第7章半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)2011

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平1第七章半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)7.1半導(dǎo)體表面與表面態(tài)7.2表面電場(chǎng)效應(yīng)與MIS結(jié)構(gòu)7.3MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性7.4表面電導(dǎo)與表面遷移率西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2第七章半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)7.1半導(dǎo)體表面與表面態(tài)

7.1.1理想一維晶體模型及其解7.1.2實(shí)際半導(dǎo)體表面7.1.3Si-SiO2系統(tǒng)表面態(tài)會(huì)加速非平衡載流子的復(fù)合，會(huì)改變半導(dǎo)體的功函數(shù),從而影響材料和金屬-半導(dǎo)體接觸的性能。但另一方面我們也看到，外加電壓能通過(guò)金屬-半導(dǎo)體接觸改變半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，使表面附近的能帶發(fā)生不同程度的彎曲。以后我們會(huì)知道，利用這樣的表面電場(chǎng)效應(yīng)可以做成各種各樣的器件。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平37.1.1理想一維晶體模型及其解由于晶格的不完整性使勢(shì)場(chǎng)的周期性受到破壞時(shí),則在禁帶中產(chǎn)生附加能級(jí)。由于晶格缺陷或吸附原子等原因也可以引起表面態(tài),這種表面態(tài)與表面處理工藝密切相關(guān)。表面態(tài)對(duì)半導(dǎo)體的各種物理過(guò)程有著重要影響,特別是對(duì)許多半導(dǎo)體器件的性能影響更大。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平41、理想一維晶體表面模型及其解x＝0處為晶體表面；x≥0的區(qū)域?yàn)榫w內(nèi)部，其中有一個(gè)以a為周期隨x變化的周期勢(shì)場(chǎng)V(x)；x≤0的區(qū)域表示晶體之外，其中的勢(shì)能V0為一常數(shù)，這相當(dāng)于一個(gè)深度為V0的勢(shì)阱。

一維半無(wú)限晶體的周期性勢(shì)場(chǎng)模型西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平5對(duì)能量E＜V0的電子

V(x)作為一個(gè)周期勢(shì)場(chǎng)，滿足V(x+a)=V(x)的關(guān)系。

1.在晶體外部，電子波函數(shù)集中在x＝0的表面處，隨著離開(kāi)表面距離的增加，波函數(shù)按照指數(shù)形式衰減。

2.在晶體內(nèi)部,一維半無(wú)限周期場(chǎng)中存在波數(shù)k取復(fù)數(shù)的電子狀態(tài)，其波函數(shù)在x=0的兩邊按指數(shù)衰減。表明占據(jù)這一附加能級(jí)的電子主要集中在x＝0處，即電子被局限在表面上。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平6表面態(tài)表面能級(jí)在一維半無(wú)限周期場(chǎng)中存在波數(shù)k取復(fù)數(shù)的電子狀態(tài)，其波函數(shù)在x=0的兩邊按指數(shù)衰減。這表明占據(jù)這一附加能級(jí)的電子主要集中在x＝0處，即電子被局限在表面上。因此，這種電子狀態(tài)被稱作表面態(tài)，對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為表面能級(jí)，亦稱達(dá)姆能級(jí)。表面態(tài)的存在是肖克萊等首從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的。晶體所固有的的三維平移對(duì)稱性在表面層中受到破壞，現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)觀察到在超高真空下共價(jià)半導(dǎo)體的表面發(fā)生再構(gòu)現(xiàn)象，形成新的具有沿表面二維平移對(duì)稱性的原子排列結(jié)構(gòu)。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平7達(dá)姆表面能級(jí)1932年，達(dá)姆首先提出：晶體自由表面的存在使周期性勢(shì)場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷,引起附加能級(jí)。這種能級(jí)稱為達(dá)姆表面能級(jí)。達(dá)姆證明了半無(wú)限Kronig-Penney模型在一定條件下,每個(gè)表面原子在禁帶中對(duì)應(yīng)一個(gè)表面能級(jí)。在三維晶體中仍如此,即每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)禁帶中一個(gè)表面能級(jí),這些表面能級(jí)組成表面能帶。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平8懸掛鍵與表面態(tài)表面態(tài)的概念還可以從化學(xué)鍵方面來(lái)說(shuō)明。每個(gè)表面原子由于晶格的突然終止而存在未飽和的懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的能態(tài)就是表面態(tài)。

由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴，從而使表面帶電。這些帶電電荷可以排斥表面層中相同的電荷使之成為耗盡層甚至變成反型層。2三維理想晶體的表面態(tài)理想模型的實(shí)際意義在于證明了三維理想晶體的表面上每個(gè)原子都會(huì)在禁帶中產(chǎn)生一個(gè)附加能級(jí)大多數(shù)結(jié)晶半導(dǎo)體的原子密度在1022cm-3量級(jí).按此推算,單位面積表面的表面態(tài)數(shù)應(yīng)在1015量級(jí).數(shù)目如此巨大的表面能級(jí)實(shí)際已構(gòu)成了一個(gè)能帶。表面態(tài)本質(zhì)上與表面原子的未飽和鍵,即懸掛鍵有關(guān).表面取向不同，其懸掛鍵的密度亦有所不同。表面態(tài)亦有施主和受主之分。通常將空態(tài)呈中性而被電子占據(jù)后帶負(fù)電的表面態(tài)稱為受主型表面態(tài);將空態(tài)帶正電而被電子占據(jù)后呈中性的表面態(tài)稱為施主型表面態(tài)表面態(tài)能夠與體內(nèi)交換電子或空穴,引起半導(dǎo)體表面能帶的彎曲,產(chǎn)生耗盡層甚至反型層.當(dāng)外加偏壓使半導(dǎo)體表面電勢(shì)發(fā)生變化時(shí),表面態(tài)中的電荷分布也隨之變化,即表面態(tài)隨外加偏壓的變化而充放電

7.1.2實(shí)際半導(dǎo)體表面“理想表面”就是指表面層中原子排列的對(duì)稱性與體內(nèi)原子完全相同，且不附著任何原子或分子。這種理想表面實(shí)際上并不存在。表面重構(gòu)

理想表面的懸鍵密度很高，而懸鍵的形成能又比較大(對(duì)Si約為2eV)。所以,從能量的角度看,表面原子傾向于通過(guò)應(yīng)變,即通過(guò)原子排列的變通盡可能使懸鍵密度降低。表面物理學(xué)中將這種情況稱為表面重構(gòu)。Si晶體的重構(gòu)表面(a)和無(wú)重構(gòu)表面(b)模型受降低表面自由能這個(gè)自然法則的驅(qū)使，表面重構(gòu)使硅晶體實(shí)際表面的原子排列比理想表面復(fù)雜得多，但帶懸鍵的原子密度大為降低;吸附原子或分子也是自由表面為了降低懸鍵密度、降低表面能量的一種本能7.1.3Si-SiO2系統(tǒng)除了表面鈍化常常在Si器件表面生長(zhǎng)或淀積一層SiO2之外,作為產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)的一個(gè)重要手段，Si-SiO2系統(tǒng)還是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)型硅場(chǎng)效應(yīng)器件的主要構(gòu)成元素。一、Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷和能量狀態(tài)二、Si-SiO2系統(tǒng)的優(yōu)化處理一、Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷和能量狀態(tài)

在Si-SiO2系統(tǒng)中存在著以下四種基本形式的電荷或能量狀態(tài)：1、SiO2中的可動(dòng)離子包括Na+、K+、H+等2、SiO2層中的固定表面電荷3、Si-SiO2界面中的界面態(tài)4、SiO2中的陷阱電荷

Si-SiO2系統(tǒng)中的能態(tài)和電荷

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平141SiO2層中的可動(dòng)離子SiO2中的可動(dòng)離子包括Na+、K+、H+等，其中Na+的存在最普遍，對(duì)器件性能的危害也最大。Na+在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)高于其他離子，在一定的溫度和偏壓下可在SiO2層中移動(dòng)。Na+普遍存在于一般環(huán)境中，除工藝中使用的化學(xué)試劑、器皿和高溫器材外，人體是最主要的Na+源。所以，在未經(jīng)嚴(yán)格控制的工藝中生成的SiO2，其Na+的密度可達(dá)1012cm-2以上。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平152SiO2層中的固定表面電荷MOS器件中的Si-SiO2系統(tǒng)通常采用熱氧化法直接由Si表面生成。氧化過(guò)程中，O原子通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散由表及里逐漸與Si原子成鍵，將SiO-Si界面向里推進(jìn)。由于Si的配位數(shù)是4，在SiO2-Si界面附近必然會(huì)存在一些具有未飽和鍵的Si原子。這些Si原子被剩余的共價(jià)鍵固定在晶格中，在適當(dāng)?shù)臈l件下很容易失去其未成鍵電子而電離，成為固定正電荷。硅的氧化固然能使硅表面的一些懸鍵飽和，但在SiO2-Si界面仍會(huì)不同程度地產(chǎn)生由硅離子形成固定正電荷。這些固定電荷一般位于SiO2中距SiO2-Si界面20nm左右的范圍內(nèi)，不能與界面以外的Si層交換電荷，也不容易漂移。固定電荷密度對(duì)氧化條件、退火條件和Si單晶的晶向十分敏感，而與氧化層厚度、Si的雜質(zhì)類型和濃度以及表面勢(shì)等關(guān)系不大。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平16氧化機(jī)理氧化的過(guò)程是，在高溫下,Si原子首先從正常的晶格位置上掙脫出來(lái),同O2發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生SiO2。繼續(xù)氧化時(shí)，O2就必須穿過(guò)先前已形成的SiO2,再進(jìn)入SiO2與Si的界面,與游離的Si離子反應(yīng)，形成新的SiO2。當(dāng)一批游離出來(lái)的Si離子在SiO2與Si的界面等候與O2發(fā)生反應(yīng)時(shí),若氧化過(guò)程突然終止(如氧化結(jié)束),O2停止供應(yīng).這時(shí)爐內(nèi)的溫度依然很高,那些掙脫晶格束縛的Si離子依然源源不斷地游離出來(lái).隨著溫度的降低,這些多余的Si離子失去了返回的能量,留在SiO2與Si的界面,充當(dāng)了固定正電荷的角色.西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平173硅-二氧化硅界面處的快界面態(tài)Si-SiO2界面上未飽和Si原子等晶格缺陷和機(jī)械加工損傷等直接生成了Si禁帶中準(zhǔn)連續(xù)分布的深能級(jí)，因其位于Si-SiO2界面而稱為界面態(tài)。當(dāng)外加電壓導(dǎo)致Si體內(nèi)載流子分布的改變時(shí)，這些界面態(tài)能與Si快速交換載流子，因而是所謂“快態(tài)”。稱其為“快態(tài)”是為了與存在于SiO2外表面的電子態(tài)相區(qū)別。這些電子態(tài)由吸附于SiO2外表面的分子或原子引入，與Si交換載流子時(shí)，因受SiO2層的阻隔，需要很長(zhǎng)時(shí)間。也就是說(shuō)，SiO2與其氛圍之間的界面態(tài)是“慢態(tài)”。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平184二氧化硅中的陷阱電荷由熱氧化生成的SiO2是一種能隙很寬（8.1eV）的無(wú)定形（玻璃）材料，其禁帶中分布著較高密度的陷阱能級(jí)。其中的空穴陷阱捕獲空穴后帶正電，釋放空穴后保持中性狀態(tài)。當(dāng)X射線、γ射線或高能電子射線等在SiO2中激發(fā)出自由的電子-空穴對(duì)時(shí)，如果不存在電場(chǎng)，這些電子-空穴對(duì)會(huì)很快通過(guò)復(fù)合而消失，不會(huì)產(chǎn)生凈電荷；如果這時(shí)恰好存在電場(chǎng)，電子因在SiO2中有較高遷移率而被電場(chǎng)掃出SiO2層，為金屬電極或Si層吸收；空穴則因遷移率太低而被陷阱俘獲，從而在SiO2中產(chǎn)生正的空間電荷。由于這些電荷的存在離不開(kāi)陷阱，因而稱為陷阱電荷。

二、Si-SiO2系統(tǒng)的優(yōu)化處理Si-SiO2系統(tǒng)中的界面態(tài)和各種電荷對(duì)其性能存在很明顯的消極影響，需要盡可能降低界面態(tài)的密度和單位面積Si-SiO2系統(tǒng)中各種電荷的數(shù)量。工程中通常采取的優(yōu)化Si-SiO2系統(tǒng)性質(zhì)的方法正確選擇Si片的晶向采取“吸雜”措施適當(dāng)提高干氧氧化工藝的比重退火處理

1、正確選擇Si片的晶向1、正確選擇Si片的晶向Si-SiO2界面態(tài)(快態(tài))和固定電荷的密度都與Si晶體的取向有關(guān),而且都按(111)、(110)、(100)次序遞減，即與原子面密度的大小關(guān)系一致。因此，為了降低Si-SiO2界面態(tài)和界面附近固定電荷的密度，在MOS器件和集成電路的生產(chǎn)中常選用[100]晶向的Si單晶為原料。2、采取“吸雜”措施為了降低SiO2層中可動(dòng)離子的影響，除了盡一切可能嚴(yán)格控制、努力避免器件制造工藝過(guò)程中的Na+玷污之外，對(duì)已經(jīng)存在于SiO2中的Na+應(yīng)設(shè)法減少其可動(dòng)性。采用所謂“磷處理”工藝，在SiO2外表面生長(zhǎng)薄薄一層磷硅玻璃吸收Na+，是一種經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的行之有效的方法。磷硅玻璃具有吸收SiO2中的Na+并阻擋外界Na+玷污SiO2的雙重作用。此外，Si3N4具有比磷硅玻璃更強(qiáng)的阻擋外來(lái)Na+和吸收SiO2中已有Na+的作用。在SiO2-Si系統(tǒng)之外再淀積一層Si3N4，做成Si3N4-SiO2-Si三層結(jié)構(gòu)，比直接用Si3N4替換SiO2效果要好，因?yàn)镾i3N4-Si界面的態(tài)密度更高。3、適當(dāng)提高干氧氧化工藝的比重氧化過(guò)程中，在氧氣進(jìn)入高溫氧化爐前令其從純水中穿過(guò)的做法叫濕氧氧化，令其從分子篩經(jīng)過(guò)而脫水的做法叫干氧氧化。濕氧氧化的氧化速率高，但生長(zhǎng)的SiO2致密性差；干氧氧化的氧化速率較低但生長(zhǎng)的SiO2致密性好，固定電荷密度低。工程上常常采取干、濕氧化交替進(jìn)行的方法兼顧氧化速率和氧化膜的質(zhì)量。因此，適當(dāng)增加干氧氧化的時(shí)間比例、降低SiO2的生長(zhǎng)速率，可以降低固定電荷密度。4、退火處理將已經(jīng)形成的Si-SiO2系統(tǒng)在400450℃的氫或含氫氮?dú)夥罩型嘶穑肏原子去飽和Si-SiO2界面中的懸掛鍵；或在較高溫度下的惰性氣體中退火，通過(guò)硅原子位置的微調(diào)使相鄰的懸掛鍵相互飽和，都可使界面態(tài)和固定電荷的密度明顯降低。

7.2表面電場(chǎng)效應(yīng)與MIS結(jié)構(gòu)7.2.1表面電場(chǎng)的產(chǎn)生與應(yīng)用7.2.2理想MIS結(jié)構(gòu)及其表面電場(chǎng)效應(yīng)7.2.3理想MIS結(jié)構(gòu)的空間電荷層與表面勢(shì)7.2.1表面電場(chǎng)的產(chǎn)生與應(yīng)用在半導(dǎo)體技術(shù)中最常見(jiàn)的方法有兩種一種是利用肖特基勢(shì)壘型金屬－半導(dǎo)體(MES)結(jié)構(gòu),另一種就是MIS結(jié)構(gòu).在金屬和半導(dǎo)體間施加電壓，即可在半導(dǎo)體表面層中產(chǎn)生垂直于表面的電場(chǎng)。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平267.2.1表面電場(chǎng)的產(chǎn)生與應(yīng)用一、理想MIS結(jié)構(gòu)：金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)相同；絕緣層內(nèi)無(wú)任何電荷且完全不導(dǎo)電；絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。在金屬中，自由電子密度很高，充電電荷基本分布在一個(gè)表面原子層的厚度范圍之內(nèi)；而在半導(dǎo)體中，由于自由載流子密度要低得多，電荷必須分布在具有一定厚度的表面層內(nèi)，這個(gè)帶電的表面層稱作空間電荷區(qū)?？臻g電荷層兩端的電勢(shì)差稱為表面勢(shì)Vs，規(guī)定正值表示表面電勢(shì)高于體內(nèi)電勢(shì)SiliconsubstrateOxideOxidegateGateMIS+-半導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷的產(chǎn)生當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體靠近一個(gè)帶電體時(shí)，在導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的感應(yīng)電荷。感生電荷效應(yīng)在半導(dǎo)體表面問(wèn)題中起著十分重要的作用。由于金屬中自由電子的態(tài)密度很高，感生電荷基本上分布在表面附近一個(gè)原子層的厚度內(nèi)；而在半導(dǎo)體中,由于自由載流子的態(tài)密度比金屬低得多,電荷必須分布在表面附近一定厚度的范圍內(nèi).這個(gè)帶電的表面層跟肖特基勢(shì)壘接觸的半導(dǎo)體表面層一樣,也被稱作空間電荷區(qū)西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平28反偏置下-多子積累MIS+-++++++++++-------------++++----xxdρ(x)0+-+-+-+-+-+-+-EvEcEFEi越靠近費(fèi)米能級(jí)￡濃度越高西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平29正偏置下-多子耗盡MIS+-------------+++++++xxdρ(x)0+++++-+-+-+-+-+-+-EvEcEFEiEi=EF時(shí)，導(dǎo)帶電子濃度等于價(jià)帶空穴濃度.價(jià)帶頂離費(fèi)米能級(jí)越遠(yuǎn)，空穴濃度越低西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平30正偏置電壓較大時(shí)-少子反型MIS------------+-+-+-+-+-+-+-++++++++-+-xxdm0++++--ρ(x)EvEcEFEi導(dǎo)帶底離費(fèi)米能級(jí)越近，電子濃度越高M(jìn)IS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生感生電荷的四種情況

感應(yīng)電荷的產(chǎn)生使半導(dǎo)體表面出現(xiàn)電場(chǎng);半導(dǎo)體表面出現(xiàn)電場(chǎng),而體內(nèi)保持電中性;半導(dǎo)體表面相對(duì)于體內(nèi)有電勢(shì)差,能帶在表面層內(nèi)發(fā)生彎曲。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平32表面電場(chǎng)效應(yīng)7.2.3理想MIS結(jié)構(gòu)的空間電荷層與表面勢(shì)一、表面耗盡層與表面勢(shì)按照突變結(jié)耗盡層近似法耗盡層中沿x方向的電場(chǎng)強(qiáng)度

半導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)為0,V(xd)=0表面勢(shì)與耗盡層寬度隨UG的變化而變化在MIS結(jié)構(gòu)中，耗盡層受電壓UG的控制，表面勢(shì)Vs和耗盡層厚度xd都是電壓UG的函數(shù)。因?yàn)閁G降落在金屬電極和半導(dǎo)體內(nèi)部之間，可以看成是絕緣層上的電勢(shì)差Vi和半導(dǎo)體耗盡層上的電勢(shì)差Vs之和。在絕緣層電場(chǎng)均勻的前提下,若其強(qiáng)度為Ei，絕緣層厚度為di，則Vi=Eidi。按照電位移連續(xù)性原理,在絕緣層與半導(dǎo)體的界面,即x=0處應(yīng)有iEi=ES。這里，i是絕緣層的介電常數(shù)。于是，表面勢(shì)與耗盡層寬度隨UG的變化而變化，同時(shí)引起半導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷密度的相應(yīng)變化

二、不同UG下的表面空間電荷層與表面勢(shì)外加電壓因其極性和高低的不同,不僅會(huì)在MIS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體表面形成耗盡層，也會(huì)形成令多數(shù)載流子密度升高的載流子累積層和令少子密度升高并最終變?yōu)槎嘧拥姆葱蛯印?/p>

由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的理想MIS結(jié)構(gòu)在各種UG下的空間電荷分布和能帶圖

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平361)、多數(shù)載流子堆積取半導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)為零V(x)x0xd表明能帶略有彎曲就會(huì)引起表面空穴密度相對(duì)體內(nèi)明顯升高，而且電荷增量集中于表面。

EvEcEFEi西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平37表面層因空穴的退出而帶負(fù)電，電荷密度基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度。

2)、多數(shù)載流子耗盡EvEcEFEi西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平38耗盡層近似假設(shè)空間電荷層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)體均勻摻雜，則空間電荷層的電荷密度ρ(x)=-qNA西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平39以Eis和Ei分別表示半導(dǎo)體表面和半導(dǎo)體體內(nèi)的本征費(fèi)米能級(jí)，臨界反型時(shí)表面處的電子密度:3)、少子變多子的反型狀態(tài)

表面電子密度nS隨著VS的增大而升高，子在表面附近的密度將開(kāi)始超過(guò)空穴而成為多數(shù)載流子，即形成反型層

以nS=ni作為臨界反型狀態(tài)的表征:反型的臨界條件在表面反型層與半導(dǎo)體內(nèi)層之間還夾著一個(gè)多數(shù)載流子的耗盡層,因而此時(shí)的半導(dǎo)體空間電荷層由耗盡層中的電離受主和反型層中的電子兩種負(fù)電荷組成。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平404)(臨界)強(qiáng)反型當(dāng)nS隨著VS的增大使得表面電子的密度升高到等于體內(nèi)空穴的密度,即nS＝p0時(shí)，半導(dǎo)體表面進(jìn)入臨界強(qiáng)反型狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于Vs=2VB時(shí)的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的金屬板上所加電壓UG習(xí)慣上稱為開(kāi)啟電壓VT。一旦強(qiáng)反型后，如果能帶稍微進(jìn)一步彎曲，反型載流子的密度就會(huì)隨著qVS

的上升而急劇增大，對(duì)外電場(chǎng)的屏蔽主要依靠反型層中累積的電子，耗盡層寬度和空間電荷的密度都達(dá)到其極大值xd,max和QA,max。EvEcEFEi強(qiáng)反型條件下的xd,max與NA(ND)的關(guān)系

圖中可見(jiàn)，對(duì)于硅，在1014~1017cm-3的摻雜濃度范圍內(nèi),xd,max在幾個(gè)微米到零點(diǎn)幾微米間變動(dòng)。但反型層要薄得多，通常只有1~10nm左右。與pn結(jié)耗盡層不同,表面耗盡層的厚度達(dá)到最大值xd,max后便基本不再增加。

三、MIS結(jié)構(gòu)C－V特性的多變性

MIS結(jié)構(gòu)的電容不僅是電壓的函數(shù),也是電壓變化頻率的函數(shù).事實(shí)上,不僅電壓頻率對(duì)強(qiáng)反型狀態(tài)下的CS有影響，而且除多子累積以外的所有狀態(tài)下的C-V特性都有頻率相關(guān)性。只要CS在MIS電容串連組合中的作用不可忽略，MIS電容對(duì)頻率的依賴就客觀存在。這說(shuō)明頻率依賴是由CS引起的。CS的作用主要體現(xiàn)在耗盡層中，耗盡層電容不起作用時(shí)，MIS電容就等同于絕緣層電容，即C/Ci=1。所以，C/Ci對(duì)頻率的依賴實(shí)際上就是耗盡層電容對(duì)頻率的依賴，因?yàn)楹谋M層中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合正是CS充放電的物理根源。即便在反型層已經(jīng)形成的情況下，反型層電荷的充放同樣受耗盡層電子空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合的影響，耗盡層每產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，就會(huì)有一個(gè)電子流向反型層。因此，反型層的充放電需要耗盡層的輔助，這個(gè)過(guò)程更需要一定時(shí)間，C－V特性也因此對(duì)電壓信號(hào)的頻率非常敏感。

7.3MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性

7.3.1理想MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性7.3.2實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的電容－電壓特性7.3MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性

7.3.1理想MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性一、理想MIS結(jié)構(gòu)的電壓分配及其電容1、電壓分配2、等效電容

二、理想MIS結(jié)構(gòu)各狀態(tài)下的電容—電壓特性1、多子累積狀態(tài)2、平帶狀態(tài)3、耗盡狀態(tài)4、強(qiáng)反型狀態(tài)

1)低頻狀態(tài)

2)高頻狀態(tài)

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平45一、理想MIS結(jié)構(gòu)的電容—電壓特性

UG=V0+VsMIS+-UGd0------------++++++++-+-+-+-+-+-+-QMQsMUGC0Cs絕緣層電容C0在結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后是一常數(shù)，因而常用歸一化等效比電容C

/C0來(lái)討論MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓關(guān)系:

理想MIS結(jié)構(gòu)的充放電當(dāng)UG<0時(shí)，半導(dǎo)體表面處于空穴高密度累積狀態(tài),從半導(dǎo)體內(nèi)部到表面完全導(dǎo)通，整個(gè)半導(dǎo)體相當(dāng)于平板電容器的一個(gè)極板,正負(fù)電荷分別聚集在絕緣層兩邊的金屬和半導(dǎo)體表面，電荷隨電壓變化的充放也完全在這兩個(gè)平面上,MIS結(jié)構(gòu)的總電容基本上就是絕緣層電容Ci，它不隨電壓UG變化.當(dāng)UG>0，但不足以使半導(dǎo)體表面反型時(shí)，空間電荷區(qū)處于耗盡狀態(tài)，電容器CS的充放電反映在耗盡層厚度的變化上.當(dāng)偏壓UG超過(guò)閾值并增大到使表面勢(shì)VS＞2VB時(shí)，半導(dǎo)體表面進(jìn)入強(qiáng)反型層狀態(tài),大量電子聚集在半導(dǎo)體表面,UG的變化只能引起反型層中電荷的增減，即充放電主要在表面反型層中進(jìn)行,耗盡層空間電荷對(duì)MIS電容的貢獻(xiàn)完全被表面反型層屏蔽掉.由于低頻信號(hào)變化較慢載流子的產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程也就有足夠的時(shí)間向?qū)У滋峁┳銐驍?shù)量的電子，使半導(dǎo)體表面維持在強(qiáng)反型狀態(tài)，

當(dāng)UG頻率極高,反型層中電子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了形成強(qiáng)反型層對(duì)電荷量的需要,電壓增量引起的電荷增量仍須通過(guò)耗盡層的擴(kuò)展來(lái)提供,耗盡層展寬達(dá)到深耗盡狀態(tài)下的最大值.

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平471偏壓UG為負(fù)值-多子堆積狀態(tài)整個(gè)半導(dǎo)體相當(dāng)于平板電容器的一個(gè)板，電荷聚集在絕緣層的兩邊，MIS結(jié)構(gòu)的總電容也就等于絕緣層的電容C0。

但是，隨著反向電壓UG的減小,累積空穴越來(lái)越少，CS逐漸減小，在串連電容器中的作用不容忽略，因而歸一化電容開(kāi)始縮小。MUGC0Cs二、理想MIS結(jié)構(gòu)各狀態(tài)下的電容—電壓特性西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平482平帶狀態(tài)-平帶電容CSFB當(dāng)金屬板上的負(fù)偏壓逐漸減小并趨于零時(shí)，半導(dǎo)體表面勢(shì)VS也趨于零，表面能帶由彎曲逐漸趨于平直。外加電壓UG=0時(shí)稱作平帶狀態(tài)，理想MIS結(jié)構(gòu)的表面勢(shì)VS＝0，半導(dǎo)體表面能帶不發(fā)生彎曲，MIS系統(tǒng)進(jìn)入平帶狀態(tài)。但這并不意味著半導(dǎo)體表面空間電荷層電容CS為零，UG＝0時(shí)的歸一化電容不等于1正暗含著這個(gè)事實(shí)。實(shí)際上，半導(dǎo)體表面在平帶狀態(tài)下仍有一定深度的電荷分布。作為一種微分電容，平帶狀態(tài)下的半導(dǎo)體表面空間電荷層電容CSFB需要從表面電荷QS在UG趨于零的情況下隨電壓變化的情況來(lái)確定。在半導(dǎo)體表面存在表面勢(shì)的情況下,表面層中空穴的分布表面勢(shì)的變化將引起表面累積電荷密度的變化，對(duì)于qV(x)/kT<<1的小信號(hào)條件e-x≈1-x,半導(dǎo)體表面電荷的密度滿足邊界條件x時(shí)V0，x＝0時(shí)V=VS的解為式中LD稱為德拜長(zhǎng)度，代表表面屏蔽電荷的分布范圍

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平493偏壓UG為正值-多子耗盡狀態(tài)當(dāng)UG>0，但不足以使半導(dǎo)體表面反型時(shí)，空間電荷區(qū)處于耗盡狀態(tài)，電容器CS的充放電反映在耗盡層厚度的變化上,耗盡層電容CS可用耗盡層近似理論求得

耗盡狀態(tài)下歸一化等效比電容隨UG變化的方程式

在耗盡狀態(tài)下，C/Ci

隨UG升高而減小。這是因?yàn)楹谋M層隨偏壓UG升高而展寬，而耗盡層越寬，耗盡層電容CS越小，C/Ci也越小，直到耗盡層展寬到極大值xd,max時(shí)，C/Ci下降到極小值Cmin/Ci。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平504偏壓UG為大正值-強(qiáng)反型狀態(tài)①低頻狀態(tài):

當(dāng)外加電壓增大到使表面勢(shì)VS＞2VB時(shí)，由前面的討論知道，這時(shí)耗盡層寬度保持在極大值xdmax，而在表面出現(xiàn)強(qiáng)反型層。這樣，充放電就主要在表面反型層中進(jìn)行，跟UG<0時(shí)的多子累積狀態(tài)一樣，電荷聚集在絕緣層的兩邊，MIS結(jié)構(gòu)的總電容又上升到與絕緣層電容C0相等。MUGC0Cs西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平51在金屬和半導(dǎo)體之間加一脈沖階躍或高頻正弦波形成的正電壓，在UG的正向作用周期內(nèi),由于空間電荷層內(nèi)的少數(shù)載流子的產(chǎn)生速率跟不上電壓周期的變化，耗盡層中產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了形成強(qiáng)反型層對(duì)電荷量的需要,即使UG已超過(guò)VT，也沒(méi)有足夠的少子在正向作用周期內(nèi)使得半導(dǎo)體表面形成強(qiáng)反型層，只有耗盡層進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)深處延伸而產(chǎn)生大量的受主負(fù)電荷以滿足電中性要求，這時(shí)對(duì)半導(dǎo)體體內(nèi)起電場(chǎng)屏蔽作用的仍然是耗盡層，耗盡層的進(jìn)一步擴(kuò)展使得C/C0繼續(xù)下降，因此這種情況下時(shí)耗盡層的寬度很大，可遠(yuǎn)大于強(qiáng)反型時(shí)的最大耗盡層寬度，且其寬度隨電壓UG幅度的增大而增大，這種狀態(tài)成為深耗盡狀態(tài)。②高頻狀態(tài):C’min/Ci

的測(cè)試及其應(yīng)用

在高頻信號(hào)電壓的作用下，由于反型層中來(lái)不及產(chǎn)生相應(yīng)的電量變化，半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)只能在其耗盡層末端產(chǎn)生一個(gè)由電離受主構(gòu)成的負(fù)電荷增量dQS與金屬表面的等量正電荷增量dQG保持平衡。高頻條件下理想MIS結(jié)構(gòu)C’min/Ci與di的關(guān)系

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平535)深耗盡深耗盡狀態(tài)是一種非平衡狀態(tài)，當(dāng)已超過(guò)VT的UG能夠保持適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，即頻率適當(dāng)高，則耗盡層中少子的產(chǎn)生就能為半導(dǎo)體表面提供足夠多的反型載流子從而建立起反型層，反型層對(duì)外場(chǎng)的屏蔽作用，使得耗盡層不再展寬。但由于電壓變化仍較快，耗盡層中的產(chǎn)生與復(fù)合跟不上電壓的變化，亦即反型載流子的數(shù)量不能隨高頻信號(hào)而變。這時(shí)，反型電子對(duì)電容就沒(méi)有貢獻(xiàn)，MIS結(jié)構(gòu)的電容仍由耗盡層電荷變化決定。設(shè)頻率適當(dāng)高時(shí)與強(qiáng)反型對(duì)應(yīng)的最大耗盡層寬度為x’dmax，相應(yīng)的歸一化電容最小值為C’min/Ci，C’min/Ci比低頻狀態(tài)下的Cmin/Ci小，且不隨UG變化，如圖中的GH段所示。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平546)深耗盡非平衡態(tài)深耗盡狀態(tài)是一種非平衡態(tài)，必然要向平衡反型狀態(tài)過(guò)度。開(kāi)始時(shí)，表面層處于深耗盡狀態(tài)，由于深耗盡層中少子濃度很低，近似為零，故少子的產(chǎn)生率將大于復(fù)合率，所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，電子向表面運(yùn)動(dòng)而形成反型層，空穴向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)與耗盡層邊緣的電離受主負(fù)電荷中和而使耗盡層減薄。最終反型層中的電子逐漸積累而耗盡層寬度逐漸減薄過(guò)度到平衡反型態(tài)。耗盡層的寬度也從深耗盡狀態(tài)開(kāi)始時(shí)的最大值逐漸減小到強(qiáng)反型的最大耗盡層寬度xdm。因此，反型層的建立并不是一個(gè)很快的過(guò)程，從初始的深耗盡狀態(tài)過(guò)度到熱平衡反型層狀態(tài)的時(shí)間用熱馳豫時(shí)間表示。其當(dāng)然與少子的產(chǎn)生率、少子的壽命以及摻雜濃度有關(guān)。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平55半導(dǎo)體表面雜質(zhì)濃度的測(cè)量當(dāng)溫度一定時(shí)，C’min/C0為絕緣層厚度d0及襯底摻雜濃度NA的函數(shù)。當(dāng)d0一定時(shí)，NA越大，C’min/C0就越大。利用這一原理，可以測(cè)定絕緣層下半導(dǎo)體表面層中的雜質(zhì)濃度，對(duì)于熱氧化引起硅表面的雜質(zhì)再分布顯得更為優(yōu)越。設(shè)頻率適當(dāng)高時(shí)與強(qiáng)反型對(duì)應(yīng)的最大耗盡層寬度為x’d,max，相應(yīng)的歸一化電容最小值為C’min/C0:

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平56CoupleChargeDevice(CCD)深耗盡狀態(tài)是在實(shí)際中經(jīng)常遇到的一種較重要的狀態(tài)。電荷耦合器件CCD就是工作在表面深耗盡狀態(tài)的一種常用器件。設(shè)耗盡層內(nèi)電子的產(chǎn)生率為G，壽命為τ,則少子產(chǎn)生率G=ni/(2τ),從初始的深耗盡狀態(tài)過(guò)渡到熱平衡反型層所經(jīng)歷的時(shí)間稱熱馳豫時(shí)間τth，在τth內(nèi)產(chǎn)生的少子濃度為NACCD器件中電荷包從開(kāi)始的勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到最后的的勢(shì)阱就是在熱馳豫時(shí)間τth內(nèi)完成的。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平57CCD的工作原理電荷包的注入方式：光注入：光束直接照射P型Si-CCD襯底，分為正面照射與背面照射兩種。電注入：當(dāng)CCD用于信息存儲(chǔ)或信息處理時(shí)，通過(guò)輸入端的輸入二極管和輸入柵極，把與信號(hào)成正比的電荷注入到相應(yīng)的勢(shì)阱中。CCD工作過(guò)程：先將半導(dǎo)體產(chǎn)生的（與照度分布相對(duì)應(yīng)）信號(hào)電荷注入到勢(shì)阱中，再通過(guò)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)脈沖控制勢(shì)阱的深淺，使信號(hào)電荷沿溝道朝一定的方向轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)輸出電路形成一維時(shí)序信號(hào)。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平58CCD：將電荷包從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢(shì)阱三相CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移過(guò)程西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平59Comparisonofthetheoreticallowfrequencycapacitance(solidline)andtheexperimentaldata(opensquares)obtainedinthedark.FittingparametersareND-NA=3.95x1015cm-3andtox=80nm.

實(shí)例-n型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)C-U特性7.3.2實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的電容－電壓特性一、功函數(shù)差對(duì)MIS結(jié)構(gòu)電容－電壓特性的影響二、絕緣層電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-U特性的影響三、實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的平帶電壓和特性四、多晶硅柵MOS西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平61一、功函數(shù)差對(duì)MIS結(jié)構(gòu)電容－電壓特性的影響由于p型硅的功函數(shù)WS一般比鋁的功函數(shù)WM大,當(dāng)二者通過(guò)SiO2連接成一個(gè)MIS系統(tǒng)時(shí),為使費(fèi)米能級(jí)一致,硅的費(fèi)米能級(jí)要向上提,直至與金屬費(fèi)米能級(jí)相平而達(dá)到平衡。

為了恢復(fù)平帶狀態(tài),必須在金屬和半導(dǎo)體之間施加一個(gè)恢復(fù)電壓以彌補(bǔ)因功函數(shù)差而造成的能帶彎曲,稱之為平帶電壓VFB，對(duì)應(yīng)于qVFB=ΔW。因此,原來(lái)的平帶點(diǎn)由UG=0處平移到UG=VFB處。也就是說(shuō)，理想MIS結(jié)構(gòu)的C-U特性曲線平行于電壓軸平移了一段距離VFB。功函數(shù)差對(duì)MIS結(jié)構(gòu)電勢(shì)分布的影響西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平62二、絕緣層電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-U特性的影響一般在MIS結(jié)構(gòu)的絕緣層中總是或多或少地存在著電荷.設(shè)在絕緣層中距離金屬表面x的地方存在一電量為Q的薄層電荷，在無(wú)外加電壓時(shí)，這薄層電荷將分別在金屬表面和半導(dǎo)體表面層中感應(yīng)出總量相等的負(fù)電荷.由于這些電荷的存在，在半導(dǎo)體表面空間電荷層內(nèi)將有電場(chǎng)產(chǎn)生，能帶將發(fā)生彎曲。為了恢復(fù)平帶狀態(tài)，同樣須在金屬板上加一定的電壓。如果絕緣層的電荷可以移動(dòng),則VFB必將隨之改變，引起C-U曲線的移動(dòng)。由絕緣層正電荷在半導(dǎo)體表面感應(yīng)出的負(fù)電荷，對(duì)p型半導(dǎo)體則為耗盡層.因此，絕緣層正電荷的作用猶如在金屬電極上加了一個(gè)正電壓。對(duì)用p型半導(dǎo)體構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)，絕緣層正電荷使半導(dǎo)體表層的能帶向下彎曲。求解平帶電壓要想恢復(fù)到平帶狀態(tài)，就須在金屬板上加一負(fù)電壓，引入更多負(fù)電荷，使其電荷面密度正好等于絕緣層中正電荷的面密度Q

這樣，由絕緣層正電荷發(fā)出的電力線將完全被吸引到金屬表面，電場(chǎng)集中在金屬表面與薄層電荷之間,不再有電力線進(jìn)入半導(dǎo)體,半導(dǎo)體內(nèi)就沒(méi)有電場(chǎng)存在，表面能帶就會(huì)恢復(fù)到平帶狀態(tài).這種情況下的金屬表面與薄層電荷之間的部分視為一個(gè)平行板電容器，其極間距為x，比電容Cx=i0/x，極間電壓即為平帶電壓UFB.絕緣層中存在的電荷是某種體電荷分布時(shí)

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平64三、實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的平帶電壓和特性MIS結(jié)構(gòu)在金-半功函數(shù)差和絕緣層電荷兩種因素都存在時(shí)的平帶電壓一個(gè)實(shí)際MIS系統(tǒng)的平帶電壓可根據(jù)平帶電容來(lái)確定。為此，首先測(cè)量并繪制該MIS的C-V曲線,然后根據(jù)絕緣層電容Ci和半導(dǎo)體熱平衡載流子濃度p0的測(cè)量值,計(jì)算出平帶電容CFB，在C-V曲線圖的電容軸上定出CFB的坐標(biāo),由此坐標(biāo)點(diǎn)引水平線與C-V曲線相交,此交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是平帶電壓。P--------------++++++++x由平帶電容確定平帶電壓實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的特性描述

對(duì)理想MIS結(jié)構(gòu)導(dǎo)出的所有公式，只要將其中的UG替換為(UG-UFB)則全部適用。稱(UG-UFB)為有效柵壓強(qiáng)反型條件VS=2VB，即得實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟電壓實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的歸一化耗盡層電容常數(shù)V0=0qNA/Ci2四、多晶硅柵MOS在集成電路中，MOS器件的金屬柵用重?fù)诫s多晶硅代替，稱為多晶硅柵或硅柵。采用多晶硅柵的好處之一是其功函數(shù)可以通過(guò)摻雜來(lái)調(diào)節(jié)，有助于通過(guò)平帶電壓的改變調(diào)整MOS器件的開(kāi)啟電壓

多晶硅柵MIS結(jié)構(gòu)的電容

硅柵與金屬柵的另一不同之處在于柵電壓也會(huì)令其產(chǎn)生表面電場(chǎng)和能帶彎曲。不過(guò)，由于多晶硅柵摻雜濃度較高，其耗盡層較窄，因而比電容較大。但在UG較高時(shí)，其耗盡層也會(huì)擴(kuò)展。由于多晶硅耗盡層電容是硅柵MOS總電容中的一個(gè)串聯(lián)分量，當(dāng)其值Cp因Qp增大而下降時(shí)，MOS電容即隨UG的升高而下降，與硅耗盡層所起的作用相似。當(dāng)UG絕對(duì)值較高時(shí)，多晶硅耗盡層的寬度也將達(dá)到其最大寬度,耗盡層電容出現(xiàn)極小值，但這極小值比同等情況下鋁柵MOS結(jié)構(gòu)的電容極小值更小。多晶硅柵MIS電容西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平68例題如圖所示理想MOSFET，當(dāng)襯底表面臨界反型時(shí)柵極上的電壓稱為閾值電壓。設(shè)襯底為p型，摻雜濃度為NA。試求閾值電壓VT的表達(dá)式。P-SiEvEcEFEiqVBqVBVG=V0+Vs西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平69例MOS結(jié)構(gòu)開(kāi)啟電壓用NA=1016cm-3的p-Si制成一個(gè)無(wú)功函數(shù)差的MOSFET，其SiO2層厚0.2μm，求:(1)無(wú)界面電荷時(shí)的開(kāi)啟電壓;(2)Si-SiO2界面上有一層恰使硅表面在UG=0時(shí)進(jìn)入本征態(tài)的固定正電荷時(shí)的開(kāi)啟電壓西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平70(1)理想情況下MOS結(jié)構(gòu)開(kāi)啟電壓西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平71(2)表面本征時(shí)qVs=qVB

固定電荷恰好就為QS

為求非理想情況下的開(kāi)啟電壓須先求平帶電壓，為求平帶電壓須知該固定界面電荷的面密度Q=-QS。因?yàn)樵摻缑骐姾傻拇嬖谇∈构璞砻孢M(jìn)入本征態(tài)，所以QS應(yīng)等于VS=VB=0.347V時(shí)單位面積耗盡層中的空間電荷數(shù)qNAxd

7.4表面電導(dǎo)與表面遷移率7.4.1表面電導(dǎo)7.4.2表面散射與近表面區(qū)中載流子的有效遷移率7.4.3影響表面遷移率的主要因素7.4.4表面遷移率模型與載流子的表面飽和漂移速度西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平737.4.1表面電導(dǎo)一、表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs的變化二、環(huán)境對(duì)表面電導(dǎo)的影響西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平74一、表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs的變化表面電導(dǎo)的大小取決于表面層內(nèi)載流子的數(shù)量及其遷移率。如果在半導(dǎo)體層內(nèi)存在電場(chǎng)而形成表面勢(shì)Vs時(shí)，表面層內(nèi)載流子的數(shù)目將隨表面勢(shì)的變化而變化，從而表面電導(dǎo)也隨之改變。因此垂直于表面方向的電場(chǎng)對(duì)表面電導(dǎo)起著控制作用，MOS場(chǎng)效應(yīng)管正是利用這種電導(dǎo)調(diào)制作用而制成的。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平75一、表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs的變化由于表面電場(chǎng)的作用,在表面層中單位面積所產(chǎn)生的附加空穴和附加電子數(shù)分別為Δp和Δn,如果分別用μps和μns表示表面層中空穴和電子的有效遷移率,則由于Δp和Δn的產(chǎn)生，在表面層內(nèi)引起的薄層附加電導(dǎo)為:Δσ□=q(μps

Δp+μns

Δn)薄層附加電導(dǎo)是相對(duì)于平帶狀態(tài)而言,通常以Δσ□(0)表示表面處于平帶狀態(tài)時(shí)的表面薄層電導(dǎo)，因此，半導(dǎo)體表面層中總的薄層表面電導(dǎo):σ□(Vs)=Δσ□(0)+q(μpsΔp+μns

Δn)西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平76一、表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs的變化-以p型半導(dǎo)體為例分析以p型半導(dǎo)體為例分析一下表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs變化的情況。當(dāng)表面勢(shì)為負(fù)時(shí)，表面層內(nèi)形成多數(shù)載流子空穴的積累，表面電導(dǎo)因p隨|VS|值的增加而增加。當(dāng)Vs為正值且足夠大以致表面開(kāi)始反型時(shí)，表面電導(dǎo)則因反型層中電子數(shù)的增加而隨VS的增大而增大。當(dāng)VS為正值但數(shù)值較小時(shí)，表面處于耗盡狀態(tài)，此時(shí)表面電導(dǎo)較小，并有一表面電導(dǎo)極小值存在。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平77二、環(huán)境對(duì)表面電導(dǎo)的影響環(huán)境可以改變半導(dǎo)體表面的吸附情況，從而改變半導(dǎo)體表面的懸鍵密度，而懸鍵總是通過(guò)與半導(dǎo)體近表面層交換載流子而在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生電場(chǎng)，產(chǎn)生表面勢(shì),引起附加表面電導(dǎo)。實(shí)驗(yàn):使用電阻率為20Ω·cm的n型鍺樣品(對(duì)這樣的電阻率,樣品的體電阻可以略去,這便于求得表面電導(dǎo))。先把樣品放在1.33×10-7Pa以上的高真空中用氬離子轟擊并加熱退火以獲得“潔凈”表面;然后保持樣品在真空室內(nèi)，并觀察樣品的表面電導(dǎo)隨真空內(nèi)氧氣壓變化的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在氧氣壓較低的高真空段,表面電導(dǎo)保持較低的定值,但比轟擊前高；當(dāng)氧氣壓增加到1.33×10-6Pa時(shí),表面電導(dǎo)開(kāi)始隨氧分壓的升高而增加,到1.33×10-4Pa時(shí)達(dá)到極大值;然后又隨氧氣壓的增加而下降到與轟擊前相當(dāng)?shù)牡椭怠?/p>

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平78實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋：表面清潔之前，半導(dǎo)體表面因大量吸附外來(lái)原子而使懸鍵大量飽和，剩余的懸鍵吸收近表面層的電子（對(duì)n型而言）而使近表面層處于耗盡狀態(tài)，表面電導(dǎo)極小。氬離子轟擊使表面吸附被清除，高溫退火促使表面原子重構(gòu)。表面重構(gòu)使半導(dǎo)體表面在高真空下處于懸鍵密度較低但完全裸露的狀態(tài)，因而傾向于從體內(nèi)接受電子而飽和，使近表面層處于一個(gè)新的電子耗盡狀態(tài)，表面電導(dǎo)保持在一個(gè)較高的定值。直到氧分壓升高到1.33×10-6Pa時(shí)，表面重構(gòu)受到破壞,表面懸鍵密度逐漸升高，近表面層因表面負(fù)電荷的增加而漸趨反型,p逐漸增大,表面電導(dǎo)隨著氧分壓的升高而升高，到1.33×10-4Pa時(shí)達(dá)到極大值。其后，氧對(duì)表面懸鍵的鈍化作用隨著氧分壓的進(jìn)一步升高而逐漸增強(qiáng)，表面電荷逐漸減少，當(dāng)氧分壓升高到1.33×10-2Pa以上時(shí)，鈍化效果最佳，懸鍵密度降到最低，表面電導(dǎo)達(dá)到其最小值。7.4.2表面散射與近表面區(qū)中載流子的有效遷移率一、表面散射機(jī)構(gòu)二、表面層中載流子的等效遷移率一、表面散射機(jī)構(gòu)對(duì)于MOSFET的導(dǎo)