第七章半導(dǎo)體的表面

1、第七章 半導(dǎo)體的表面(biomin)、界面及接觸現(xiàn)象 半導(dǎo)體表面(biomin)半 半接觸金 半接觸共七十五頁(yè)7.1 半導(dǎo)體的表面(biomin) 一、理想表面(biomin)和實(shí)際表面(biomin) 理想表面： 表面對(duì)半導(dǎo)體各中物理過(guò)程有重要影響，特別是對(duì)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(duì)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(wú)限晶體表面。共七十五頁(yè)真實(shí)表面：表面吸附(xf)雜質(zhì), 或表面原子生成氧化物或其它化合物 清潔表面：在表面沒有吸附雜質(zhì)(zzh)，也沒有被氧化的實(shí)際表面。實(shí)際表面又分為： 二、表面態(tài) 達(dá)姆表面能級(jí): 晶體自由表面的存在使其周期場(chǎng)在

2、表面處發(fā)生中斷, 在禁帶中引起的附加能級(jí). 共七十五頁(yè)求解(qi ji)薛定諤方程在x=0處，出現(xiàn)(chxin)新的本征值附加的電子能態(tài)表面態(tài)硅表面懸掛鍵由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴。共七十五頁(yè)例如:對(duì)硅(111)面，在超高真空(zhnkng)下,可觀察到(7*7)結(jié)構(gòu)，即表面上形成以(7*7)個(gè)硅原子為單元的二維平移對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。理想表面(biomin)實(shí)際上不存在共價(jià)半導(dǎo)體的表面再構(gòu)現(xiàn)象: 近表面幾個(gè)原子厚度的表面層中, 離子實(shí)所受的勢(shì)場(chǎng)作用不同于晶體內(nèi)部, 使得晶體的三維平移對(duì)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), 這種排列具有沿表面的二維平移對(duì)稱性.共七十五

3、頁(yè)清潔表面的電子(dinz)態(tài)，稱為本征(達(dá)姆)表面態(tài)。 真實(shí)表面由于(yuy)吸附原子或其它不完整性，產(chǎn)生表面電子態(tài)，稱為外誘表面態(tài)。 外誘表面態(tài)的特點(diǎn)是，其數(shù)值與表面經(jīng)過(guò)的處理方法有關(guān);達(dá)姆表面態(tài)對(duì)給定的晶體在“潔凈”表面時(shí)為一定值。共七十五頁(yè)表面態(tài)分為(fn wi)施主型表面態(tài)和受主型表面態(tài)。 施主型表面(biomin)態(tài):不論能級(jí)在禁帶中的位置如何, 能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性, 施放電子后帶正電. 這樣的表面態(tài)叫受主型表面態(tài):不論能級(jí)在禁帶中的位置如何, 能級(jí)空著時(shí)呈電中性, 接受電子后帶負(fù)電, 這樣的表面態(tài)叫共七十五頁(yè)7.2 半導(dǎo)體的表面(biomin)電場(chǎng) 一、形成表面(biomi

4、n)電場(chǎng)的因素 1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，結(jié)果產(chǎn)生了垂直于表面的電場(chǎng)。(EF)s表面費(fèi)米能級(jí)(EF)s EF共七十五頁(yè)如果(rgu)(EF)s EFEcEvEF(EF)s+E共七十五頁(yè)2功函數(shù)(hnsh)的差異金屬中的電子(dinz)絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí)。金屬功函數(shù)的定義上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。EFE0 真空中靜止電子的能量共七十五頁(yè)EoEcEv(EF)sWsWm金(M)半(S)WSWM，即(EF)S(EF)M +E形成(xngchng)由金半的電場(chǎng)。(EF)m金屬(jnsh)半導(dǎo)體接觸共七十五頁(yè) 如果

5、WS(EF)M半導(dǎo)體中的電子向金屬(jnsh)流動(dòng)，形成由半金的電場(chǎng) 3氧化(ynghu)層中的雜質(zhì)離子S+IME例如:Si-SiO2系統(tǒng)中,SiO2層中有過(guò)剩硅離子4外加偏壓 共七十五頁(yè)二、表面電場(chǎng)(din chng)效應(yīng)1空間電荷區(qū)和表面(biomin)勢(shì) 討論在外加電場(chǎng)作用下半導(dǎo)體表面層內(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)共七十五頁(yè)理想的MIS結(jié)構(gòu):金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零絕緣層中無(wú)電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電絕緣層與半導(dǎo)體界面(jimin)處不存在任何界面(jimin)態(tài)MIS結(jié)構(gòu)是一電容在金屬與半導(dǎo)體間加電壓后, 金屬和半導(dǎo)體 相對(duì)的兩個(gè)面上(min shn)被充電, 符號(hào)

6、相反金屬中, 電荷分布在一個(gè)原子層范圍內(nèi); 半導(dǎo)體中, 電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)- 空間電荷區(qū)共七十五頁(yè)+ + + + +MISVG空間電荷區(qū)表面(biomin)與體內(nèi)的電勢(shì)差為表面勢(shì)，用VS表示。 共七十五頁(yè)規(guī)定(gudng)： 表面電勢(shì)比內(nèi)部(nib)高時(shí)，VS0，反之，表面電勢(shì)比內(nèi)部低時(shí)，VS0； 外加反向偏壓時(shí)，VG0，電場(chǎng)由體內(nèi)指向表面，VS0，VS0時(shí)，取負(fù)號(hào)，空間電荷區(qū)的能帶從體內(nèi)到表面向下彎曲 VG0，VS0，能帶向下(xin xi)彎 V(x)0空穴(kn xu)的勢(shì)壘 空間電荷區(qū) ：0 xEF共七十五頁(yè)V(x)0，能帶向上(xingshng)彎 V(x)0電子(dinz

7、)的勢(shì)壘 空間電荷區(qū) ：0 x共七十五頁(yè)X=0 V(x)=Vs表面(biomin)上共七十五頁(yè)3P型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本(jbn)狀態(tài) (1) VG0，金屬(jnsh)接+，半導(dǎo)體接負(fù) EcEvEFEiqVsqVBVB是體內(nèi)(t ni)勢(shì) ：多子耗盡共七十五頁(yè) ps0 反型層界面(jimin)EcEiEFEvqVsxqVqVBEg半導(dǎo)體絕緣體表面空間電荷區(qū)內(nèi)(q ni)能帶的彎曲P電子共七十五頁(yè)稱這個(gè)(zh ge)狀態(tài)為反型狀態(tài) 電子(dinz)電離受主空間電荷反型少子堆積弱反型：psns(po)p 共七十五頁(yè)共七十五頁(yè)特征： 1）Ei與EF在表面(biomin)處相交（此處為本征型

8、）；2）表面區(qū)的少子數(shù)多子數(shù)表面反型；3）反型層和半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層。共七十五頁(yè)表面(biomin)反型條件共七十五頁(yè)出現(xiàn)強(qiáng)反型的臨界(ln ji)條件，ns=(po)p共七十五頁(yè)共七十五頁(yè)強(qiáng)反型出現(xiàn)(chxin)共七十五頁(yè)VG0 VS0, VG0多子(du z)堆積, 平帶, 多子(du z)耗盡, 反型少子堆積VG變化(binhu)VS變化能帶彎曲電荷分布變化 共七十五頁(yè)4N型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種(s zhn)基本狀態(tài) 1) VG0 ,VS0能帶下彎，ns (n0)n多子(du z)的堆積 EF共七十五頁(yè)2) VG=0，VS=0 平帶共七十五頁(yè)3) VG0，VS0 能帶上

9、彎，ns (n0)n為電子(dinz)勢(shì)壘 + + + 電離(dinl)施主4) VG0 + + 空穴 表面處形成了p型材料，即反型層 多子耗盡EFEi弱反型：nsps(no)nEF共七十五頁(yè)7.3 MIS結(jié)構(gòu)(jigu)的C-V特性 一、理想(lxing)的MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性 共七十五頁(yè)1總電容(dinrng)C VG=V0+VS 在MIS結(jié)構(gòu)上加電壓(diny)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(shì)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(chǎng)是均勻的，以 表示其電場(chǎng)強(qiáng)度，顯然d0 絕緣層厚度共七十五頁(yè)由高斯定理QM金屬表面的

10、面電荷(dinh)密度, 0r 絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)Qs半導(dǎo)體表面的面電荷(dinh)密度Co 絕緣層電容共七十五頁(yè)MIS結(jié)構(gòu)(jigu)電容Cs為半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容(dinrng)共七十五頁(yè)MIS結(jié)構(gòu)(jigu)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)(jigu)的等效電路共七十五頁(yè)稱為(chn wi)歸一化電容 共七十五頁(yè)2表面(biomin)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電容表面(biomin)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)：F函數(shù)空間電荷層中電勢(shì)滿足的泊松方程rs半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù), (x)空間電荷密度V0, 取正; V0，QS為負(fù)號(hào) 金屬為負(fù)時(shí)，VG0，QS為正號(hào)共七十五頁(yè)空間電荷層單位

11、面積(min j)上的電容, 單位F/m2以p型半導(dǎo)體為例, 定量地分析各種( zhn)表面層的狀態(tài)空間電荷層的電容共七十五頁(yè)(1) VG0，金屬(jnsh)接負(fù)，半導(dǎo)體接正 多數(shù)(dush)載流子堆積狀態(tài)共七十五頁(yè) 隨 而0 CC0(AB)隨|VG|積累(jli)的空穴越來(lái)越少，CS，C/C0 (BC)共七十五頁(yè)1.00.80.60.40.2ABCDEFC0CFBCminCminVmin1低頻(dpn)C02高頻(o pn)GH00+VMIS結(jié)構(gòu)的電容-電容曲線C/C0共七十五頁(yè)又（no)p0，金屬(jnsh)接+，半導(dǎo)體接負(fù) VS0，表面(biomin)能帶下彎，是空穴的勢(shì)壘 空穴耗盡狀態(tài)

12、共七十五頁(yè)電離(dinl)飽和時(shí) (p0)p=NAVG, C/C0(CD)共七十五頁(yè) 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雜質(zhì)構(gòu)成。半導(dǎo)體的摻雜(chn z)是均勻的，則空間電荷區(qū)的電荷密度，(x)=-qNA設(shè)xd為耗盡層的厚度(hud) 耗盡層近似共七十五頁(yè)(4) VG0 反型狀態(tài)(zhungti)低頻時(shí), 少子的產(chǎn)生與復(fù)合(fh)跟得上小信號(hào)的變化 VS，少子積累越多，ns，Cs，C0/CS，C/C0 (DE)共七十五頁(yè) 當(dāng)VS到使C0/CS很小時(shí)，C/C0的分母(fnm)中的第二項(xiàng)又可以忽略。C/C01。(EF) 共七十五頁(yè)高頻時(shí)，反型層中的電子對(duì)電容(dinrng)沒

13、有貢獻(xiàn),空間電荷區(qū)的電容由耗盡層的電荷變化決定因強(qiáng)反型出現(xiàn)時(shí)耗盡層寬度達(dá)到(d do)最大值 xdmax, 不隨VG變化, 耗盡層貢獻(xiàn)的電容將達(dá)極小值并保持不變.(GH)共七十五頁(yè)（1）半導(dǎo)體材料及絕緣層材料一定 時(shí)，C-V特性(txng)將隨do及NA而 變化； （2）C-V特性與頻率有關(guān)N型半導(dǎo)體組成的MIS結(jié)構(gòu)(jigu)具有相似的規(guī)律。 結(jié) 論共七十五頁(yè)二、實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)(jigu)的C-V特性 1金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)(hnsh)的影響 (EF)M(EF)SMS(EF)M(EF)s+EWMWs，形成的Vs0，這時(shí)C-V曲線是向右發(fā)生了移動(dòng)。共七十五頁(yè)2絕緣層中離子(lz)的影響 可動(dòng)離

14、子(lz)：Na+，K+或H+固定離子：通常位于SiSiO2界面附近的200范圍內(nèi) +MIS-E外CV曲線向左平移能帶下彎共七十五頁(yè)3表面(biomin)態(tài)的影響 (1) 受主表面(biomin)態(tài) 在N型半導(dǎo)體中 EcEvEF+EVS0，能帶上彎 -電離受主表面態(tài)+電離施主空穴使N型表面反型接受電子, 帶負(fù)電共七十五頁(yè)在P型表面(biomin) -Vs0，能帶上彎 電離(dinl)受主表面態(tài)多子空穴 受主表面態(tài)存在P型半導(dǎo)體表面后，使半導(dǎo)體表面積累更多空穴，成了強(qiáng)p型材料。 只要表面有受主態(tài)存在，都要形成由體內(nèi)向外的電場(chǎng)，使VS0，能帶下彎，在表面形成了強(qiáng)N型。 正電荷：電離的施主表面態(tài) 負(fù)

15、電荷：多子積累 E共七十五頁(yè)P(yáng)型材料(cilio) Vs0，能帶下彎 正電荷：電離(dinl)施主表面態(tài) 負(fù)電荷： 反型層中少子電子 耗盡層中電離的受主 表面出現(xiàn)了反型層 只要有施主表面態(tài)，總要形成指向內(nèi)部的電場(chǎng)，在沒加電場(chǎng)時(shí)，在表面就有電場(chǎng)VS0，能帶下彎，C-V特性左移為使恢復(fù)平帶狀態(tài)，必須加一反向電壓.EcEvEF+E共七十五頁(yè)第六章一、表面(biomin)態(tài)、表面(biomin)電場(chǎng)及效應(yīng)P型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種(s zhn)基本狀態(tài) VG變化VS變化能帶彎曲電荷分布變化 VG0 VS0 VG0多子堆積 平帶 多子耗盡 反型少子堆積N型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài) 共七十五頁(yè)二、理想的MIS結(jié)構(gòu)(jigu)的C-V特性1.00.80.60.40.2ABCDEFC0CFBCminCminVmin1低頻(dpn)C02高頻GH00+VMIS結(jié)構(gòu)的電容-電容曲線共七十五頁(yè)三、實(shí)際(shj)的MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性1.功函數(shù)(hnsh)差的影響2.表面態(tài)的影響3.絕緣層中離子的影響共七十五頁(yè)內(nèi)容摘要第七章 半導(dǎo)體的表面、界面及接觸現(xiàn)象。表面對(duì)半導(dǎo)體各中物理過(guò)程有重要影響，特別是對(duì)許多半導(dǎo)體器件的性能影響更大。附加的電子能態(tài)表面態(tài)。表面