积上的电容，单位为F/m2。第八章 半导体表面与MIS结构多子堆积平带多子耗尽少子反型进行相应近似ES QSCS四种基本状态的电场、电势和电容第八章 半导体表面与MIS结构应用上面公式分析表面层的状态1. 多子堆积 p型VG0 ECEVEFEiVG0，有VG0ECEVEiEF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构将上式代入式（8-26）及式（8-27），得VG0ECEVEi EF多子耗尽第八章 半导体表面与MIS结构表面电场强度和表面电荷数正比于（Vs）1/2 。Es为正值，说明表面电场方向与x轴正向一致；Qs为负值，表空间电荷是电离受主杂质形式的负电荷。第八章 半导体表面与MIS结构积累平带耗尽弱反型强反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4第八章 半导体表面与MIS结构耗尽时表面空间电荷区的电容可从式（8-31）求得为将式（8-23）的LD代入上式，电离饱和时Pp0=NA，则得第八章 半导体表面与MIS结构“耗尽层近似”处理设空间电荷层的空穴全部耗尽，电荷全由已电离的受主杂质构成。若半导体掺杂均匀，则(x)=-qNA，泊松方程为第八章 半导体表面与MIS结构 Xd：耗尽层宽度，半导体内部电场强度及电势为零，边界条件：积分第八章 半导体表面与MIS结构代入（8-41），得表明Cs相当距离为xd的平板电容器的单位面积电容。xd表面处x=0，则得表面电势第八章 半导体表面与MIS结构从耗尽层近似很易得出半导体空间电荷层中单位面积的电量为Qs =-qNAxd （8-45）与由式（8-39）中代入LD值所得结果相同。第八章 半导体表面与MIS结构 4. 反型状态外加正电压VG增大，表面处禁带中央能值 Ei可降到EF下，出现反型层。 以表面处少子浓度ns是否超过体内多子浓 度pp0为标志。强反型弱反型ECEVEiEF少子反型VG0第八章 半导体表面与MIS结构表面处少子浓度为表面处少子浓度ns=pp0时，上式化为第八章 半导体表面与MIS结构 另据玻耳兹曼统计得qVB=Ei-EFqVBqVBECEVEFEi强反型临界条件时的能带图第八章 半导体表面与MIS结构得强反型的条件 Vs2VB (8-47)qVBqVBECEVEFEi强反型临界条件时的能带图第八章 半导体表面与MIS结构发生强反型的临界条件：Vs=2VB图表示这时表面层的能带弯曲。qVBqVBECEVEFEi强反型临界条件时的能带图第八章 半导体表面与MIS结构以pp0=NA代入式（8-46），得则强反型条件可写为第八章 半导体表面与MIS结构从上式知，衬底杂质浓度越高，Vs越大，越不易达强反型。 第八章 半导体表面与MIS结构开启电压：对应于表面势Vs=2VB时金属板上加的电压称做 开启电压，以VT表示之。即当Vs =2VB，第八章 半导体表面与MIS结构np0=niexp-qVB/(k0T)，pp0=niexpqVB/(k0T)np0/pp0=exp-2qVB/(k0T)临界强反型Vs=2VB，因而np0/pp0=exp-qVs/(k0T)。F函数为：计算ES, QS, CS第八章 半导体表面与MIS结构当qVsk0T时，exp-qVs/(k0T)1，F函数为代入式（8-26）及（8-27），得到临界强反型时的第八章 半导体表面与MIS结构第八章 半导体表面与MIS结构 弱反型，耗尽层近似依然 适用积累平带耗尽弱反型强反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4ECEVEFEiqVBqVS弱反型：Vs（VB，2VB）第八章 半导体表面与MIS结构强反型后，Vs2VB，且qVsk0T 第八章 半导体表面与MIS结构将上式代入式（8-26）及（8-27），则第八章 半导体表面与MIS结构强反型|Qs|随Vs按指数规律增大积累平带耗尽弱反型强反型VS(V)00.410-510-9(c/cm2)-0.4第八章 半导体表面与MIS结构强反型表面空间电荷层的电容为上式表明Cs随表面电子浓度的增加而增大。第八章 半导体表面与MIS结构出现强反型后，外加电场被反型层中积累的电子 所屏蔽，表面耗尽层宽度就达到一个极大值xdm， xdm由半导体材料的性质和掺杂浓度来确定。1)材料一定，NA, xdm 2)Eg，ni, xdm第八章 半导体表面与MIS结构 表面反型层举例 ：VSqVBqVBECEVEFEi强反型临界条件时的能带图反型层耗尽层第八章 半导体表面与MIS结构在出现强反型后，半导体面积上的电荷量 Qs是两部分组成的:电离受主的负电荷QA=-qNAxdm反型层中的积累电子第八章 半导体表面与MIS结构小结qVBECEVEFEi qVS耗尽：Vs0，且接近VBECEVEFEiqVBqVS弱反型：Vs（VB，2VB）