第八章-半导体表面与MIS结构课件.ppt
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1、,第七章 半导体表面与MIS结构,The basic structure of the enhancement MOSFET,VG 0,7.2 MIS结构的电容电压特性,7.1 表面电场效应,7.3 Si-SiO2 系统的性质,7.4 表面电导及迁移率,*理解并掌握热平衡下理想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,*理解并掌握理想的MIS结构的电容和电压特性,并了解金属和半导体的功函数差、绝缘层的电荷对MIS结构的电容电压特性的影响,*定性掌握表面电导和迁移率,*了解SiSiO2系统的性质,7.1 表面电场效应,在外加电场作用下,在半导体的表面层内发生
2、的物理现象。,可以采用不同方法,使得半导体表面层内产生电场,如:功函数不同的金属和半导体接触(金/半接触)、表面态、使半导体表面吸附某种带电的离子等,表面电场效应:,理想MIS结构:,(1)Wm=Ws;(2)绝缘层内无电荷 且绝缘层不导电;(3)绝缘层与半导体 界面处不存在界面态。,表面电场导致电容,理想金属/绝缘体/半导体(MIS)结构,MIS结构是一个电容,在金属中,自由电子密度很高(102223/cm3),电荷基本上分布在很薄的一个原子层的厚度范围之内,在半导体中,由于自由载流子密度低得多(101516/cm3),电荷必须分布在一定厚度的表面层内;这个带电的表面层称做空间电荷区space
3、 charge region。,一、空间电荷层及表面势,电场分布:在空间电荷区内,从半导体的表面到体内,逐渐减弱,到空间电荷区的另一端,电场强度减小到零。,电势分布:空间电荷区的电势也随距离逐渐变化,半导体表面相对体内产生电势差。,空间电荷区中电场、电势与能带的变化:,能带弯曲:电势的变化,使得电子在空间电荷区的能量改变,同时导致能带弯曲。,空间电荷层两端的电势差为表面势,以Vs表示之。规定表面势比内部高时,取正值,反之取负值。,表面势surface potential及空间电荷space charge区内的电荷分布情况,随金属与半导体间所加的电压VG(gate voltage)而变化,主要可
4、归纳为三种情况:,(1)多子堆积状态accumulation,(2)多子耗尽状态depletion,(3)少子反型状态inversion,在VG0时,理想半导体的能带不发生弯曲,即平带状态flat-band condition,有时也称为一种状态。,以热平衡时p型半导体为例:,理想MIS结构的能带图,表面势为零,能带平直,在热平衡时,半导体内的费米能级保持定值,VG=0,VG=0,(1)、VG=0时,平带状态,(2)、VG0 多子空穴的积累,VG0,1.空间电荷区表面势为负2.能带向上弯曲,Ev接近甚至高于EF3.空穴(多子)堆积分布在最靠近表面的薄层,VG 0,(3)VG 0 耗尽状态,1.
5、空间电荷区表面势为正2.能带向下弯曲3.表面层空穴(多子)浓度比体内少得多,基本上耗尽,负电荷基本等于电离受主杂质浓度,VG 0,(4)VG 0 反型状态,1.空间电荷区表面势为正2.能带进一步下弯,EFs离Ec更近3.表面区的少子电子数多子空穴数表面反型出现;4.反型层发生在表面处,和半导体内部之间还夹着一层耗尽层,p型 理想MIS结构的表面电场效应,二、表面空间电荷层的电场、电势和电容,通过解泊松方程,定量地求出表面层中电场强度E和电势V的分布,分析电容的变化规律。,取x轴垂直于表面指向半导体内部,规定表面处为x轴的原点,故可以看成一维情况处理。,*考虑在表面层中载流子满足经典统计;*表面
6、空间电荷层中的电离杂质浓度为常数,与体内相等。,(1)表面电场Es分布,在半导体体内中性区,电中性条件成立,同时空间电荷区中的电离杂质浓度为一个常数,所以有:,其中np0和pp0为体内平衡时的电子和空穴浓度,德拜在研究电介质表面极化时提出的正离子电场可能影响到电子的最远距离。,F函数是表征半导体空间电荷层性质的一个重要参数。通过F函数,可以表达空间电荷层的其他基本参数。,所以:,表面处,V=Vs:,(2)表面电荷面密度Qs分布,金属电极为正时,即Vs0,Qs用负号,表面积累电子;反之,Vs 0,Qs是正号,表面积累空穴。,在表面处,V(0)=Vs,由高斯定律:,表面层载流子浓度的变化:,单位面
7、积表面层中空穴的变化量:,表面层载流子浓度:,同理得到半导体表面层的电子浓度的变化:,可得半导体表面层的空穴浓度的变化:,表面空间电荷层的电荷密度随表面势而变化,这相当于电容效应,可用微分电容表示:,(3)表面电容 Cs,表面空间电荷层的电荷密度:,(F/m2),外加电压VG0,Vs0。,(a)多子积累时:,F函数:,定量分析表面层的情况:以p型半导体为例,E,所以,F函数近似为:,表面电场、表面电荷和空间电荷电容随表面势的绝对值的增加而指数增长。表面势越负,能带在表面处向上弯曲得更厉害,表面层空穴浓度急剧增加,多子积累时,VG0,Vs 0:,负偏压时(Vs0),表面电荷指数增加,(b)平带状
8、态,当外加电压VG=0时,表面势Vs=0,表面处能带不发生弯曲,称为平带状态。,F函数,在Vs为零时,Cs分母为零是不定值,所以要求Vs趋于零的极限值,代入Cs的表达式得:,但对于Cs空间电荷层的电容不能直接由Vs=0得到,采用级数展开,取二次项:,当VS 趋于零时:,(c)耗尽状态:,外加电压VG0,即表面势Vs0,能带向下弯曲,是空穴的势垒。但当VG不太大时,不能使得表面处的中央能级Ei弯到费米能级以下。VBVs0,F函数中的 npo/ppo 及 exp(-qV/kT)的项可忽略!,多子耗尽时:VG0,VBVs0:,表面本征型 Vs=VB,也可以用“耗尽层近似”来处理耗尽状态:,均匀掺杂半
9、导体,空间电荷层的电荷密度为(x)=-qNA,泊松方程为:,体内电场为零电势为零:,空间电荷层的空穴都已全耗尽,电荷由已电离的受主杂质构成。,与耗尽层厚度的关系,积分可得:,x=0 时,表面势为:,空间电荷层单位面积电量,平板电容器单位面积电容,(d)反型状态(VG 0),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)。VsVB,强反型和弱反型:表面少子的浓度ns 是否超过体内多子的浓度ppo 为标志弱反型:nsVsVB)临界强反型:ns=ppo(Vs=2VB)强反型:ns ppo(Vs 2VB),费米势:,临界强反型 ns=ppo时,上式为:,所以临界强
10、反型层时:VS=2VB,根据Boltzmann统计:,表面处少子浓度为:,所以:,临界强反型(Vs=2VB)时:,开启电压(阈值电压)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(VG=VT).此时,表面势:VS=2VB,Vi:绝缘层上的电压降 V0,Qs 为临界强反型时表面电荷密度(Vs=2VB),弱反型直至临界强反型时VS 2VB:,由Boltzman统计:,临界强反型时:,(1),所以:,注意:与多子耗尽型F函数相同,达到强反型后:Vs 2 VB,且 qVs k0T,表面电场、表面电荷随表面势指数增长,表面本征型Vs=VB,临界强反型Vs=2VB,Note:1).出现
11、强反型层后(Vs=2VB),表面耗尽层就达到一个极大值xdm,不再随外加电压的增加而增加,这是因为表面反型层的电子屏蔽了外电场的作用。,掺杂浓度NA大,xdm小;掺杂浓度一定,宽带隙半导体 ni 小,xdm大。,如:Si:NA在10141017cm-3,xdm:零点几到几个mm间;表面反型层在1 10nm间。,Xdm由半导体材料的性质ni和掺杂浓度NA决定:,2).表面耗尽层在达到最大值时,不再增加厚度。电荷密度由耗尽层电离受主QA和反型层积累电子Qn构成。,3).由于表面反型层的厚度在纳米量级,与电子的德布罗仪波长相当,应考虑量子效应2DEG的形成。,(e)、深耗尽层状态:,空间电荷层的平衡
12、反型状态:即金属和半导体所加的电压VG 不变或变化很小,载流子能跟上偏压的变化。反型层载流子主要来自于热产生,深耗尽状态:如果加的偏压是脉冲和高频电压,少子的热产生速度跟不上电压的变化,反型层来不及建立,只有靠耗尽层的加宽来满足电中性的要求。此时的耗尽层的宽度很大,大于强反型层时的最大的耗尽层宽度,并且随电压VG的增大而增大。耗尽层近似,电荷耦合器件CCD应用?,深耗尽状态向平衡反型状态的过渡:,VG,深耗尽状态 平衡反型状态,热驰豫时间:100102 s,p型半导体不同表面状态下的各参量的公式,例:空气隙0.4mm,ND=1016/cm3求耗尽层内电势分布及表面势;求Vs=0.4V时,耗尽层
13、宽度xd;耗尽层宽度xd最大时栅压VG为多少?(开启电压),解:耗尽层近似:,边界条件:x=xd 时,V=0,E=0,x=0 时:,Vs=0.4V时,耗尽层宽度xd:,耗尽层最大宽度xd:,mm,栅压VG:,mm,表面电荷密度:,空气层单位面积电容:,Vs=2VB,7.2 MIS结构的电容电压特性,一、理想MIS结构的C-V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结构是组成MOSFET等表面器件的基本部分;电容电压特性是用于研究半导体表面和界面的重要手段,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V0降在绝缘层上
14、,而另一部分降在半导体表面层中,形成表面势Vs,即,理想MIS结构绝缘层内没有任何电荷,绝缘层中电场是均匀的,以E0表示其电场强度:,C0 是绝缘层单位面积电容,MIS结构电容C:,MIS结构电容等效于绝缘层电容和半导体表面电容串联,理想MIS结构的C-V特性,(1)当|Vs|较大时,有C C0半导体从内部到表面可视为导通状态,C/C0,Vs 0,(2)当|Vs|较小时,有C/C01,以P型半导体例,1.多子积累时:VG0,半导体表面堆积状态,2、平带状态 VG=0,理想MIS表面势Vs也为0,绝缘层厚度d0 一定时,NA 越大,则CFB/C0 越大,因为空间电荷层随NA 增大而变薄;d0 越
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- 第八 半导体 表面 MIS 结构 课件
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