半導(dǎo)體表面與結(jié)構(gòu)

關(guān)于半導(dǎo)體表面與結(jié)構(gòu)第一頁，共五十九頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容§8.1表面態(tài)與表面電場效應(yīng)§8.2MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性§8.3Si-SiO2

系統(tǒng)的性質(zhì)§8.4表面電導(dǎo)及遷移率重點掌握1）表面電場效應(yīng)

2）理想與非理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性

第二頁，共五十九頁，2022年，8月28日§8.1表面態(tài)與表面電場效應(yīng)一.表面態(tài)：晶體表面出現(xiàn)的局域態(tài)。1.產(chǎn)生原因：半導(dǎo)體表面未飽和的鍵——懸掛鍵；體缺陷或吸附外來原子。2.作用：表面態(tài)改變了晶體的周期性勢場。1）可以制成各種MOS，CCD等器件。2）嚴重影響器件的穩(wěn)定性。第三頁，共五十九頁，2022年，8月28日二.表面電場效應(yīng)表面電場產(chǎn)生的原因

1）功函數(shù)不同的金屬和半導(dǎo)體接觸；

2）半導(dǎo)體具有表面態(tài)；

3）MIS結(jié)構(gòu)的金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)不同；

4）外加電壓。第四頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.理想的MIS結(jié)構(gòu)1）Wm=Ws2）絕緣層中無電荷且完全不導(dǎo)電3）絕緣層/半導(dǎo)體接觸界面間無界面態(tài)理想MIS（P型）結(jié)構(gòu)能帶圖第五頁，共五十九頁，2022年，8月28日3.空間電荷區(qū)與表面勢1）MIS結(jié)構(gòu)與等效電路在半導(dǎo)體中，電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)，這個帶電的表面層稱為空間電荷區(qū)。第六頁，共五十九頁，2022年，8月28日2）表面勢：空間電荷區(qū)兩端的電勢差Vs常以體內(nèi)中性區(qū)電勢作為零點(以p型半導(dǎo)體為例）VG<0，表面能帶向上彎曲，表面積累VS<0（1）多數(shù)載流子堆積狀態(tài)表面多子濃度大于體內(nèi)，表面多子積累；表面勢為負。第七頁，共五十九頁，2022年，8月28日（2）多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)VG>0，能帶向下彎曲,表面耗盡VS>0表面空穴濃度小于體內(nèi)，表面多子耗盡；表面勢為正第八頁，共五十九頁，2022年，8月28日（3）少數(shù)載流子的反型狀態(tài)VG>>0，表面處Ei低于EF，表面反型ns>ps,形成與原來半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類型相反的一層，叫反型層。第九頁，共五十九頁，2022年，8月28日四.表面空間電荷層的電場、電勢和電容在空間電荷區(qū)，一維泊松方程為：電荷密度為：電子和空穴的濃度：第十頁，共五十九頁，2022年，8月28日平衡時，在體內(nèi)，滿足電中性條件：在空間電荷區(qū)以上各式代入泊松方程：上式兩邊乘dV并積分，可得：第十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日上式兩邊積分，由，得：令：則：V>0能帶向上彎曲，E取+，方向從體內(nèi)指向表面V<0能帶向下彎曲，E取-，方向從表面指向體內(nèi)第十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日根據(jù)高斯定律，表面面電荷密度Qs滿足：電場變化引起電荷變化，其微分電容為：利用：得到：第十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日(1)p型多子積累當(dāng)VG<0，Vs<0，V<0時，又∵由得則隨-Vs增大指數(shù)增加第十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日（2）平帶狀態(tài)（VG=0，Vs=0）利用∵Vs→0，npo/ppo→0化簡∴第十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日（3）耗盡狀態(tài)當(dāng)VG﹥0，Vs﹥0，np0/pp0＜＜1,時，空穴耗盡。忽略F函數(shù)中np0/pp0，exp-qV（KT）項，由耗盡層盡似得：第十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日（4）反型狀態(tài)強反型條件由得由玻爾茲曼統(tǒng)計分布式中得強反型條件：ns≥pp0第十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日強反型的臨界條件：∵∴強反型的條件：達到強反型時金屬極板上所加的電壓叫開啟電壓(閾值電壓）——VT摻雜越高，Eg

大，VT

越大。第十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日臨界強反型的電場，電勢：Qs隨線性變化其值為負第十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日強反型時，Vs>>2VB:強反型時，面電荷密度Qs隨Vs按指數(shù)增大。第二十頁，共五十九頁，2022年，8月28日出現(xiàn)強反型后，耗盡層寬度達到極大值第二十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日室溫下，NA×1015cm-3的p型Si,

Qs與Vs的關(guān)系第二十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日(5)深耗盡狀態(tài)：當(dāng)VG>>0，加高頻或脈沖電壓，表面深耗盡。高頻電壓，反型層來不及形成，電中性條件靠耗盡層厚度隨電壓的增加而展寬來實現(xiàn)?？臻g電荷層中只存在電離雜質(zhì)所形成的空間電荷，“耗盡層近似”仍適用。深耗盡狀態(tài)的應(yīng)用：制備CCD等。第二十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日上節(jié)重點復(fù)習(xí)以下以p型半導(dǎo)體理想MIS結(jié)構(gòu)為例：

（1）多子的積累VG<0，表面能帶向上彎曲，表面積累VS<0（2）平帶狀態(tài)（VG=0，Vs=0）第二十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日（3）多子耗盡狀態(tài)VG>0，能帶向下彎曲,表面耗盡VS>0（4）少子的反型狀態(tài)，VG>>0強反型時條件：Vs>>2V

B，能帶向下彎曲劇烈出現(xiàn)強反型后，耗盡層寬度達到極大值開啟電壓(閾值電壓）——VT第二十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日§8.2MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性一.理想MIS結(jié)構(gòu)的電容－電壓特性在金屬上加電壓VG，絕緣層上壓降V0，半導(dǎo)體表面電勢Vs，即：其中C0=εr

ε0/d0

表示絕緣層單位面積電容，由絕緣層厚度決定。第二十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日根據(jù)微分電容的定義得:令得表明MIS電容由CO和Cs串聯(lián)而成常用歸一化電容：第二十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.當(dāng)VG

＜0時，p型半導(dǎo)體表面積累（圖中AC)1）當(dāng)負偏壓較大時，Vs<<0,電荷積累在半導(dǎo)體表面，

MIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層平板電容(圖中AB段）。2）當(dāng)負偏壓較小時，C隨︱Vs︱減小而減小(圖中BC段）。第二十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)低頻C-V曲線第二十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.當(dāng)VG=0，理想MIS結(jié)構(gòu)Vs＝0，

此電容叫平帶電容CFB利用可得1）若d0一定，NA越大，表面空間電荷層變薄，

CFB/C0增大；若NA一定，d0越大，C0愈小，CFB/C0增大；2）根據(jù)上式，利用C-V曲線可得到d0或NA（或ND)第三十頁，共五十九頁，2022年，8月28日歸一化平帶電容與氧化層厚度的關(guān)系第三十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日3.當(dāng)VG﹥0時，p型半導(dǎo)體表面耗盡（圖CD段）耗盡時正偏，耗盡時，空間電荷區(qū)厚度xd和表面勢Vs均隨VG增大而增加，xd大，Cs

減小,C/C0減小。第三十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)低頻C-V曲線第三十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日4.當(dāng)VG﹥﹥0時，p型半導(dǎo)體表面強反型（圖EF段）強反型時1）低頻情況強反型時，反型層表面聚集大量電荷，MIS結(jié)構(gòu)相當(dāng)于絕緣層平板電容，C≈C0。第三十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)低頻C-V曲線第三十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日2）高頻情況

反型層中電子數(shù)量跟不上頻率的變化?？傠娙萦珊谋M層電荷隨VG的變化決定。耗盡層寬度達最大值xdm，Cs，C均最小且不變。

則有第三十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日高頻時，理想MIS結(jié)構(gòu)歸一化極小電容與氧化層厚度的關(guān)系第三十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日頻率對MIS(P型半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)C-V特性的影響第三十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日N型半導(dǎo)體構(gòu)成MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性第三十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日小結(jié)1.半導(dǎo)體材料和絕緣層材料一定，MIS結(jié)構(gòu)C-V特性由半導(dǎo)體半導(dǎo)體摻雜濃度和絕緣層厚度決定。2.由C-V曲線可得到半導(dǎo)體摻雜濃度和絕緣層厚度。第四十頁，共五十九頁，2022年，8月28日二.金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響如果Wm<Ws,當(dāng)VG=0時，表面能帶向下彎曲。Vms＝(Ws-Wm)/q第四十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日平帶電壓：為了恢復(fù)半導(dǎo)體表面平帶狀態(tài)，需外加一電壓，這個電壓叫平帶電壓——VFB。此處VFB為負。因而，理想MIS結(jié)構(gòu)的平帶點由VG=0

移到VG=VFB即：C-V特性曲線向負柵壓方向平移。第四十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日功函數(shù)差對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響Wm<Ws第四十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日三.絕緣層中電荷對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響如絕緣層有電荷，在金屬表面和半導(dǎo)體表面附近感應(yīng)出符號相反的電荷，空間電荷區(qū)產(chǎn)生電場，能帶發(fā)生彎曲。需外加電壓使能帶達到平帶，這個電壓叫平帶電壓。絕緣層中薄層電荷的影響第四十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日為抵消絕緣層中薄層電荷的影響所需加的平帶電壓

金屬與薄層間電場由高斯定理得到絕緣層中電荷越接近半導(dǎo)體表面，對C-V特性影響越大；在金屬/絕緣層界面，對C-V特性無影響。第四十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日絕緣層中正電荷對C-V曲線的影響第四十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日如電荷在絕緣層中具有某種分布，則由積分求平帶電壓可見，VFB隨絕緣層中電荷分布而變化。如果絕緣層中存在可動電荷，則其移動使VFB改變，引起C-V曲線沿電壓軸平移。當(dāng)功函數(shù)差和絕緣層電荷同時存在時，第四十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日§8.3Si-SiO2

系統(tǒng)的性質(zhì)一.Si-SiO2系統(tǒng)存在以下四種基本類型電荷：SiO2層中可動離子，在一定溫度和偏壓下可在SiO2

中移動；Na+

、K+

等。2.SiO2層中的固定電荷，在Si-SiO2

界面約20nm內(nèi)；3.界面態(tài)Si-SiO2

界面處禁帶中的能級或能帶；

Si-SiO2界面處——快界面態(tài)；快界面態(tài)可迅速地和半導(dǎo)體交換電荷。空氣/SiO2界面處——慢態(tài)。4.SiO2層中的電離陷阱電荷，由各種輻射引起。第四十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷狀態(tài)第四十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日二.Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷的作用：

引起MOS結(jié)構(gòu)C-V特性變化，影響器件性能。三.減少Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷的主要措施：

1.防止沾污——減少Na+

等可動離子。

2.退火，熱處理——減少固定電荷和陷阱電荷。

3.選[100]晶向的單晶硅——減少界面態(tài)。第五十頁，共五十九頁，2022年，8月28日§8.4表面電導(dǎo)及遷移率1.表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)取決于表面層載流子濃度及遷移率。垂直于表面的電場產(chǎn)生表面勢，改變載流子濃度，影響表面電導(dǎo)。第五十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日以p型MIS結(jié)構(gòu)為例：

1）表面勢為負,多子積累，表面電導(dǎo)增加；2）表面勢為正,多子耗盡，表面電導(dǎo)減??；3）表面勢為正且很大，表面反型，反型層中電子濃度高，表面電導(dǎo)很大；第五十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.表面載流子的有效遷移率

1）由于表面散射以及熱氧化時雜質(zhì)再分布的影響，使得表面遷移率僅約體內(nèi)一半。2）有效遷移率還與溫度有關(guān)。第五十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日本章小結(jié)1.在電場或其他物理效應(yīng)作用下，半導(dǎo)體表面層載流子分布發(fā)生變化，產(chǎn)生表面勢及電場，導(dǎo)致表面能帶彎曲。半導(dǎo)體表面電場不同，導(dǎo)致表面出現(xiàn)多子的積累、平帶、耗盡、反型或強反型。以下以p型半導(dǎo)體為例：（1）多子的積累VG<0，表面能帶向上彎曲，表面積累VS<0第五十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日（2）平帶狀態(tài)（VG=0，Vs=0）（3）多子耗盡狀態(tài)VG>0，能帶向下彎曲,表面耗盡VS>0（4）少子的反型狀態(tài)，強反型時條件：Vs>>2V

B，能帶向下彎曲劇烈第五十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日出現(xiàn)強反型后，耗盡層寬度達到極大值2.理想MIS結(jié)構(gòu)的電容－電壓特性表明MIS電容由CO和Cs串聯(lián)而成