半導(dǎo)體物理2013(第八章)

1、第第8 8章章 半導(dǎo)體表面和半導(dǎo)體表面和MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容： lMISMIS結(jié)構(gòu)中的表面電場效應(yīng)結(jié)構(gòu)中的表面電場效應(yīng) lMISMIS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容- -電壓特性電壓特性 l硅硅- -二氧化硅系統(tǒng)性質(zhì)二氧化硅系統(tǒng)性質(zhì) l表面電場對表面電場對pnpn結(jié)特性的影響結(jié)特性的影響 8.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電荷層及表面勢 l我們通過一個我們通過一個MIS結(jié)構(gòu)來討論在外加電場作用下結(jié)構(gòu)來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，并假設(shè)考慮的理想半導(dǎo)體表面層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，并假設(shè)考慮的理想 的的MIS結(jié)構(gòu)滿足以下條件：結(jié)構(gòu)滿足以下條件： 金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)相等；金屬

2、與半導(dǎo)體功函數(shù)相等； 絕緣層內(nèi)無電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；絕緣層內(nèi)無電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電； 絕緣層與半導(dǎo)體交界面處不存在任何界面態(tài)。絕緣層與半導(dǎo)體交界面處不存在任何界面態(tài)。 MIS結(jié)構(gòu)示意圖及理想MIS的能帶圖 8.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電荷層及表面勢 外加電場作用于該外加電場作用于該MIS結(jié)構(gòu)，金屬接高電位，即結(jié)構(gòu)，金屬接高電位，即VG0 MIS結(jié)構(gòu)由于絕緣層的結(jié)構(gòu)由于絕緣層的 存在不能導(dǎo)電，實際就存在不能導(dǎo)電，實際就 是一個電容器，金屬與是一個電容器，金屬與 半導(dǎo)體相對的兩個面上半導(dǎo)體相對的兩個面上 被充電，結(jié)果金屬一層被充電，結(jié)果金屬一層 的邊界有正電荷積累，的邊界有正電荷積累，

3、 而在而在P型半導(dǎo)體表面形型半導(dǎo)體表面形 成一定寬度的帶負(fù)電荷成一定寬度的帶負(fù)電荷 的空間電荷區(qū)。的空間電荷區(qū)。 8.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電荷層及表面勢 在空間電荷區(qū)內(nèi)，電場在空間電荷區(qū)內(nèi)，電場 的方向由半導(dǎo)體與絕緣的方向由半導(dǎo)體與絕緣 層的交界面（半導(dǎo)體表層的交界面（半導(dǎo)體表 面）指向半導(dǎo)體內(nèi)部，面）指向半導(dǎo)體內(nèi)部， 同時空間電荷區(qū)內(nèi)的電同時空間電荷區(qū)內(nèi)的電 勢也隨距離而變化，這勢也隨距離而變化，這 樣半導(dǎo)體表面相對體內(nèi)樣半導(dǎo)體表面相對體內(nèi) 產(chǎn)生了電勢差，同時能產(chǎn)生了電勢差，同時能 帶在空間電荷區(qū)內(nèi)發(fā)生帶在空間電荷區(qū)內(nèi)發(fā)生 了彎曲。了彎曲。 E 8.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電

4、荷層及表面勢 l表面勢表面勢V Vs s ：稱空間電荷層兩端的電勢差為表：稱空間電荷層兩端的電勢差為表 面勢，以面勢，以V Vs s表示之，規(guī)定表面電勢比內(nèi)部高時，表示之，規(guī)定表面電勢比內(nèi)部高時， V Vs s取正值；反之取正值；反之V Vs s取負(fù)值。取負(fù)值。 l表面勢及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬表面勢及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬 與半導(dǎo)體間所加的電壓與半導(dǎo)體間所加的電壓VGVG而變化，基本上可歸而變化，基本上可歸 納為三種情況：納為三種情況：多子堆積、多子耗盡和少子反多子堆積、多子耗盡和少子反 型。型。 分析要點分析要點：表面空間電荷區(qū)電場方向和表面勢；：表面空間電荷區(qū)電場方向

5、和表面勢； 半導(dǎo)體表面能帶彎曲情況半導(dǎo)體表面能帶彎曲情況; ;表面空間電荷區(qū)電表面空間電荷區(qū)電 荷組成；名稱由來。荷組成；名稱由來。 8.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電荷層及表面勢 l多數(shù)載流子堆積狀態(tài)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)： 電場由半導(dǎo)體內(nèi)部指向表電場由半導(dǎo)體內(nèi)部指向表 面，表面勢為負(fù)值，表面面，表面勢為負(fù)值，表面 處能帶越靠近表面向上彎處能帶越靠近表面向上彎 曲。曲。越接近半導(dǎo)體表面，越接近半導(dǎo)體表面， 價帶頂越移近費米能級甚價帶頂越移近費米能級甚 至高過費米能級，同時價至高過費米能級，同時價 帶中空穴濃度也隨之增加，帶中空穴濃度也隨之增加， 即即表面空間電荷層為空穴表面空間電荷層為空穴 的

6、堆積而帶正電荷，的堆積而帶正電荷，且越且越 接近表面空穴濃度越高接近表面空穴濃度越高 多子堆積狀態(tài)。多子堆積狀態(tài)。 M MI IS S 8.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電荷層及表面勢 l多數(shù)載流子的耗盡狀態(tài)多數(shù)載流子的耗盡狀態(tài) 電場由半導(dǎo)體表面指向體內(nèi)，電場由半導(dǎo)體表面指向體內(nèi)， 表面勢為正值，表面處能帶表面勢為正值，表面處能帶 越靠近表面向下彎曲。越靠近表面向下彎曲。越接越接 近表面，半導(dǎo)體價帶頂離費近表面，半導(dǎo)體價帶頂離費 米能級越遠(yuǎn)，價帶頂處的空米能級越遠(yuǎn)，價帶頂處的空 穴濃度隨之降低。表面處空穴濃度隨之降低。表面處空 穴濃度較體內(nèi)空穴濃度低得穴濃度較體內(nèi)空穴濃度低得 多，多，表面層的

7、負(fù)電荷基本上表面層的負(fù)電荷基本上 等于電離受主雜質(zhì)濃度等于電離受主雜質(zhì)濃度 多子的耗盡狀態(tài)（耗盡層）。多子的耗盡狀態(tài)（耗盡層）。 8.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電荷層及表面勢 l少數(shù)載流子的反型狀態(tài)少數(shù)載流子的反型狀態(tài) 當(dāng)空間電荷區(qū)內(nèi)能帶進(jìn)一步向下當(dāng)空間電荷區(qū)內(nèi)能帶進(jìn)一步向下 彎曲使費米能級位置高于禁帶中彎曲使費米能級位置高于禁帶中 線，意味著線，意味著表面處出現(xiàn)了一個與表面處出現(xiàn)了一個與 襯底導(dǎo)電類型相反的一層，叫做襯底導(dǎo)電類型相反的一層，叫做 反型層。反型層。反型層發(fā)生在緊靠在半反型層發(fā)生在緊靠在半 導(dǎo)體表面處，從導(dǎo)體表面處，從反型層到半導(dǎo)體反型層到半導(dǎo)體 內(nèi)部之間還夾著一個耗盡層內(nèi)部

8、之間還夾著一個耗盡層。此。此 時，時，表面空間電荷區(qū)由兩部分組表面空間電荷區(qū)由兩部分組 成，一部分是耗盡層中的電離受成，一部分是耗盡層中的電離受 主，另一部分是反型層中的電子，主，另一部分是反型層中的電子， 后者主要堆積在近表面區(qū)后者主要堆積在近表面區(qū) 少子反型狀態(tài)少子反型狀態(tài) 8.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電荷層及表面勢 金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)壓，多子堆積金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)壓，多子堆積 金屬與半導(dǎo)體間加不太高的正壓，多子耗盡金屬與半導(dǎo)體間加不太高的正壓，多子耗盡 金屬與半導(dǎo)體間加高正壓，少子反型金屬與半導(dǎo)體間加高正壓，少子反型 p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 V VG G000 V VG G00 8

9、.1表面電場效應(yīng) 8.1.1空間電荷層及表面勢 n n 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 金屬與半導(dǎo)體間加正壓，多子堆積金屬與半導(dǎo)體間加正壓，多子堆積 金屬與半導(dǎo)體間加不太高的負(fù)壓，多子耗盡金屬與半導(dǎo)體間加不太高的負(fù)壓，多子耗盡 金屬與半導(dǎo)體間加高負(fù)壓，少子反型金屬與半導(dǎo)體間加高負(fù)壓，少子反型 V VG G00 V VG G00 V VG G000，Q Qs s用負(fù)號；反之用負(fù)號；反之Q Qs s 用正號?？梢钥闯?，表面空間電荷層的電荷面用正號?？梢钥闯觯砻婵臻g電荷層的電荷面 密度密度Q QS S隨表面勢隨表面勢V VS S變化，正體現(xiàn)出變化，正體現(xiàn)出MISMIS結(jié)構(gòu)的電結(jié)構(gòu)的電 容特性。容特性。 8.1

10、表面電場效應(yīng) 8.1.2 表面空間電荷層的電場、電勢和電容 l在單位表面積的表面層中空穴的改變量為在單位表面積的表面層中空穴的改變量為 l因為因為 0 0 0 0 0 1)exp()(dx Tk qV pdxppp ppp | E dV dx 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.2 表面空間電荷層的電場、電勢和電容 l考慮到考慮到x=0 x=0，V=VV=Vs s和和x=x=，V=0V=0，則得，則得 l同理可得同理可得 0 0 0 0 0 0 0 ),( 1)exp( 2 s V p p DP dV p n Tk qV F Tk qV Tk Lqp p 0 0 0 0 0 0 0 ),( 1)ex

11、p( 2 s V p p DP dV p n Tk qV F Tk qV Tk Lqp n 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.2 表面空間電荷層的電場、電勢和電容 l半導(dǎo)體表面處單位面積微分電容半導(dǎo)體表面處單位面積微分電容 l單位單位F/mF/m2 2。 下面以下面以P P型半導(dǎo)體構(gòu)成的型半導(dǎo)體構(gòu)成的MISMIS結(jié)構(gòu)，討論三種類結(jié)構(gòu)，討論三種類 型時的電場、電荷面密度及電容情況。型時的電場、電荷面密度及電容情況。 返回 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.2 表面空間電荷層的電場、電勢和電容 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 l（1 1）多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（積累層）多數(shù)載流子

12、堆積狀態(tài)（積累層） 當(dāng)當(dāng)V VG G000時，但其大小還不足以使表面出現(xiàn)反型狀時，但其大小還不足以使表面出現(xiàn)反型狀 態(tài)時，空間電荷區(qū)為空穴的耗盡層。態(tài)時，空間電荷區(qū)為空穴的耗盡層。F F函數(shù)函數(shù)中起中起 主要作用的為主要作用的為 ，此時：，此時： 代入代入LDLD 采用耗盡采用耗盡近似近似 2 0 2 Ad s rs qN x V 1/2 0 2 Ars s s N q C V 2/1 2/1 0 2 s D s V q Tk L E 2/1 2/1 00 2 s D rs s V q Tk L Q 2/1 0 0 1 Tk qV L C s D rs s 2/1 0 Tk qVs 返回 8.

13、1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 0rs s d C x 對于耗盡狀態(tài)，空間電荷區(qū)也可以用對于耗盡狀態(tài)，空間電荷區(qū)也可以用“耗盡層近似耗盡層近似” 來處理，即假設(shè)空間電荷區(qū)內(nèi)所有負(fù)電荷全部由電來處理，即假設(shè)空間電荷區(qū)內(nèi)所有負(fù)電荷全部由電 離受主提供，對于均勻摻雜的半導(dǎo)體，電荷密度為：離受主提供，對于均勻摻雜的半導(dǎo)體，電荷密度為： 代入泊松方程求解，得到：代入泊松方程求解，得到： 電勢分布電勢分布 表面勢表面勢 其中的其中的xdxd為空間電荷區(qū)寬度，若已知表面勢為空間電荷區(qū)寬度，若已知表面勢VSVS，可，可 求出電荷區(qū)求出電荷區(qū)寬度為寬度為 單位面積電容單位面積電容 電荷

14、面密度電荷面密度 2/1 0 2 sArsdAs VqNxqNQ A qNx 0 2 2 rs dA xxqN V 0 2 2 rs dA s xqN V 2/1 0 2 A srs d qN V x 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 l（4 4）少數(shù)載流子反型狀態(tài)（反型層，）少數(shù)載流子反型狀態(tài)（反型層， VG0 ） 弱反型：如能帶圖所示，表面剛剛開始出現(xiàn)反型層弱反型：如能帶圖所示，表面剛剛開始出現(xiàn)反型層 的條件：的條件： 表面處表面處 c E 0i E f E v E s eV Fi EE 即表面勢費米勢即表面勢費米勢 所以形成弱反型層的條件：所以形成弱反型層的條

15、件： i A fi B n N q Tk q EE Vln 0 0 其中：其中： Bfis qVEEqV 0 Bs VV 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 強(qiáng)反型層出現(xiàn)的條件：當(dāng)型襯底表面處的電子濃強(qiáng)反型層出現(xiàn)的條件：當(dāng)型襯底表面處的電子濃 度等于體內(nèi)的多子空穴濃度時。度等于體內(nèi)的多子空穴濃度時。 c E 0i E f E v E f E is E s fi i isf is np kT EE np kT EE nn 0 0 0 exp exp 半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型層的條件：半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型層的條件： BisisBfiisf qVEEqVqVEEEE2 00 B

16、s VV2 此時表面勢為：此時表面勢為： i A Bs n N q Tk VVln 2 2 0 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 當(dāng)半導(dǎo)體表面進(jìn)入強(qiáng)反型時，即當(dāng)當(dāng)半導(dǎo)體表面進(jìn)入強(qiáng)反型時，即當(dāng)V VS S=2V=2VB B時金屬板時金屬板 上加的電壓習(xí)慣上稱為上加的電壓習(xí)慣上稱為開啟電壓開啟電壓，以，以V VT T表示，該電表示，該電 壓由絕緣層和半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)共同承擔(dān)，即壓由絕緣層和半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)共同承擔(dān)，即 其中其中V V0 0是落在絕緣層上的電壓降，是落在絕緣層上的電壓降，2V2VB B是落在空間電是落在空間電 荷區(qū)的電壓降，也就是表面勢。荷區(qū)的電壓

17、降，也就是表面勢。( (注意注意：開啟電壓的：開啟電壓的 求法）求法） 對于弱反型和強(qiáng)反型，空間電荷區(qū)的電場、電荷面對于弱反型和強(qiáng)反型，空間電荷區(qū)的電場、電荷面 密度及電容公式有一些區(qū)別，討論如下：密度及電容公式有一些區(qū)別，討論如下： BT VVV2 0 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 弱反型時弱反型時：空間電荷層的電場、電荷密度公式與：空間電荷層的電場、電荷密度公式與 多子耗盡時多子耗盡時相似，相似，F(xiàn) F函數(shù)簡化為：函數(shù)簡化為： 臨界強(qiáng)反型時臨界強(qiáng)反型時: : 2/1 0 Tk qV F s 2/1 0 0 2 Tk qV qL Tk E s D s 2/1

18、0 2/1 0 42 BArssArss VqNVqNQ 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 到達(dá)強(qiáng)反型之后到達(dá)強(qiáng)反型之后，當(dāng)表面勢，當(dāng)表面勢V VS S比比2V2VB B大的多時，大的多時，F(xiàn) F 函數(shù)函數(shù)簡化為：簡化為： 此時，電場、面電荷密度及表面空間電荷層電容此時，電場、面電荷密度及表面空間電荷層電容 分別為：分別為： Tk qV p n F s p p 0 2/1 0 0 2 exp 2/1 0 0 0 2/1 0 0 0 2 2 exp 2 rs s s p p D s Tk n Tk qV p n qL Tk E 2/1 00 0 2/1 0 0 00

19、2 2 exp 2 srs s p p D rs s nTk Tk qV p n qL Tk Q 2/1 0 0 0 2/1 0 0 0 2 exp p s D rss p p D rs s p n LTk qV p n L C Tk qV nn s ps 0 0 2 exp令 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 需要注意的是理想情況下，若外加偏壓變化緩需要注意的是理想情況下，若外加偏壓變化緩 慢，則一旦出現(xiàn)強(qiáng)反型，表面耗盡層寬度就達(dá)到一慢，則一旦出現(xiàn)強(qiáng)反型，表面耗盡層寬度就達(dá)到一 個極大值個極大值x xdmdm，不再隨外加電壓的增加而繼續(xù)增加，不再隨外加電壓的增加而

20、繼續(xù)增加， 利用利用耗盡層近似的方法耗盡層近似的方法求出求出最大寬度最大寬度： 這是因為反型層中積累電子屏蔽了外電場的作用，這是因為反型層中積累電子屏蔽了外電場的作用， 當(dāng)電壓繼續(xù)增大時，通過電子的繼續(xù)增多來保持電當(dāng)電壓繼續(xù)增大時，通過電子的繼續(xù)增多來保持電 中性，而不必使耗盡層向半導(dǎo)體內(nèi)部繼續(xù)延伸。中性，而不必使耗盡層向半導(dǎo)體內(nèi)部繼續(xù)延伸。 2/1 2 00 2/1 0 ln 44 i A A rs A Brs dm n N Nq Tk qN V x 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 l深耗盡狀態(tài)深耗盡狀態(tài) 這是一種非平衡狀態(tài)，如在這是一種非平衡狀態(tài)，如在MISM

21、IS結(jié)構(gòu)上加一高頻結(jié)構(gòu)上加一高頻 正弦波形成的正電壓，雖然電壓的幅度已經(jīng)超過強(qiáng)正弦波形成的正電壓，雖然電壓的幅度已經(jīng)超過強(qiáng) 反型條件，但是由于空間電荷層中電子的產(chǎn)生速率反型條件，但是由于空間電荷層中電子的產(chǎn)生速率 趕不上電壓的變化，反型層來不及建立，為了保持趕不上電壓的變化，反型層來不及建立，為了保持 和金屬板上的正電荷平衡，只能依靠將耗盡層向半和金屬板上的正電荷平衡，只能依靠將耗盡層向半 導(dǎo)體內(nèi)部繼續(xù)推進(jìn)而產(chǎn)生更多的電離受主。此時，導(dǎo)體內(nèi)部繼續(xù)推進(jìn)而產(chǎn)生更多的電離受主。此時， 空間電荷區(qū)的電荷全部由電離受主提供，耗盡層的空間電荷區(qū)的電荷全部由電離受主提供，耗盡層的 寬度可超過最大寬度寬度可超

22、過最大寬度x xdmdm，且寬度隨電壓，且寬度隨電壓V VG G的增加而的增加而 增大，稱為增大，稱為“深耗盡狀態(tài)深耗盡狀態(tài)”，仍可用耗盡層近似來，仍可用耗盡層近似來 處理。處理。 8.1 表面電場效應(yīng) 8.1.3 各種表面層狀態(tài)下的電容情況 8.2 MIS8.2 MIS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容- -電壓特性電壓特性 lMISMIS結(jié)構(gòu)的微分電容結(jié)構(gòu)的微分電容 l理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的低頻結(jié)構(gòu)的低頻C-VC-V特性特性 l理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的高頻結(jié)構(gòu)的高頻C-VC-V特性特性 l實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 8.2.1 MIS8.2.1 MIS結(jié)構(gòu)的微分電容結(jié)構(gòu)的

23、微分電容 l柵壓柵壓V VG G= V= VO O+ V+ VS S l當(dāng)不考慮表面態(tài)電荷當(dāng)不考慮表面態(tài)電荷, ,半導(dǎo)體的總電荷面密度半導(dǎo)體的總電荷面密度 Q QS S = - Q = - QG G lMISMIS結(jié)構(gòu)的微分電容結(jié)構(gòu)的微分電容C C d dQ QG G/dV/dVG G 1 GOS GGG dVdVdV CdQdQdQ l定義定義 u 絕緣層電容絕緣層電容 u 空間電荷區(qū)電容空間電荷區(qū)電容 則有則有 即即 上式說明，上式說明，MISMIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)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)，體空間電荷層電容的串聯(lián)，其等效電路如右圖。其等效電路如右

24、圖。 0Gro O Oo dQ C dVd S S S dQ C dV 111 OS CCC 1 1 O O S C C C C 8.8.2 2.1 MIS.1 MIS結(jié)構(gòu)的微分電容結(jié)構(gòu)的微分電容 8.2.2 8.2.2 理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的低頻結(jié)構(gòu)的低頻C-VC-V特性特性 l理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): : 金屬的功函數(shù)與半導(dǎo)體相同（金屬的功函數(shù)與半導(dǎo)體相同（Vms=0Vms=0） 氧化層中沒有電荷存在（氧化層中沒有電荷存在（Qo=0Qo=0） 半導(dǎo)體氧化物沒有界面態(tài)（半導(dǎo)體氧化物沒有界面態(tài)（Qss=0Qss=0） lMISMIS結(jié)構(gòu)的微分電容公式結(jié)構(gòu)的微分電容公式: : 把把8.

25、28.2節(jié)中計算出的各種狀態(tài)下的節(jié)中計算出的各種狀態(tài)下的C CS S代入公代入公 式，可求得理想式，可求得理想MISMIS結(jié)構(gòu)在各種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)在各種狀態(tài)下的C/C0C/C0值，值， 仍以仍以P P型襯底的型襯底的MISMIS結(jié)構(gòu)為例。結(jié)構(gòu)為例。 1 1 O O S C C C C 多子堆積狀態(tài)多子堆積狀態(tài)：V VG G0 V0 VS S0 0, 00, 0VS S 2V V VT T, V, VS S 2V 2VB B u如果是如果是處于低頻信號處于低頻信號下，強(qiáng)反型的下，強(qiáng)反型的MISMIS結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)上 qVqVS S2qV2qVB Bkk0 0T T，上式分母第二項的很小趨近于零，上式分

26、母第二項的很小趨近于零， 所以所以(C/Co)1(C/Co)1，說明，說明MISMIS結(jié)構(gòu)電容又上升到等于結(jié)構(gòu)電容又上升到等于 絕緣層電容，如圖絕緣層電容，如圖EFEF段。段。 2/1 00 0 0 0 0 exp 1 1 Tk qV p n d L C C s p p rs Dr 8.8.2 2.2 .2 理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的低頻結(jié)構(gòu)的低頻C-VC-V特性特性 如果是如果是處于處于高頻信號高頻信號下下, ,反型層中電子的產(chǎn)生與反型層中電子的產(chǎn)生與 復(fù)合跟不上頻率的變化復(fù)合跟不上頻率的變化, ,空間電荷區(qū)電容呈現(xiàn)的是空間電荷區(qū)電容呈現(xiàn)的是 耗盡層電容，由于強(qiáng)反型時耗盡層有最大寬度耗盡層電

27、容，由于強(qiáng)反型時耗盡層有最大寬度x xdmdm， 使耗盡層電容達(dá)最小值，所以使耗盡層電容達(dá)最小值，所以MISMIS結(jié)構(gòu)的電容也呈結(jié)構(gòu)的電容也呈 現(xiàn)極小電容現(xiàn)極小電容CminCmin不再隨偏壓不再隨偏壓V VG G變化，如圖變化，如圖GHGH 段。此時段。此時 8.2.3 8.2.3 理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的高頻結(jié)構(gòu)的高頻C-VC-V特性特性 dm rs s x C 0 2/1 00 0 0 0 00 0 / min ln 2 1 1 1 1 1 1 i A A rs rs r rs dmr n N N Tk dq d x Cs C C C l深耗盡狀態(tài)深耗盡狀態(tài)： 若理想若理想MISMIS結(jié)

28、構(gòu)處于深耗盡狀態(tài)，此時耗盡結(jié)構(gòu)處于深耗盡狀態(tài)，此時耗盡 層寬度層寬度x xd d隨外加隨外加V VG G而變化，而變化，C CS S不再是定值，所以不再是定值，所以 MISMIS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容C/C0C/C0不再呈現(xiàn)為最小值。不再呈現(xiàn)為最小值。 d rs s x C 0 0 0 0 1 1 d x C C rs dr 8.8.2 2.3 .3 理想理想MISMIS結(jié)構(gòu)的高頻結(jié)構(gòu)的高頻C-VC-V特性特性 8.2.4 8.2.4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 一、金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差異的影響一、金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差異的影響 l無外加偏壓時能帶圖：無外加偏壓時能帶圖： 若

29、金屬和半導(dǎo)體存在功函數(shù)差異，當(dāng)形成若金屬和半導(dǎo)體存在功函數(shù)差異，當(dāng)形成MISMIS系統(tǒng)系統(tǒng) 時，為了使金屬和半導(dǎo)體的費米能級保持水平，在半時，為了使金屬和半導(dǎo)體的費米能級保持水平，在半 導(dǎo)體表面會形成空間電荷區(qū)，表面能帶發(fā)生彎曲，表導(dǎo)體表面會形成空間電荷區(qū)，表面能帶發(fā)生彎曲，表 面勢面勢V VS S不為零。不為零。 下圖為某一實際下圖為某一實際P P型型MISMIS結(jié)構(gòu)在無外加偏壓時的能結(jié)構(gòu)在無外加偏壓時的能 帶圖，考慮帶圖，考慮W Wm mW00，能帶下彎。，能帶下彎。 Vs0 8.8.2 2.4 .4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 l功函數(shù)差對功函數(shù)差對C-VC-V

30、曲線的影響：曲線的影響： 存在功函數(shù)差異的實際存在功函數(shù)差異的實際MISMIS結(jié)構(gòu)和理想結(jié)構(gòu)和理想MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-C- V V特性曲線形狀一致，但位置有一些變化。特性曲線形狀一致，但位置有一些變化。 在上面的例子中，無偏壓時在上面的例子中，無偏壓時V VS S00，能帶下彎，為了，能帶下彎，為了 恢復(fù)半導(dǎo)體表面平帶狀態(tài)，必須在金屬一側(cè)加一定的負(fù)恢復(fù)半導(dǎo)體表面平帶狀態(tài)，必須在金屬一側(cè)加一定的負(fù) 電壓，抵消半導(dǎo)體表面勢對能帶的影響。電壓，抵消半導(dǎo)體表面勢對能帶的影響。這個為了恢復(fù)這個為了恢復(fù) 平帶狀態(tài)所需加的電壓叫做平帶電壓，以平帶狀態(tài)所需加的電壓叫做平帶電壓，以V VFBFB表示表示

31、，大，大 小為：小為： q WW VV sm sFB 8.8.2 2.4 .4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 左圖為該左圖為該MISMIS結(jié)構(gòu)的實際結(jié)構(gòu)的實際C-C- V V特性曲線（曲線特性曲線（曲線2 2）。從）。從 圖中可知，與理想圖中可知，與理想MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) C-VC-V曲線（曲線曲線（曲線1 1）相比，）相比， 實際實際MISMIS的的C-VC-V曲線沿電壓曲線沿電壓 軸向負(fù)方向平移了一段距軸向負(fù)方向平移了一段距 離離V VFBFB。 綜上：綜上：金屬與半導(dǎo)體存在功函數(shù)差的實際金屬與半導(dǎo)體存在功函數(shù)差的實際MISMIS結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， 其其C-VC-V特性

32、曲線會沿電壓軸向左或右平移，平移的特性曲線會沿電壓軸向左或右平移，平移的 距離即為平帶電壓距離即為平帶電壓V VFB FB，其正負(fù)代表平移的方向。 ，其正負(fù)代表平移的方向。 B VFB 8.8.2 2.4 .4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 二、絕緣層電荷對二、絕緣層電荷對MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-VC-V特性的影響特性的影響 設(shè)絕緣層中有一薄層電荷，單位面積上的電荷量設(shè)絕緣層中有一薄層電荷，單位面積上的電荷量 為為Q Q，離金屬表面的距離為，離金屬表面的距離為x x，帶正電。，帶正電。 l無偏壓時絕緣層電荷對半導(dǎo)體能帶的影響無偏壓時絕緣層電荷對半導(dǎo)體能帶的影響 為了保持

33、電中性，絕緣層的正電荷會在金屬及半為了保持電中性，絕緣層的正電荷會在金屬及半 導(dǎo)體表面層中感應(yīng)出負(fù)電荷，因此在半導(dǎo)體表面有負(fù)導(dǎo)體表面層中感應(yīng)出負(fù)電荷，因此在半導(dǎo)體表面有負(fù) 的空間電荷區(qū)，表面能帶下彎，表面勢的空間電荷區(qū)，表面能帶下彎，表面勢V VS S00。 8.8.2 2.4 .4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 Q0 8.2.4 8.2.4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 l絕緣層電荷對絕緣層電荷對C-VC-V特性的影響特性的影響 半導(dǎo)體表面感應(yīng)出的負(fù)電荷導(dǎo)致了半導(dǎo)體表面能半導(dǎo)體表面感應(yīng)出的負(fù)電荷導(dǎo)致了半導(dǎo)體表面能 帶的彎曲，為了恢復(fù)半導(dǎo)體的平帶

34、狀態(tài)，需要在金屬帶的彎曲，為了恢復(fù)半導(dǎo)體的平帶狀態(tài)，需要在金屬 一側(cè)加一個負(fù)偏壓一側(cè)加一個負(fù)偏壓V VFBFB，使金屬板上的負(fù)電荷量增加到，使金屬板上的負(fù)電荷量增加到 等于絕緣層電荷等于絕緣層電荷Q Q，這樣半導(dǎo)體表面就不會有感應(yīng)的負(fù)，這樣半導(dǎo)體表面就不會有感應(yīng)的負(fù) 電荷，表面能帶恢復(fù)水平狀態(tài)，電荷，表面能帶恢復(fù)水平狀態(tài)，V VFBFB的大小，我們這樣的大小，我們這樣 來考慮：來考慮： 8.8.2 2.4 .4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 在平帶電壓在平帶電壓V VFBFB的作用下，電荷只出現(xiàn)在金屬板和的作用下，電荷只出現(xiàn)在金屬板和 絕緣層中，內(nèi)電場集中在金屬板和絕緣

35、層薄層電荷之絕緣層中，內(nèi)電場集中在金屬板和絕緣層薄層電荷之 間，由高斯定理可推出：間，由高斯定理可推出： 該該MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性曲線也沿電壓軸向負(fù)方向平移，特性曲線也沿電壓軸向負(fù)方向平移， 平移的距離即為平移的距離即為VVFBFB，如圖中的，如圖中的曲線（曲線（2 2）。 0000 Cd xQxQ xEV r FB 其中其中C0C0絕緣層單位面積電容。絕緣層單位面積電容。 8.8.2 2.4 .4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 l絕緣層電荷位置對絕緣層電荷位置對C-VC-V特性的影響特性的影響 當(dāng)當(dāng)x=0 x=0時，絕緣層電荷貼近金屬一側(cè)，時，絕緣

36、層電荷貼近金屬一側(cè)，V VFBFB=0=0 當(dāng)當(dāng)x=dx=d0 0時，絕緣層電荷貼近半導(dǎo)體一側(cè)，平帶電時，絕緣層電荷貼近半導(dǎo)體一側(cè)，平帶電 壓有最大值壓有最大值 這說明絕緣層電荷越接近半導(dǎo)體表面，對這說明絕緣層電荷越接近半導(dǎo)體表面，對C-VC-V特性的影特性的影 響越大，若位于金屬與絕緣層界面處，對響越大，若位于金屬與絕緣層界面處，對C-VC-V特性無影特性無影 響。響。 000 C QdQ V r FB 8.8.2 2.4 .4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 l體分布的絕緣層電荷對平帶電壓的影響體分布的絕緣層電荷對平帶電壓的影響 若絕緣層中的電荷不是薄層分布而是體分布

37、，設(shè)金若絕緣層中的電荷不是薄層分布而是體分布，設(shè)金 屬與絕緣層界面為坐標(biāo)原點，體電荷密度為屬與絕緣層界面為坐標(biāo)原點，體電荷密度為(x)(x)，其，其 平帶電壓為：平帶電壓為： 當(dāng)功函數(shù)差和絕緣層電荷同時存在時，平帶電壓為：當(dāng)功函數(shù)差和絕緣層電荷同時存在時，平帶電壓為： dx d xx C V d FB 0 0 00 1 dx d xx Cq WW V d sm FB 0 0 00 1 8.8.2 2.4 .4 實際實際MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V特性特性 硅硅- -二氧化硅系統(tǒng)中的電荷和態(tài)二氧化硅系統(tǒng)中的電荷和態(tài) l1. 1. 二氧化硅中的可動離子二氧化硅中的可動離子 l2. 2. 二

38、氧化硅中的固定表面二氧化硅中的固定表面 電荷電荷 l3. 3. 在硅在硅二氧化硅界面處二氧化硅界面處 的快界面態(tài)的快界面態(tài) l4.4.二氧化硅中的陷阱電荷二氧化硅中的陷阱電荷 8.8.3 3 Si-SiO Si-SiO2 2系統(tǒng)的性質(zhì)系統(tǒng)的性質(zhì) 8.3.1 8.3.1 二氧化硅中的可動離子二氧化硅中的可動離子 l二氧化硅中的可動離子有二氧化硅中的可動離子有NaNa、K K、H H等，其中最等，其中最 主要而對器件穩(wěn)定性影響最大的是主要而對器件穩(wěn)定性影響最大的是NaNa離子。離子。 l來源來源：使用的試劑、玻璃器皿、高溫器材以及使用的試劑、玻璃器皿、高溫器材以及 人體沾污等人體沾污等 l為什么為

39、什么SiOSiO2 2層中容易玷污這些正離子而且易于層中容易玷污這些正離子而且易于 在其中遷移呢？在其中遷移呢？ 二氧化硅的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)二氧化硅的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu) l二氧化硅結(jié)構(gòu)的基本單二氧化硅結(jié)構(gòu)的基本單 元是一個由硅氧原子組元是一個由硅氧原子組 成的四面體，成的四面體，NaNa離子存離子存 在于四面體之間，使二在于四面體之間，使二 氧化硅呈現(xiàn)多孔性，從氧化硅呈現(xiàn)多孔性，從 而導(dǎo)致而導(dǎo)致NaNa離子易于在二離子易于在二 氧化硅中遷移或擴(kuò)散。氧化硅中遷移或擴(kuò)散。 l由于由于NaNa的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于其它雜質(zhì)。根據(jù)愛大于其它雜質(zhì)。根據(jù)愛 因斯坦關(guān)系，擴(kuò)散系數(shù)因斯坦關(guān)系，擴(kuò)散系數(shù) 跟遷移率

40、成正比，故跟遷移率成正比，故NaNa 離子在二氧化硅中的遷離子在二氧化硅中的遷 移率也特別大。移率也特別大。 l溫度達(dá)到溫度達(dá)到127127攝氏度以上時，攝氏度以上時，NaNa離子在電場作用離子在電場作用 下以較大的遷移率發(fā)生遷移運(yùn)動。下以較大的遷移率發(fā)生遷移運(yùn)動。 二氧化硅中鈉離子的漂移二氧化硅中鈉離子的漂移 對對C-VC-V曲線的影響曲線的影響 曲線曲線1 1為原始為原始C-VC-V曲線，認(rèn)曲線，認(rèn) 為此時所有可動鈉離子都為此時所有可動鈉離子都 位于金屬和絕緣層交界附位于金屬和絕緣層交界附 近；曲線近；曲線2 2是加正是加正10V10V偏壓偏壓 在在127127下退火下退火3030分鐘后測

41、分鐘后測 得的得的C-VC-V曲線；接著在加負(fù)曲線；接著在加負(fù) 10V10V偏壓并在同樣溫度下退偏壓并在同樣溫度下退 火火3030分鐘后測其分鐘后測其C-VC-V曲線，曲線， 即為曲線即為曲線3 3。 B-TB-T實驗測定可動離子電荷密度：實驗測定可動離子電荷密度： l上述實驗稱為偏壓上述實驗稱為偏壓溫度實驗，簡稱溫度實驗，簡稱B-TB-T實驗?？蓪嶒??？?以利用該實驗測量二氧化硅中單位面積上的可動以利用該實驗測量二氧化硅中單位面積上的可動 離子離子NaNa離子的電荷密度：離子的電荷密度： 從而求出二氧化硅層中單位面積鈉離子數(shù)目為：從而求出二氧化硅層中單位面積鈉離子數(shù)目為： NaoFB QCV

42、 Na Na Q N q V VFBFB是曲線是曲線1 1和和2 2平帶電壓之差平帶電壓之差 l可動鈉離子對器件的穩(wěn)定性影響最大可動鈉離子對器件的穩(wěn)定性影響最大 （1 1）漏電增加，擊穿性能變壞）漏電增加，擊穿性能變壞 （2 2）平帶電壓增加）平帶電壓增加 l如何解決鈉離子玷污的問題如何解決鈉離子玷污的問題 （1 1）把好清潔關(guān)）把好清潔關(guān) （2 2）磷蒸汽處理）磷蒸汽處理 8.3.2 8.3.2 二氧化硅中的固定表面電荷二氧化硅中的固定表面電荷. . 二氧化硅層中固定電荷有如下特征二氧化硅層中固定電荷有如下特征 l電荷面密度是固定的電荷面密度是固定的 l這些電荷位于這些電荷位于Si-SiOS

43、i-SiO2 2界面界面200200范圍以內(nèi)范圍以內(nèi) l固定表面電荷面密度的數(shù)值不明顯地受氧化層固定表面電荷面密度的數(shù)值不明顯地受氧化層 厚度或硅中雜質(zhì)類型以及濃度的影響厚度或硅中雜質(zhì)類型以及濃度的影響 l固定電荷面密度與氧化和退火條件，以及硅晶固定電荷面密度與氧化和退火條件，以及硅晶 體的取向有很顯著的關(guān)系體的取向有很顯著的關(guān)系 過剩硅離子是固定正電荷的來源過剩硅離子是固定正電荷的來源 l這些電荷出現(xiàn)在這些電荷出現(xiàn)在Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范圍以內(nèi)，范圍以內(nèi)， 這個區(qū)域是這個區(qū)域是SiOSiO2 2與硅結(jié)合的地方，極易出現(xiàn)與硅結(jié)合的地方，極易出現(xiàn) SiOSiO2 2

44、層中的缺陷及氧化不充分而缺氧，產(chǎn)生層中的缺陷及氧化不充分而缺氧，產(chǎn)生 過剩的硅離子過剩的硅離子 l實驗證明，若在硅晶體取向分別為實驗證明，若在硅晶體取向分別為111111、 110110和和100100三個方向生長三個方向生長SiOSiO2 2時，他們的時，他們的 硅硅二氧化硅結(jié)構(gòu)中的固定表面電荷密度之二氧化硅結(jié)構(gòu)中的固定表面電荷密度之 比約為比約為3:2:13:2:1。 l將氧離子注入將氧離子注入Si-SiO2Si-SiO2系統(tǒng)界面處，在系統(tǒng)界面處，在450450度度 進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)固定表面電荷密度有所下降進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)固定表面電荷密度有所下降 固定表面電荷（帶正電）位于固定表面電荷（帶正電

45、）位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面 處，相當(dāng)于絕緣層中有離金屬的距離為處，相當(dāng)于絕緣層中有離金屬的距離為d0d0 的一層帶正電的面電荷一樣，因此也會帶的一層帶正電的面電荷一樣，因此也會帶 來平帶電壓的影響，如下圖所示。來平帶電壓的影響，如下圖所示。 由由8.3.48.3.4節(jié)節(jié)的內(nèi)容可知，固定表的內(nèi)容可知，固定表 面電荷面電荷Q Qfcfc引起的平帶電壓為：引起的平帶電壓為： 0 fc FB Q V C 單位面積的固定正電荷數(shù)目單位面積的固定正電荷數(shù)目 fc fc Q N q 固定表面電荷對固定表面電荷對MISMIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-VC-V曲線的影響：曲線的影響： 與與B-TB-T實

46、驗相關(guān)的例題解析：實驗相關(guān)的例題解析： l一、在一個一、在一個P型半導(dǎo)體構(gòu)成的型半導(dǎo)體構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)中，絕緣層結(jié)構(gòu)中，絕緣層 里同時含有可動鈉離子和固定表面電荷，在已知里同時含有可動鈉離子和固定表面電荷，在已知 該該MIS結(jié)構(gòu)各組成物質(zhì)的參數(shù)的前提下（絕緣層厚結(jié)構(gòu)各組成物質(zhì)的參數(shù)的前提下（絕緣層厚 度、功函數(shù)、介電常數(shù)等），分析如何通過度、功函數(shù)、介電常數(shù)等），分析如何通過B-T實實 驗來確定絕緣層中的可動離子電荷面密度驗來確定絕緣層中的可動離子電荷面密度Qm及固及固 定表面電荷面密度定表面電荷面密度Qfc？ l注意結(jié)合注意結(jié)合C-V曲線和曲線和B-T實驗的計算問題。實驗的計算問題。 與與B

47、-TB-T實驗相關(guān)的例題解析：實驗相關(guān)的例題解析： l二、用二、用N型硅單晶作為襯底制成的型硅單晶作為襯底制成的MOS二極管，金二極管，金 屬鋁面積為屬鋁面積為 。在。在150下進(jìn)行負(fù)下進(jìn)行負(fù)B-T和正和正 B-T處理，測得其處理，測得其C-V特性曲線分別如圖和。特性曲線分別如圖和。 已知：已知： 求：二氧化硅層的厚度求：二氧化硅層的厚度d0； 二氧化硅層中的固定二氧化硅層中的固定 表面電荷面密度表面電荷面密度Qfc; 二氧化硅層中的可動離子二氧化硅層中的可動離子 電荷面密度電荷面密度Qm。 27 106 . 1mA eVWW SAl 1 . 09 . 3 0 r 12 s kT300 314

48、 /105cmND 8.3.3 8.3.3 在在Si-SiOSi-SiO2 2界面處的快界面態(tài)界面處的快界面態(tài) lSi-SiOSi-SiO2 2系統(tǒng)中位于兩者界面處的界面態(tài)就是來自系統(tǒng)中位于兩者界面處的界面態(tài)就是來自 于懸掛鍵，即所謂塔姆能級。于懸掛鍵，即所謂塔姆能級。 l硅表面的晶格缺陷和損傷，將增加懸掛鍵的密度，硅表面的晶格缺陷和損傷，將增加懸掛鍵的密度， 同樣引入界面態(tài)。同樣引入界面態(tài)。 l在硅表面處存在雜質(zhì)等也可以引入界面態(tài)，這些界在硅表面處存在雜質(zhì)等也可以引入界面態(tài)，這些界 面態(tài)位于面態(tài)位于Si-SiOSi-SiO2 2界面處，所以可以迅速地和界面處，所以可以迅速地和SiSi半半 導(dǎo)

49、體內(nèi)導(dǎo)帶或價帶交換電荷，故此稱為導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)帶或價帶交換電荷，故此稱為“快態(tài)快態(tài)”。 l界面態(tài)能級被電子占據(jù)時呈現(xiàn)電中性，而施放了電子界面態(tài)能級被電子占據(jù)時呈現(xiàn)電中性，而施放了電子 之后呈現(xiàn)正電性，稱為施主型界面態(tài)之后呈現(xiàn)正電性，稱為施主型界面態(tài) l若能級空著時為電中性而被電子占據(jù)時帶上負(fù)電荷，若能級空著時為電中性而被電子占據(jù)時帶上負(fù)電荷， 即稱為受主型界面態(tài)即稱為受主型界面態(tài) l界面態(tài)能級被電子或空穴所占據(jù)的概率，與半導(dǎo)體內(nèi)界面態(tài)能級被電子或空穴所占據(jù)的概率，與半導(dǎo)體內(nèi) 部的雜質(zhì)能級被電子占據(jù)的概率分布相同部的雜質(zhì)能級被電子占據(jù)的概率分布相同 l一般分布：認(rèn)為界面態(tài)能一般分布：認(rèn)為界面態(tài)能 級連

50、續(xù)地分布在禁帶中，級連續(xù)地分布在禁帶中， 其中有兩個高密度峰：一其中有兩個高密度峰：一 個靠近導(dǎo)帶底為受主界面?zhèn)€靠近導(dǎo)帶底為受主界面 態(tài)；另一個靠近價帶頂為態(tài)；另一個靠近價帶頂為 施主界面態(tài)施主界面態(tài) 減少界面態(tài)的方法減少界面態(tài)的方法 l合理地選擇面原子密度小的晶面，如（合理地選擇面原子密度小的晶面，如（100100）晶面）晶面 上生長上生長SiOSiO2 2，會減小未飽和的懸掛鍵的密度，從，會減小未飽和的懸掛鍵的密度，從 而使界面態(tài)密度下降而使界面態(tài)密度下降 l通過選擇在適當(dāng)?shù)臈l件和氣氛下對通過選擇在適當(dāng)?shù)臈l件和氣氛下對Si-SiOSi-SiO2 2系統(tǒng)進(jìn)系統(tǒng)進(jìn) 行退火，來降低表面態(tài)的密度行

51、退火，來降低表面態(tài)的密度 8.3.4 SiO8.3.4 SiO2 2中的陷阱電荷中的陷阱電荷 lSiSiSiOSiO2 2系統(tǒng)在器件工藝，測試或應(yīng)用中常常會系統(tǒng)在器件工藝，測試或應(yīng)用中常常會 受高能粒子，這些電磁輻射通過氧化層時，可受高能粒子，這些電磁輻射通過氧化層時，可 以在氧化層中產(chǎn)生電子空穴對。在偏壓作用以在氧化層中產(chǎn)生電子空穴對。在偏壓作用 下，電子空穴對中的電子容易運(yùn)動至外加偏下，電子空穴對中的電子容易運(yùn)動至外加偏 置電路形成電流，而空穴即被置電路形成電流，而空穴即被SiOSiO2 2層中的陷阱陷層中的陷阱陷 落而運(yùn)動不到電極中去，那么氧化層就帶上了落而運(yùn)動不到電極中去，那么氧化層就

52、帶上了 正電荷，這就是正電荷，這就是陷阱電荷陷阱電荷。 lSiSiSiOSiO2 2系統(tǒng)系統(tǒng)C-VC-V特性向負(fù)偏壓方向平移而出現(xiàn)特性向負(fù)偏壓方向平移而出現(xiàn) 平帶電壓平帶電壓 l陷阱電荷在惰性氣體中，在陷阱電荷在惰性氣體中，在300300度以上進(jìn)行低溫度以上進(jìn)行低溫 退火，可以很快消除退火，可以很快消除 8.8.4 4 表面電場對表面電場對pnpn結(jié)特性的影響結(jié)特性的影響 如果一個結(jié)構(gòu)中含有如果一個結(jié)構(gòu)中含有pnpn結(jié)，而在其附近又含有結(jié)，而在其附近又含有 MISMIS結(jié)構(gòu)，那么結(jié)構(gòu)，那么MISMIS結(jié)構(gòu)處于不同狀態(tài)時，也會對結(jié)構(gòu)處于不同狀態(tài)時，也會對 pnpn結(jié)產(chǎn)生影響，即半導(dǎo)體表面電場效應(yīng)

53、對結(jié)產(chǎn)生影響，即半導(dǎo)體表面電場效應(yīng)對pnpn結(jié)的結(jié)的 影響。在這里，我們討論的主要是以下兩種影響：影響。在這里，我們討論的主要是以下兩種影響： 表面電場對表面電場對pnpn結(jié)能帶的影響；結(jié)能帶的影響； 表面電場對表面電場對pnpn結(jié)反向電流的影響。結(jié)反向電流的影響。 研究的模型如圖所示，各結(jié)構(gòu)研究的模型如圖所示，各結(jié)構(gòu) 處于理想情況。處于理想情況。 8.8.4.4.1 1 表面電場對表面電場對pnpn結(jié)能帶的影響結(jié)能帶的影響 如果如果pnpn結(jié)不加外加偏壓，只在柵極上加電壓結(jié)不加外加偏壓，只在柵極上加電壓 V VG G00，此時，此時pnpn結(jié)處于平衡狀態(tài)，比較能帶圖。結(jié)處于平衡狀態(tài)，比較能帶

54、圖。 沒有表面電場時沒有表面電場時MIS處于反型時處于反型時 當(dāng)當(dāng)V VG GVVT T（開啟電壓）時，（開啟電壓）時，MISMIS結(jié)構(gòu)處于反型狀結(jié)構(gòu)處于反型狀 態(tài)，在柵極下形成新的態(tài)，在柵極下形成新的pnpn結(jié)（實際是結(jié)（實際是MISMIS結(jié)構(gòu)處于結(jié)構(gòu)處于 反型狀態(tài)時的耗盡層部分），我們稱為反型狀態(tài)時的耗盡層部分），我們稱為場感應(yīng)結(jié)場感應(yīng)結(jié)， 而原來的而原來的pnpn結(jié)可稱為結(jié)可稱為冶金結(jié)冶金結(jié)。在。在MISMIS結(jié)構(gòu)部分，能結(jié)構(gòu)部分，能 帶從帶從p p區(qū)內(nèi)部到表面向下彎曲。區(qū)內(nèi)部到表面向下彎曲。 根據(jù)前面可知，當(dāng)表面開始強(qiáng)反型后，場感根據(jù)前面可知，當(dāng)表面開始強(qiáng)反型后，場感 應(yīng)結(jié)的耗盡層寬度達(dá)到最大值應(yīng)結(jié)的耗盡層寬度達(dá)到最大值x xdmdm，不再隨，不再隨V VG G的增的增 大而繼續(xù)增大，此時，感應(yīng)結(jié)部分能帶彎曲的高大而繼續(xù)增大，此時，感應(yīng)結(jié)部分能帶彎曲的高 度可近似的表示為：度可近似的表示為： Bs qVqV2 8.8.4.4.1 1 表面電場對表面電場對pnpn結(jié)能帶的影響結(jié)能帶的影響 如果如果pnpn結(jié)加反向偏壓結(jié)加反向偏壓V VR R，此時，此時pnpn結(jié)處于非平衡結(jié)處于非平衡 狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)，當(dāng)MISMIS結(jié)構(gòu)上加正偏壓結(jié)構(gòu)上加正偏壓V VG G時，能帶圖又變化時，能帶圖又變化 了。了。 沒有表面