半導(dǎo)體電導(dǎo)率和霍爾效應(yīng)

半導(dǎo)體電導(dǎo)率和霍爾效應(yīng)第1頁/共87頁EFEFEA強(qiáng)p型（a）EFEFEi（b）（c）（d）（e）p型本征n型強(qiáng)n型EFED上一堂回顧類氫雜質(zhì)能級——淺能級雜質(zhì)：特點(diǎn)施主和受主:能級位置第2頁/共87頁雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度和費(fèi)米能級由溫度和雜質(zhì)濃度決定。(1)N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度(2)P型半導(dǎo)體中空穴濃度上一堂回顧GaNp型摻雜難第3頁/共87頁對于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體，隨溫度升高，載流子以雜質(zhì)電離為主過渡到以本征激發(fā)為主。相應(yīng)地費(fèi)米能級從位于雜質(zhì)能級附近移到禁帶中線處。費(fèi)米能級既反映導(dǎo)電類型，也反映摻雜水平。(3)費(fèi)米能級上一堂回顧第4頁/共87頁1.半導(dǎo)體電導(dǎo)率在一般電場情況下，半導(dǎo)體的導(dǎo)電服從歐姆定律——為電導(dǎo)率——半導(dǎo)體中可以同時有兩種載流子——空穴和電子在外場下獲得的平均漂移速度電流密度5.4半導(dǎo)體電導(dǎo)與霍爾效應(yīng)第5頁/共87頁平均漂移速度和外場的關(guān)系——空穴和電子的遷移率歐姆定律電導(dǎo)率載流子的漂移運(yùn)動是電場加速和半導(dǎo)體中散射的結(jié)果電子在輸運(yùn)過程中會受到一系列的散射：電子聲子(聲學(xué)、光學(xué)、壓電)偶極子雜質(zhì)原子合金無序界面粗糙度位錯第6頁/共87頁GaN新的散射機(jī)制偶極子散射位錯散射散射來自于晶格振動和雜質(zhì)——溫度較高時，晶格振動對載流子的散射是主要的——溫度較低時，雜質(zhì)的散射是主要的(庫侖散射）——遷移率一方面決定于有效質(zhì)量______加速作用另一方面決定于散射幾率第7頁/共87頁雜質(zhì)激發(fā)的范圍，主要是一種載流子摻雜不同的Ge半導(dǎo)體——導(dǎo)電率隨溫度變化1)低溫范圍，雜質(zhì)激發(fā)的載流子起主要作用——載流子的數(shù)目與摻雜的情況有關(guān)2)高溫范圍，本征激發(fā)的載流子起主要作用——載流子的數(shù)目與摻雜的情況無關(guān)3)中間溫度區(qū)間，溫度升高時，導(dǎo)電率反而下降

——晶格散射作用第8頁/共87頁Tρ低溫飽和本征電阻率與溫度的關(guān)系示意圖溫度很低時，電阻率隨溫度升高而降低。因?yàn)檫@時本征激發(fā)極弱，可以忽略；載流子主要來源于雜質(zhì)電離，隨著溫度升高，載流子濃度逐步增加，電離雜質(zhì)散射是主要散射機(jī)構(gòu)，遷移率隨溫度升高而增大，導(dǎo)致電阻率隨溫度升高而降低。溫度進(jìn)一步增加（含室溫），電阻率隨溫度升高而升高。在這一溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，同時本征激發(fā)尚不明顯，故載流子濃度基本沒有變化。對散射起主要作用的是晶格散射，遷移率隨溫度升高而降低，導(dǎo)致電阻率隨溫度升高而升高溫度再進(jìn)一步增加，電阻率隨溫度升高而降低。這時本征激發(fā)越來越多，雖然遷移率隨溫度升高而降低，但是本征載流子增加很快，其影響大大超過了遷移率降低對電阻率的影響，導(dǎo)致電阻率隨溫度升高而降低。當(dāng)然，溫度超過器件的最高工作溫度時，器件已經(jīng)不能正常工作了。第9頁/共87頁2.半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)Halleffect

半導(dǎo)體片置于xy平面內(nèi)——電流沿x方向——磁場垂直于半導(dǎo)體片沿z方向空穴導(dǎo)電的P型半導(dǎo)體，載流子受到洛倫茲力第10頁/共87頁半導(dǎo)體片兩端形成正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生靜電場達(dá)到穩(wěn)恒，滿足電流密度電場強(qiáng)度——霍耳系數(shù)電子導(dǎo)電的N半導(dǎo)體

電場強(qiáng)度——霍耳系數(shù)第11頁/共87頁——半導(dǎo)體的霍耳系數(shù)與載流子濃度成反比——半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多——測量霍耳系數(shù)可以直接測得載流子濃度——確定載流子的種類霍耳系數(shù)為正——空穴導(dǎo)電霍耳系數(shù)為負(fù)——電子導(dǎo)電——霍耳系數(shù)——霍耳系數(shù)第12頁/共87頁5.5非平衡載流子N型半導(dǎo)體——主要載流子是電子，也有少量的空穴載流子電子——多數(shù)載流子

——多子空穴——少數(shù)載流子

——少子P型半導(dǎo)體——主要載流子是空穴，也有少量的電子載流子空穴——多數(shù)載流子

——多子電子——少數(shù)載流子

——少子第13頁/共87頁⒈

熱平衡下電子和空穴的濃度:半導(dǎo)體中的雜質(zhì)電子，或價帶中的電子通過吸收熱能，激發(fā)到導(dǎo)帶中——載流子的產(chǎn)生電子回落到價帶中和空穴發(fā)生復(fù)合——載流子的復(fù)合——達(dá)到平衡時，載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等電子和空穴的濃度有了一定的分布電子和空穴的濃度滿足——熱平衡條件第14頁/共87頁在外界的影響作用下，電子和空穴濃度可能偏離平衡值即有——稱非平衡載流子

非平衡電子和非平衡空穴的濃度相同——如本征光吸收或電注入等——本征光吸收將會產(chǎn)生電子—空穴對EFEi第15頁/共87頁⒉非平衡載流子對多子和少子的影響程度

多子的數(shù)目很大——非平衡載流子對多子的影響不明顯——對少子將產(chǎn)生很大影響——在討論非平衡載流子的問題時主要關(guān)心的是非平衡少數(shù)載流子⑴.非平衡載流子的復(fù)合和壽命

在熱平衡下，載流子的濃度具有穩(wěn)定值非平衡載流子——光照可以產(chǎn)生載流子第16頁/共87頁——開始光照，載流子的產(chǎn)生率增大，同時復(fù)合率也增大載流子的濃度偏離熱平衡時的濃度一段時間的光照后，非平衡載流子的濃度具有確定的數(shù)目——載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等載流子的濃度到達(dá)一個新的平衡——撤去光照，載流子復(fù)合率大于產(chǎn)生率，經(jīng)過一段時間后載流子的濃度又恢復(fù)到熱平衡下的數(shù)值第17頁/共87頁——單位時間、單位體積復(fù)合的載流子數(shù)目——光照穩(wěn)定時的非平衡載流子濃度撤去光照后，非平衡載流子濃度隨時間的變化關(guān)系——為非平衡載流子的壽命——載流子的復(fù)合是以固定概率發(fā)生的非平衡載流子的復(fù)合率第18頁/共87頁⑵非平衡載流子的壽命的意義：

1)光照使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率明顯增加——光電導(dǎo)效應(yīng)——決定著變化的光照時，光電導(dǎo)反應(yīng)的快慢——兩個光信號的間隔，可以分辨出相應(yīng)的電流信號變化，才可以分辨出兩個光信號光通信第19頁/共87頁2)非平衡載流子的壽命越大，光電導(dǎo)效應(yīng)越明顯——非平衡載流子的濃度減小為平衡值的1/e所需要的時間是，顯然越大，非平衡載流子濃度減小得越慢——一個非平衡載流子只在時間里起到增加電導(dǎo)的作用，

越大，產(chǎn)生一個非平衡載流子對增加的電導(dǎo)作用越大非平衡載流子的壽命的意義

太陽能電池效率第20頁/共87頁3)非平衡載流子的壽命對光電導(dǎo)效應(yīng)有著重要的意義，通過測量光電導(dǎo)的衰減，可以確定非平衡載流子的壽命4)壽命與半導(dǎo)體材料所含的雜質(zhì)與缺陷有關(guān)——深能級雜質(zhì)的材料，電子先由導(dǎo)帶落回一個空的雜質(zhì)深能級，然后由雜質(zhì)深能級落回到價帶中空的能級——非平衡載流子的壽命的測量可以鑒定半導(dǎo)體材料晶體質(zhì)量的常規(guī)手段——深能級起著復(fù)合作用，降低了非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命的意義

第21頁/共87頁2.非平衡載流子的擴(kuò)散

金屬和一般的半導(dǎo)體中，載流子在外場作用下的定向運(yùn)動

——形成漂移電流半導(dǎo)體中載流子濃度的不均勻而形成擴(kuò)散運(yùn)動

——產(chǎn)生擴(kuò)散電流——非平衡少數(shù)載流子產(chǎn)生明顯的擴(kuò)散電流——多數(shù)載流子，漂移電流是主要的第22頁/共87頁⑴一維擴(kuò)散電流的討論：均勻光照射半導(dǎo)體表面——光在表面很薄的一層內(nèi)被吸收光照產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子——在穩(wěn)定光照射下，在半導(dǎo)體中建立起穩(wěn)定的非平衡載流子分布——向體內(nèi)運(yùn)動，一邊擴(kuò)散一邊復(fù)合HowaboutDistribution?第23頁/共87頁非平衡載流子的擴(kuò)散是熱運(yùn)動的結(jié)果非平衡少數(shù)載流子一邊擴(kuò)散一邊復(fù)合，形成穩(wěn)定分布濃度滿足連續(xù)方程——載流子的復(fù)合率——單位時間、通過單位橫截面積載流子數(shù)目——擴(kuò)散流密度第24頁/共87頁方程的通解邊界條件深入樣品的平均距離——擴(kuò)散長度擴(kuò)散流密度太陽能電池：光學(xué)厚，電學(xué)薄第25頁/共87頁5.6PN結(jié)

(自學(xué)）：

PN結(jié)的構(gòu)成PN結(jié)的性質(zhì)——單向?qū)щ娦噪娏麟S電壓變化特性反向狀態(tài)正向狀態(tài)一部分是N型半導(dǎo)體材料一部分是P型半導(dǎo)體材料第26頁/共87頁1.平衡PN結(jié)勢壘

電子濃度空穴濃度——摻雜的N型半導(dǎo)體材料，在雜質(zhì)激發(fā)的載流子范圍，電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，費(fèi)密能級在帶隙的上半部，接近導(dǎo)帶P型半導(dǎo)體材料中，費(fèi)密能級在帶隙的下半部，接近價帶N型和P型材料分別形成兩個區(qū)——N區(qū)和P區(qū)第27頁/共87頁N區(qū)和P區(qū)的費(fèi)密能級不相等，在PN結(jié)處產(chǎn)生電荷的積累——

穩(wěn)定后形成一定的電勢差P區(qū)相對于N區(qū)具有電勢差——第28頁/共87頁VPN結(jié)的接觸勢內(nèi)電場的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生電位差。從而形成接觸電位V

接觸電位V決定于材料及摻雜濃度硅：V=0.7鍺：V=0.2第29頁/共87頁P(yáng)N結(jié)勢壘作用：

正負(fù)載流子在PN結(jié)處聚集，在PN結(jié)內(nèi)部形成電場—自建場——勢壘阻止N區(qū)大濃度的電子向P區(qū)擴(kuò)散平衡PN結(jié)——載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動的相對平衡

——電場對于N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴是一個勢壘

——勢壘阻止P區(qū)大濃度的空穴向N區(qū)擴(kuò)散第30頁/共87頁——抵消原來P區(qū)和N區(qū)電子費(fèi)密能級的差別P區(qū)電子的能量向上移動——半導(dǎo)體中載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬且有——PN結(jié)處形成的電荷空間分布區(qū)域約在微米數(shù)量級第31頁/共87頁擴(kuò)散和漂移形成平衡電荷分布，滿足玻耳茲曼統(tǒng)計規(guī)律——N區(qū)和P區(qū)空穴濃度之比熱平衡下N區(qū)和P區(qū)電子濃度——P區(qū)和N區(qū)電子濃度之比第32頁/共87頁2.PN結(jié)的正向注入

當(dāng)PN結(jié)加有正向偏壓——P區(qū)為正電壓

外電場與自建場方向相反，外電場減弱PN結(jié)區(qū)的電場，使原有的載流子平衡受到破壞電子N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)空穴

P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)——非平衡載流子——PN結(jié)的正向注入第33頁/共87頁電子擴(kuò)散電流密度正向注入，P區(qū)邊界電子的濃度變?yōu)椤饧与妶鍪惯吔缣庪娮拥臐舛忍岣弑逗捅容^得到第34頁/共87頁邊界處非平衡載流子濃度——正向注入的電子在P區(qū)邊界積累，同時向P區(qū)擴(kuò)散——非平衡載流子邊擴(kuò)散、邊復(fù)合形成電子電流第35頁/共87頁邊界處非平衡載流子濃度——正向注入電子在P區(qū)邊界積累，同時向P區(qū)擴(kuò)散，非平衡載流子邊擴(kuò)散、邊復(fù)合形成電子電流應(yīng)用非平衡載流子密度方程邊界處電子擴(kuò)散流密度——電子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長度第36頁/共87頁注入到P區(qū)的電子電流密度——在N區(qū)邊界空穴積累，同時向N區(qū)擴(kuò)散，也是非平衡載流子邊擴(kuò)散、邊復(fù)合形成空穴電流注入到N區(qū)的空穴電流密度PN結(jié)總的電流密度——肖克萊方程(W.Shockley)第37頁/共87頁結(jié)果討論：2)

PN結(jié)的電流和N區(qū)少子、P區(qū)少子成正比1)

當(dāng)正向電壓V增加時，電流增加很快如果N區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于P區(qū)摻雜濃度——PN結(jié)電流中將以電子電流為主第38頁/共87頁3.PN結(jié)的反向抽取

N區(qū)的空穴一到達(dá)邊界即被拉到P區(qū)P區(qū)的電子一到達(dá)邊界即被拉到N區(qū)——PN結(jié)方向抽取作用PN加有反向電壓勢壘變?yōu)镻N結(jié)加有反向偏壓——P區(qū)為負(fù)電壓，外電場與自建場方向相同，勢壘增高，載流子的漂移運(yùn)動超過擴(kuò)散運(yùn)動——只有N區(qū)的空穴和P區(qū)的電子在結(jié)區(qū)電場的作用下才能漂移過PN結(jié)

第39頁/共87頁P(yáng)區(qū)邊界電子的濃度——反向抽取使邊界少子的濃度減小反向電流第40頁/共87頁一般情況下——反向飽和電流擴(kuò)散速度第41頁/共87頁——P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子的產(chǎn)生率P區(qū)少數(shù)載流子——電子的產(chǎn)生率N區(qū)少數(shù)載流子——空穴的產(chǎn)生率第42頁/共87頁反向飽和電流——擴(kuò)散長度一層內(nèi)，總的少數(shù)載流子產(chǎn)生率乘以電子電量q反向電流——PN結(jié)附近所產(chǎn)生的少數(shù)載流子又有機(jī)會擴(kuò)散到空間電荷區(qū)邊界的少數(shù)載流子形成第43頁/共87頁4.PN結(jié)的反向擊穿：

反向擊穿PN結(jié)上所加的反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時，反向電流激增的現(xiàn)象雪崩擊穿當(dāng)反向電壓增高時，少子獲得能量高速運(yùn)動，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。形成連鎖反應(yīng)，象雪崩一樣，使反向電流激增。齊納擊穿當(dāng)反向電壓較大時，強(qiáng)電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。擊穿是可逆。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生擊穿是可逆。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生不可逆擊穿—熱擊穿PN結(jié)的電流或電壓較大，使PN結(jié)耗散功率超過極限值，使結(jié)溫升高，導(dǎo)致PN結(jié)過熱而燒毀第44頁/共87頁5、PN結(jié)的電容效應(yīng)：勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。第45頁/共87頁

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容CD

當(dāng)外加正向電壓不同時，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。第46頁/共87頁8、二極管的應(yīng)用:1、整流電路整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦浴?、光電子器件光電二極管是有光照射時會產(chǎn)生電流的二極管。其結(jié)構(gòu)和普通的二極管基本相同D第47頁/共87頁

發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊半導(dǎo)體器件，它只有在加正向電壓時才發(fā)光。

它利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作，PN結(jié)工作在反偏狀態(tài)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，束縛電子獲得光能變成自由電子，產(chǎn)生電子—空穴對，在外電場的作用下形成光電流。第48頁/共87頁MIS體系：金屬－絕緣體－半導(dǎo)體(Metal－Insulator－Semiconductor)MOS體系：金屬－氧化物－半導(dǎo)體——MIS結(jié)構(gòu)的一種特殊形式(Metal－Oxide－Semiconductor)MOS有著許多主要的應(yīng)用1)

絕緣柵場效應(yīng)管：存儲信息2)

集成電路：計算機(jī)RAM3)

電荷耦合器件：CCD——存儲信號，轉(zhuǎn)換信號七、金屬－絕緣體－半導(dǎo)體(MISFET)

第49頁/共87頁如：P型半導(dǎo)體1、MIS體系的機(jī)理金屬層——柵極半導(dǎo)體接地氧化物(SiO2~100nm)1)在柵極施加電壓為負(fù)時，半導(dǎo)體中的空穴被吸收到IS表面，并在表面處形成帶正電荷的空穴積累層2)在柵極施加電壓為正時，半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子——空穴被排斥離開IS表面少數(shù)載流子——電離的受主電子被吸收表面處第50頁/共87頁3)正電壓較小——空穴被排斥，在表面處形成負(fù)電荷的耗盡層——為屏蔽柵極正電壓,耗盡層具有一定的厚度——d~微米量級空間電荷區(qū)Spacechargeregion不能移動的電離受主雜質(zhì)第51頁/共87頁——空間電荷區(qū)存在電場，使能帶發(fā)生彎曲對空穴來說形成一個勢壘體內(nèi)能級是反應(yīng)電子能量的高低第52頁/共87頁表面處x＝0相對于體內(nèi)x>d的電勢差

——表面勢：Vs——柵極正電壓增大時，表面勢進(jìn)一步增大——表面勢足夠大時，有可能表面處的費(fèi)密能級進(jìn)入帶隙的上半部——空間電荷區(qū)電子的濃度將要超過空穴的濃度

形成少子電子的導(dǎo)電層第53頁/共87頁空間電荷區(qū)的載流子主要為電子，而半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子為空穴，空間電荷層——反型層第54頁/共87頁形成反型層時的能帶特點(diǎn)：Ei是半導(dǎo)體的本征費(fèi)密能級，EF是表面處的費(fèi)密能級——當(dāng)EF在Ei之上時，電子的濃度大于空穴的濃度——兩者相等時，電子和空穴的濃度相等——當(dāng)EF在Ei之下時，電子的濃度小于空穴的濃度第55頁/共87頁形成反型層的條件：——費(fèi)密能級EF從體內(nèi)Ei之下變成表面時Ei之上，兩者之差qVF滿足一般形成反型層的條件——表面處電子濃度增加到等于或超過體內(nèi)空穴的濃度第56頁/共87頁反型層中的電子，一邊是絕緣層——導(dǎo)帶比半導(dǎo)體高出許多，另一邊——是耗盡層空間電荷區(qū)電場形成的勢壘——電子被限制在表面附近能量最低的一個狹窄的區(qū)域——有時稱反型層稱為溝道channel——P型半導(dǎo)體的表面反型層是電子構(gòu)成的——N溝道第57頁/共87頁N溝道晶體管:在P型襯底的MOS體系中增加兩個N型擴(kuò)散區(qū)

——源區(qū)S和漏區(qū)D，構(gòu)成N溝道晶體管1)一般情況下：柵極電壓很小，源區(qū)S和漏區(qū)D被P型區(qū)隔開，即使在SD之間施加一定的電壓，由于SP和DP區(qū)構(gòu)成兩個反向PN結(jié)——只有微弱的PN反向結(jié)電流第58頁/共87頁2)柵極電壓達(dá)到或超過一定的閾值，Insulator_P-Si表面處形成反型層

——電子的濃度大于體內(nèi)空穴的濃度3)通過控制柵極電壓的極性和數(shù)值，使MOS晶體管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，源區(qū)S和漏區(qū)D之間的電流受到柵極電壓的調(diào)制——集成電路應(yīng)用

——反型層將源區(qū)S和漏區(qū)D連接起來，此時在SD施加一個電壓，則會有明顯的電流產(chǎn)生

第59頁/共87頁2、理想MIS結(jié)構(gòu)：（1）Wm=Ws；（2）絕緣層內(nèi)無電荷且絕緣層不導(dǎo)電；（3）絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。MIS結(jié)構(gòu)等效電路第60頁/共87頁金屬的功函數(shù)Wm表示一個起始能量等于費(fèi)米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱為真空能級。

金屬銫Cs的功函數(shù)最低1.93eV，Pt最高為5.36eV功函數(shù)：Wm、Ws？第61頁/共87頁半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費(fèi)米能級之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。用Χ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0χWsEnNote:

和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級隨雜質(zhì)濃度變化，所以，Ws也和雜質(zhì)濃度有關(guān)。第62頁/共87頁3、MIS結(jié)構(gòu)的電容－電壓C-V特性MIS結(jié)構(gòu)是組成MOSFET等表面器件的基本部分；電容－電壓特性是用于研究半導(dǎo)體表面和界面的重要手段。一、理想MIS結(jié)構(gòu)的電容－電壓特性在MIS結(jié)構(gòu)上加一偏壓，同時測量小信號電容隨外加偏壓變化的電容－電壓特性，即C-V特性。第63頁/共87頁在MIS結(jié)構(gòu)的金屬和半導(dǎo)體間加以某一電壓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E表示其電場強(qiáng)度，顯然，CsC0如何定量描述？第64頁/共87頁理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性1、多子積累時：偏壓Vg為負(fù)，半導(dǎo)體表面處于堆積狀態(tài)（以P型半導(dǎo)體）（1）當(dāng)/Vs/較大時，有CCo半導(dǎo)體從內(nèi)部到表面可視為導(dǎo)通狀態(tài)；C/Co（2）當(dāng)/Vs/較小時，有C/Co<1。2、平帶狀態(tài)Vg=0Vg=0,對于理想MIS表面勢Vs也為0.第65頁/共87頁3、耗盡狀態(tài)VG＞04、強(qiáng)反型后，即VS＞2VB從物理圖像上理解：強(qiáng)反型層出現(xiàn)后，大量的電子聚積在半導(dǎo)體的表面，絕緣層兩邊堆積了電荷，并且在低頻信號時，少子的產(chǎn)生和復(fù)合跟得上低頻小信號得變化。如同只有絕緣層電容一樣。第66頁/共87頁高頻時，反型層中的電子的產(chǎn)生和復(fù)合將跟不上高頻信號的變化，即反型層中的電子數(shù)量不隨小信號電壓而變化，所以對電容沒有貢獻(xiàn)。二、實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性在實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)中，存在一些因素影響著MIS的C-V特性，如：金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)的差、絕緣層中的電荷等。

例：以Al/SiO2/P-type-Si

的MOS結(jié)構(gòu)為例：

P型硅的功函數(shù)一般較鋁大，當(dāng)Wm<Ws時，將導(dǎo)致C-V特性向負(fù)柵壓方向移動。第67頁/共87頁使能帶恢復(fù)平直的柵電壓CFBVFB平帶電壓VFB實(shí)驗(yàn)上，可計算出理想狀態(tài)時的平帶電容值，然后在CFB引與電壓軸平行的直線，和實(shí)際曲線相交點(diǎn)在電壓軸上的坐標(biāo)，即VFB實(shí)際第68頁/共87頁絕緣層電荷對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響：一般有：由于這些電荷的存在，將在金屬和半導(dǎo)體表面感應(yīng)出相反符號的電荷，在半導(dǎo)體的空間電荷層內(nèi)產(chǎn)生電場使得能帶發(fā)生彎曲。也即沒有偏壓，也可使得半導(dǎo)體表面層離開平帶狀態(tài)。第69頁/共87頁假設(shè)在SiO2中距離金屬/SiO2的界面x處有一層正電荷金屬SiO2半導(dǎo)體do假定半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)相同，即Wm=Ws金屬半導(dǎo)體Ec半導(dǎo)體表面能帶下彎第70頁/共87頁恢復(fù)平帶的方法：半導(dǎo)體絕緣層金屬do在金屬一邊加上負(fù)電壓，并且逐漸增大，使得半導(dǎo)體表面層的負(fù)電荷隨之減小，直至完全消失。這時在半導(dǎo)體表面層內(nèi)，在氧化物中存在的薄的正電荷產(chǎn)生的電場完全被金屬表面增加的負(fù)電荷的電場屏蔽了，半導(dǎo)體表面的能帶又平了，即恢復(fù)到平帶狀態(tài)。加偏壓VG<0第71頁/共87頁C～V曲線為：第72頁/共87頁八、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)：

同質(zhì)結(jié)——由同種半導(dǎo)體材料構(gòu)成N區(qū)或P區(qū)，形成的PN結(jié)異質(zhì)結(jié)——兩種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料生長在同一塊