第七章 半導(dǎo)體的表面

1、 7.1 半導(dǎo)體的表面半導(dǎo)體的表面 一、理想表面和實(shí)際表面一、理想表面和實(shí)際表面 理想表面：理想表面： 表面對半導(dǎo)體各中物理過程有重要影 響，特別是對許多半導(dǎo)體器件的性能影 響更大。 指表面層中原子排列的對稱性與體內(nèi)原子 完全相同，且表面上不附著任何原子或分 子的半無限晶體表面。 真實(shí)表面真實(shí)表面：表面吸附雜質(zhì)表面吸附雜質(zhì), 或或表面原表面原 子生成氧化物或其它化合物子生成氧化物或其它化合物 清潔表面清潔表面：在表面沒有吸附雜質(zhì)，也：在表面沒有吸附雜質(zhì)，也 沒有被氧化的實(shí)際表面。沒有被氧化的實(shí)際表面。 實(shí)際表面實(shí)際表面又分為：又分為： 二、表面態(tài)二、表面態(tài) 達(dá)姆表面能級達(dá)姆表面能級: 晶體自由

2、表面的存在使其周期場在表面處晶體自由表面的存在使其周期場在表面處 發(fā)生中斷發(fā)生中斷, 在禁帶中引起的附加能級在禁帶中引起的附加能級. 求解薛定諤方程求解薛定諤方程在在x=0處，出現(xiàn)新的本征值處，出現(xiàn)新的本征值 附加的電子能態(tài)附加的電子能態(tài)表面態(tài)表面態(tài) 硅表面懸掛鍵硅表面懸掛鍵 由于懸掛鍵的存在，表面由于懸掛鍵的存在，表面 可與體內(nèi)交換電子和空穴。可與體內(nèi)交換電子和空穴。 例如: 對硅(111)面，在超高真空下,可觀察到 (7*7)結(jié)構(gòu)，即表面上形成以(7*7)個硅 原子為單元的二維平移 對稱性結(jié)構(gòu)。 理想表面實(shí)際上不存在理想表面實(shí)際上不存在 共價半導(dǎo)體的表面再構(gòu)現(xiàn)象共價半導(dǎo)體的表面再構(gòu)現(xiàn)象:

3、近表面幾個原子厚度的表面層中近表面幾個原子厚度的表面層中, 離子離子 實(shí)所受的勢場作用不同于晶體內(nèi)部實(shí)所受的勢場作用不同于晶體內(nèi)部, 使得晶使得晶 體的三維平移對稱性在表面層中受到破壞體的三維平移對稱性在表面層中受到破壞, 表面上形成新的原子排列結(jié)構(gòu)表面上形成新的原子排列結(jié)構(gòu), 這種排列具這種排列具 有沿表面的二維平移對稱性有沿表面的二維平移對稱性. 清潔表面的電子態(tài)，稱為清潔表面的電子態(tài)，稱為本征本征(達(dá)姆達(dá)姆)表表 面態(tài)面態(tài)。 真實(shí)表面由于吸附原子或其它不完整性，真實(shí)表面由于吸附原子或其它不完整性， 產(chǎn)生表面電子態(tài)，稱為產(chǎn)生表面電子態(tài)，稱為外誘表面態(tài)外誘表面態(tài)。 外誘表面態(tài)的特點(diǎn)是，其數(shù)值

4、與表面經(jīng) 過的處理方法有關(guān); 達(dá)姆表面態(tài)對給定的晶體在“潔凈”表 面時為一定值。 表面態(tài)分為表面態(tài)分為施主型表面態(tài)施主型表面態(tài)和和受主型表面態(tài)受主型表面態(tài)。 施主型表面態(tài)施主型表面態(tài): 不論能級在禁帶中的位置如何不論能級在禁帶中的位置如何, 能級被電子能級被電子 占據(jù)時呈電中性占據(jù)時呈電中性, 施放電子后帶正電施放電子后帶正電. 這樣的這樣的 表面態(tài)叫表面態(tài)叫 受主型表面態(tài)受主型表面態(tài): 不論能級在禁帶中的位置如何不論能級在禁帶中的位置如何, 能級空著時呈能級空著時呈 電中性電中性, 接受電子后帶負(fù)電接受電子后帶負(fù)電, 這樣的表面態(tài)叫這樣的表面態(tài)叫 7.2 半導(dǎo)體的表面電場半導(dǎo)體的表面電場 一

5、、形成表面電場的因素一、形成表面電場的因素 1表面態(tài)的影響表面態(tài)的影響 由于表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子，由于表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子， 結(jié)果產(chǎn)生了結(jié)果產(chǎn)生了垂直于表面的電場垂直于表面的電場。 (EF)s表面費(fèi)米能級表面費(fèi)米能級 (EF)s EF 如果如果(EF)s EF Ec Ev EF (EF)s + E 2功函數(shù)的差異功函數(shù)的差異 金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級都低于金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級都低于 體外能級。體外能級。 金屬功函數(shù)的定義金屬功函數(shù)的定義 上式表示一個起始能量等于費(fèi)米能級的電子，上式表示一個起始能量等于費(fèi)米能級的電子， 由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。由

6、金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。 0 E m W 0 () mFm WEE EF E0 真空中靜止電子的能量真空中靜止電子的能量 Eo Ec Ev (EF)s Ws Wm 金(M) 半(S) WSWM， 即即(EF)S(EF)M + E 形成由金形成由金半的電場半的電場。 (EF)m sFs EEW)( 0 金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸 如果如果WS(EF)M半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中 的電子向金屬流動，形成由半的電子向金屬流動，形成由半金的電場金的電場 3氧化層中的雜質(zhì)離子氧化層中的雜質(zhì)離子 S + + + I M E 例如例如: Si-SiO2系統(tǒng)中系統(tǒng)中, SiO2層中有過剩層中有過剩 硅離子

7、硅離子 4外加偏壓外加偏壓 二、表面電場效應(yīng)二、表面電場效應(yīng) 1空間電荷區(qū)和表面勢空間電荷區(qū)和表面勢 討論在外加電場作用下半導(dǎo)體表面討論在外加電場作用下半導(dǎo)體表面 層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。 d 金屬 絕緣體 半導(dǎo)體 歐姆接觸 MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 理想的理想的MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): 金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零 絕緣層中無電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電絕緣層中無電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電 絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài) MIS結(jié)構(gòu)是一電容結(jié)構(gòu)是一電容 在金屬與半導(dǎo)體間加電壓后在金屬與半導(dǎo)體間加電壓后, 金屬和半導(dǎo)體金屬和半導(dǎo)體 相對的兩個面上被

8、充電相對的兩個面上被充電, 符號相反符號相反 金屬中金屬中, 電荷分布在一個原子層范圍內(nèi)電荷分布在一個原子層范圍內(nèi); 半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中, 電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)- 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) + + + + + + + + + M IS VG 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 表面與體內(nèi)的電勢差為表面與體內(nèi)的電勢差為表面勢表面勢，用，用VS表示。表示。 規(guī)定：規(guī)定： 表面電勢比內(nèi)部高時，表面電勢比內(nèi)部高時，VS0，反之，表，反之，表 面電勢比內(nèi)部低時，面電勢比內(nèi)部低時，VS0； 外加反向偏壓時，外加反向偏壓時，VG0，電場由體內(nèi)指，電場由體內(nèi)指 向表面，向表面，VS0，VS0時

9、，取負(fù)號，空間電荷區(qū)的能時，取負(fù)號，空間電荷區(qū)的能 帶從體內(nèi)到表面向下彎曲帶從體內(nèi)到表面向下彎曲 VG0，VS0，能帶向下彎，能帶向下彎 V(x)0 KT xqV KT ExqVE C en eNxn FC )( 0 )( )( KT xqV epxp )( 0 )( 空穴的勢壘空穴的勢壘 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) ： 0 x EF V(x)0，能帶向上彎能帶向上彎 KT xVq enxn )( 0 )( KT xVq epxp )|(| 0 )( V(x)0 電子的勢壘電子的勢壘 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) ： 0 x X=0 V(x)=Vs KT qV s KT qV s s s s epp enn

10、 V 0 0 0 KT Vq s KT Vq s s s s epp enn V | 0 | 0 0 表面上表面上 3P型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài)型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài) (1) VG0，金屬接，金屬接+，半導(dǎo)體接負(fù)，半導(dǎo)體接負(fù) Ec Ev EF Ei qVs qVB VB是體內(nèi)勢是體內(nèi)勢 ： )( 體FiB EEqV 多子耗盡多子耗盡 ps0 反型層反型層 界面 Ec Ei EF Ev qVs x qV qVB Eg 半導(dǎo)體 絕緣體 表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲 P 電子 稱這個狀態(tài)為稱這個狀態(tài)為反型狀態(tài)反型狀態(tài) 電子 電離受主 空間電荷空間電荷

11、 反型少子堆積反型少子堆積 弱反型：弱反型：psns(po)p m F E Fs E x m Q s Q i E 1）Ei與與EF在表面處相交（此處為本在表面處相交（此處為本 征型）；征型）； 2）表面區(qū)的少子數(shù)）表面區(qū)的少子數(shù)多子數(shù)多子數(shù)表面表面 反型；反型； 3）反型層和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著）反型層和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著 一層耗盡層。一層耗盡層。 KT qV pos s enn)( 0 2 0 p n n i KT qV po i s s e p n n )( 2 表面反型條件表面反型條件 出現(xiàn)強(qiáng)反型的臨界條件，出現(xiàn)強(qiáng)反型的臨界條件，ns=(po)p KT qV is s enn 22 K

12、T qV is s enn 2 KT qV i KT EE i BFi enenp 0 KT qV KT qV Bs 2 出現(xiàn)強(qiáng)反型,2 Bs VV 0 penN KT qV iA B 又 i A B n N q KT Vln i A BS n N q KT VVln22強(qiáng)反型出強(qiáng)反型出 現(xiàn)現(xiàn) Bs VV 表面弱反型時 i A s i A s n N q kT V n N q Tk V ln 2 ln 表面強(qiáng)反型條件為 表面弱反型條件為 因此 VG0 VS0, VG0 多子堆積多子堆積, 平帶平帶, 多子耗盡多子耗盡, 反型少子堆積反型少子堆積 VG變化變化VS變化變化能帶彎曲能帶彎曲電荷分布

13、變化電荷分布變化 4N型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種 基本狀態(tài)基本狀態(tài) 1) VG0 ,VS0 能帶下彎，能帶下彎，ns (n0)n 多子的堆積多子的堆積 KT qV s KT qV s s s s epp enn V 0 0 0 EF 2) VG=0，VS=0 平帶平帶 KT Vq s KT Vq s s s s epp enn V | 0 | 0 0 3) VG0，VS0 能帶上彎，能帶上彎，ns (n0)n 為電子勢壘為電子勢壘 + + + 電離施主 4) VG0 + + 空穴 表面處形成了表面處形成了p型材料，型材料， 即即反型層反型層 多子耗盡多子耗盡 EF

14、 Ei 弱反型：弱反型：nsps(no)n EF 1總電容總電容C VG=V0+VS 在MIS結(jié)構(gòu)上加電壓VG后，電壓VG的一部分 Vo降在絕緣層上，而另一部分降在半導(dǎo)體 表面層中，形成表面勢Vs，即 因是理想MIS結(jié)構(gòu)，絕緣層內(nèi)沒有任何電 荷，絕緣層中電場是均勻的，以 表示其 電場強(qiáng)度，顯然 0 E 000 dEV d0 絕緣層厚度絕緣層厚度 0 0 C Q V s 由高斯定理由高斯定理 0 0 ro M Q E QM金屬表面的面電荷密度金屬表面的面電荷密度, 0r 絕緣層的相對介絕緣層的相對介 電常數(shù)電常數(shù) 00 0 00 0 000 r s r M dQdQ dEV Qs半導(dǎo)體表面的面電

15、荷密度半導(dǎo)體表面的面電荷密度 Co 絕緣層電容絕緣層電容 0 00 0 d C r s CC C 11 1 0 G s G M dV dQ dV dQ C s s G V C Q V 0 MIS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容 Cs為半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容為半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容 s s s s s V Q V Q C d d d d MIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體 空間電荷層電容的串聯(lián) MIS結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)的等效電路 0 C 0 d s C G V s s CC CC C 0 0 s C C C C 0 0 1 1 0 C C 稱為稱為歸一化電容歸一化電容 2表面空間電荷區(qū)的電場和電容表面空間電荷區(qū)

16、的電場和電容 表面空間電荷區(qū)的電場：表面空間電荷區(qū)的電場： po po D p n KT qV F qL KT )( )( , 2 F函數(shù)函數(shù) 空間電荷層中電勢滿足的泊松方程空間電荷層中電勢滿足的泊松方程 0 2 2 )( d d rs x x V rs半導(dǎo)體的相對介電半導(dǎo)體的相對介電 常數(shù)常數(shù), (x)空間電荷密度空間電荷密度 x V E d d V0, 取正取正; V0，QS為負(fù)號為負(fù)號 金屬為負(fù)時，金屬為負(fù)時，VG0，QS為正號為正號 p p s s p p s D rs s p n kT qV F kT qV p n kT qV L C )( )( , 1)exp( )( )( 1)e

17、xp( 0 0 0 0 0 空間電荷層單位面積上的電容空間電荷層單位面積上的電容, 單位單位F/m2 以以p型半導(dǎo)體為例型半導(dǎo)體為例, 定量地分析各種表面層的狀態(tài)定量地分析各種表面層的狀態(tài) 空間電荷層的電容空間電荷層的電容 s s s V Q C (1) VG0，金屬接負(fù)，半導(dǎo)體接正，金屬接負(fù)，半導(dǎo)體接正 多數(shù)載流子堆積狀態(tài)多數(shù)載流子堆積狀態(tài) ) 2 exp( 2 kT qV qL kT E s D s ) 2 exp( 2 0 kT qV qL kT Q s D rs s ) 2 exp( 0 kT qV L C s D rs s s V s C s C C C C 0 0 1 1 s C

18、C0 隨隨 而而0 s V 1 0 C CCC0(AB) 隨隨|VG| 積累的空穴越來越少，積累的空穴越來越少，CS ，C/C0 (BC) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 AB C D E FC0 CFB Cmin Cmin Vmin 1低頻 C0 2高頻 G H 0 0 +V MIS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容-電容曲線電容曲線 C/C0 2/1 0 )( )( 1 2 )( po po D rs s p n L C 平 又（no)p0，金屬接，金屬接+，半導(dǎo)體接負(fù)，半導(dǎo)體接負(fù) VS0，表面能帶下彎，是空穴的勢壘，表面能帶下彎，是空穴的勢壘 2/1 )( )( , KT qV p n KT

19、qV F s po po s 2/1 2/1 )( 2 s D s V q KT L 2/1 2/1 0 )( 2 s D rs s V q KT L Q 空穴耗盡狀態(tài)空穴耗盡狀態(tài) 2 . 1 0 1 KT qV L C s D rs s 2/1 0 2 s rsA s V qN C 2/1 ss VC 2/1 0 2 0 )( 2 p rs D pq kT L 電離飽和時電離飽和時 (p0)p=NA 2/1 2 0 0 2 0 02 1 1 dqN V C C Ars Gr VG, C/C0 (CD) 假設(shè)空間電荷區(qū)的空穴都已全部耗盡，假設(shè)空間電荷區(qū)的空穴都已全部耗盡， 電荷全由已電離的受主

20、雜質(zhì)構(gòu)成。半導(dǎo)電荷全由已電離的受主雜質(zhì)構(gòu)成。半導(dǎo) 體的摻雜是均勻的，則空間電荷區(qū)的電體的摻雜是均勻的，則空間電荷區(qū)的電 荷密度，荷密度， (x)=-qNA 設(shè)設(shè)xd為耗盡層的厚度為耗盡層的厚度 0 2 2 rs dA s xqN V 耗盡層近似耗盡層近似 d rs s x C 0 (4) VG0 KT qV po po po po s s e p n p n KT qV F 2 2/1 )( )( )( )( , 2/1 0 )( po s D rs s p n L C 反型狀態(tài)反型狀態(tài) 低頻時低頻時, 少子的產(chǎn)生與復(fù)合跟得上小信號的變化少子的產(chǎn)生與復(fù)合跟得上小信號的變化 VS ，少子積累越多

21、，少子積累越多，ns ，Cs ， C0/CS ，C/C0 (DE) 當(dāng)當(dāng)VS 到使到使C0/CS 很小時，很小時，C/C0的分母的分母 中的第二項(xiàng)又可以忽略。中的第二項(xiàng)又可以忽略。C/C0 1。(EF) 1 )( )( 1 1 0 0 s s V kT qV p p oro Dro o e p n d L C C 高頻時，反型層中的電子對電容沒有貢獻(xiàn)高頻時，反型層中的電子對電容沒有貢獻(xiàn),空空 間電荷區(qū)的電容由耗盡層的電荷變化決定間電荷區(qū)的電容由耗盡層的電荷變化決定 0 max0 0 min 1 1 d x C C rs dr 因強(qiáng)反型出現(xiàn)時耗盡層寬度達(dá)到最大值因強(qiáng)反型出現(xiàn)時耗盡層寬度達(dá)到最大值

22、 xdmax, 不隨不隨VG變化變化, 耗盡層貢獻(xiàn)的電容將達(dá)極小值并耗盡層貢獻(xiàn)的電容將達(dá)極小值并 保持不變保持不變.(GH) n（1）半導(dǎo)體材料及絕緣層材料一定）半導(dǎo)體材料及絕緣層材料一定 n 時，時，C-V特性將隨特性將隨do及及NA而而 n 變化；變化； n（2）C-V特性與頻率有關(guān)特性與頻率有關(guān) N型半導(dǎo)體組成的型半導(dǎo)體組成的MIS結(jié)構(gòu)具有相似的規(guī)律。結(jié)構(gòu)具有相似的規(guī)律。 二、實(shí)際的二、實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性 1金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的影響金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的影響 (EF)M(EF)S MS (EF)M (EF)s + E WMWs，形成的，形成的Vs0，這，這 時時C-V曲線是向右發(fā)生了移動。曲線是向右發(fā)生了移動。 2絕緣層中離子的影響絕緣層中離子的影響 可動離子：可動離子：Na+，K+或或H+ 固定離子：通常位于固定離子：通常位于SiSiO2界面附近的界面附近的 200 范圍內(nèi)范圍內(nèi) + + + + M I S - - - - - - E 外 外 CV曲線向左平移曲線向左平移 0 s V 能帶下彎能帶下彎 3表面態(tài)的影響表面態(tài)的影響 (1) 受主表面態(tài)受主表面態(tài) 在在N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中 Ec Ev EF + E VS0，能帶上彎 - 電離受主電離受主 表面態(tài)表面態(tài) + 電離施主電離施主 空穴空穴 使使N型表面反型型表面反型 接受電子接受電子,