理想MOS结构的表面空间电荷区分析
实验三 MOS结构高频CV特性测试
实验三 MOS 结构高频C-V 特性测试MOS 结构电容-电压特性（简称C-V 特性）测量是检测MOS 器件制造工艺的重要手段。
它可以方便地确定二氧化硅层厚度、衬底掺杂浓度N、氧化层中可动电荷面密度、和固定电荷面密度等参数。
ox d I Q fc Q 本实验目的是通过测量MOS 结构高频C-V 特性及偏压温度处理（简称BT 处理），确定、N、和等参数。
ox d I Q fc Q一、 实验原理MOS 结构如图1（a）所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。
但是，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（—微米量级），而不像金属中那样，只集中在一薄层（—0.1nm）内。
半导体表面空间电荷区的厚度随偏压而改变,所以MOS 电容是微分电容 G V GG dV dQ AC = （1） 式中是金属电极上的电荷面密度,A是电极面积。
现在考虑理想MOS结构。
所谓理想情形，是假设MOS结构满足以下条件：（1）金属与半导体间功函数差为零；（2）绝缘层内没有电荷；（3）与半导体界面处不存在界面态。
偏压V G Q 2O S i 2O S i G 一部分在降在上，记作；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作,即2O S i ox V S V S OX G V V V += （2）S V 又叫表面势。
考虑到半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有G SC Q Q = （3）式中是半导体表面空间电荷区电荷面密度。
将式（2）、（3）代入式（1），SC Q S ox S ox Sox S ox G G G C C C C C C dV dV dQ A dV dQ A C +=+=+==111 （4） 式（4）表明MOS 电容由和串联构成，其等效电路如图1（b）所示。
其中是以为介质的氧化层电容，它的数值不随改变；是半导体表面空ox C S C ox C 2O S i G V S C间区电容，其数值随改变，因此G V oxro ox G ox d A dV dQ A C εε0== （5） S SC S dV dQ AC = （6） 式中ro ε是相对介电常数。
MOS结构C-V特性测量及BT实验
实验四 MOS 结构C-V 特性测量及BT 实验一. 实验目的与意义对MOS 结构测量其高频电压-电容（C-V ）曲线，以及利用正、负偏压温度处理方法（简称±BT 试验）进行Si/SiO 2界面研究，可以获得MOS 结构的多个参数：二氧化硅层的厚度，衬底硅掺杂类型、浓度，以及二氧化硅层中可动电荷与固定电荷密度。
通过实验全过程的操作及数据处理，使学生加深对所学“固态电子论”中半导体表面理论的理解，特别是硅-二氧化硅系统性质的理解。
掌握用C-V 方法测量MOS 结构样品的多个参数。
二. 实验原理MOS 结构如图1a 所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。
但是由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（在微米量级），而不象金属那样，只集中在一薄层（约）内。
半导体表面空间电荷区的厚度随外加偏压V G 而改变，所以MOS 电容C 是微分电容。
(a) 结构示意图 (b) 等效电路 (c) p-SiMOS 理想C-V 曲线图4-1 MOS 结构及其C-V 特性G G dv dQ A C = （4-1）式中： Q G 是金属电极上的电荷面密度；A 是电极面积。
理想情形可假设MOS 结构满足下列条件：① 金属-半导体间的功函数差为零；② SiO 2层中没有电荷；③ SiO 2与半导体界面处不存在界面态。
偏压V G 一部分降在SiO 2上，记为Vo ；一部分降在半导体表面空间电荷区，记为Vs ，即：S G V Vo V += (4-2)Vs 又称为表面势。
考虑到半导体空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号+相反，有:G s Q Q = (4-3)式中：Qs 为半导体表面空间电荷区电荷面密度。
将（4-2）、（4-3）代入（4-1）式，有：S O G G G dV dV dQ A dV dQ A C +==SO S O C C C C += （4-4） 式（4-4）表明MOS 电容是C 0和Cs 串联而成，其等效电路为图4-1 的b 所示。
半导体物理基础 第六章 MOS
QS QB qNa xd
2 qNa xd S 2k s 0
（6-5）
和
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
代入（6-44）式解出 x
d
Xd
kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qkS 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG <0）
MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容 C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电 荷区积累的空穴数随之减少，并且 QS 随 C也就变小。 平带情况（ VG =0）
S
的变化也逐渐减慢， C S 变小。总电容
C FB C0
1 k 0 LD 1 k s x0
（6-1）
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 导出反型和强反型条件
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
系统单位面积的微分电容
微分电容C与外加偏压 VG 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
dQM C dVG
（6-1）
S =半导体表面的电场
k0 =氧化物的相对介电常数
k S =半导体相对介电常数
xd =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。
外加电压 VG 为跨越氧化层的电压
V0和表面势 S 所分摊：
（6-2）
VG V0 S
6.1 理想MOS结构的表面空S结构内的电位分布
（6-22）
dV0 d s 1 dVG C dQM dQM dQM
半导体器件物理哈理工复习资料缩印
半导体器件物理哈理⼯复习资料缩印1.PN 结：采⽤不同的掺杂⼯艺，通过扩散作⽤，将P 型半导体和N 型半导体制作在同⼀块半导体基⽚上，在它们的交界⾯就形成空间电荷区称为PN 结。
2.雪崩击穿：随着PN 结反向电压的增加，势垒中电场强度也在增加。
当电场强度达到⼀定程度后，势垒区中载流⼦就会碰撞电离出新的电⼦—空⽳对。
新的电⼦—空⽳对在电场作⽤下继续碰撞产⽣新的载流⼦，如此反复即碰撞电离率增加，流过PN 结的电流急剧增⼤，击穿PN 结。
3.空间电荷区：在PN 结中，由于⾃由电⼦的扩散运动和漂移运动，使PN 结中间产⽣⼀个很薄的电荷区，就是空间电荷区。
4.耗尽层电容：由于耗尽层内空间电荷随偏压变化所引起的电容称为PN 结耗尽层电容。
5.MOS 阈值电压：阈值电压si -ψ+=O B TH C Q V 是形成强反型层时所需要的最⼩栅极电压。
它的第⼀项表⽰在形成强反型层时，要⽤⼀部分电压去⽀撑空间电荷QB ；第⼆项表⽰要⽤⼀部分电压为半导体表⾯提供达到强反型时需要的表⾯势si ψ。
6.强反型：当表⾯电⼦浓度等于体内平衡多⼦浓度时，半导体表⾯形成强反型层。
7.载流⼦扩散漂移观点分析空间电荷区形成当N 型P 型材料放在⼀起时，P 型材料中多的空⽳向N 型扩散，N 型多的电⼦向P 型扩散，由于扩散，在互相靠近N 侧和P 侧分别出现施主离⼦和受主离⼦，这些空间电荷建⽴⼀个电场，即空间电荷区。
8.载流⼦扩散漂移分析PN 结单向导电性若在PN 结加正向电压，PN 结势垒⾼度下降，减⼩的势垒⾼度有助于扩散通过PN 结，形成⼤的电流，若加反向电压，势垒⾼度增加，漂移作⽤增强，阻挡载流⼦通过PN 结扩散，所以PN 结单向导电1.5种半导体器件：PN 结，光电⼆极管，JFET,MOSFET ，太阳能电池。
2.PN 结隧道电流产⽣条件：费⽶能级进⼊能带；空间电荷层的宽度很窄，因⽽有⾼的隧道3.穿透概率；在相同的能⼒⽔平上，在⼀侧的能带中有电⼦⽽在另⼀侧的能带中有空的状态。
22 第六章 62 理想MOS电容器讲解
1. 积累区（VG<0）
Physics of Semiconductor Devices
当MOS电容器的金属电极上加有较大的负偏压时，能带明显向 上弯曲，在表面造成多数载流子空穴的大量积累；只要表面势
φS稍有变化，就会引起表面空间电荷QS的很大变化；所以，半
导体表面电容比较大，可以忽略不计。MOS系统的电容基本上 等于绝缘体电容C0。
Physics of Semiconductor Devices
两个电容串联后，总电容变小，且其数值主要由较小的一个电 容所决定，因为大部分电压都降落在较小的电容上。
MOS电容的等效电路
C/C0称为系统的归一化电容
VG
C0 CS
对于理想MOS系统：
Physics of Semiconductor Devices
MOS电容积累区的C-V特性
2. 平带情况（VG=0）
Physics of Semiconductor Devices
VG=0时，φS=0，能带是平直的，称为平带情 况 在平带附近，空间电荷区中：
由空穴的过剩或欠缺引起的电荷密度：
在平带附近，׀φ<<׀VT。上式进行指数项展开，且只保留前两项：
空间电荷与表面 势符号相反
平带情况下半导体表面的小信号电容(微分电容)：
在杂质饱和电离的情况下： 归一化平带电容：
Physics of Semiconductor Devices
正比掺杂浓度 正比厚度
理想MOS的归一化平带电容随杂质浓度和氧化层厚度的关系
3. 耗尽区（VG>0）
耗尽区：
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
11 MOSFET基础(1)(MOS结构,CV特性)分析
如何测C-V曲线 如何看图解释出现的现象
49
8
11.1 MOS电容
小的负栅压情形
n型
(耗尽层)
大的负栅压情形
n型
(反型层+耗尽层)
表面能带图:n型衬底(2)
EFS Ec
EFS EFi
EFS Ec
EFS EFi
9
小节内容
11.1.1 能带图
随便画能带图,要知道其半导体类型 加什么电压往那里弯曲
10
11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形
36
11.2 C-V特性
平带状态
所加负栅压正好等于平带电压VFB，使 半导体表面能带无弯曲
C'F
B to
o x
xtooxx
k Ts
e eNa
平带 本征
37
11.2 C-V特性
耗尽状态
C’相当与Cox与Csd’串联
加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压 的变化而变化，出现耗尽层电容
平带
V G xdC '(d)ep
同样衬底材 |m料 s| 下的
n型S：i ppolyAunpolyAl p型S：i npolyA l ppolyAu
对多数应 np用ol（ yA,l)
ms0
22
11.1 MOS电容
平带电压:定义
MOS结构中半导体表面能带弯曲的动因
金属与半导体之间加有电压（栅压）
半导体与金属之间存在功函数差
氧化层中存在净的空间电荷
41
小节内容
理想情况CV特性
CV特性概念 堆积平带耗尽反型下的概念 堆积平带耗尽反型下的计算
频率特性
高低频情况图形及解释
device-3
VFB
Q0 = ms COX
7
多晶硅－SiO2-Si
ms = φ f (多晶硅 ) φ f (硅衬底)
ms = 0.56 φ f (V) p-type Si n+多晶硅 ms = 0.56 + φ f (V) n-type Si
8
P型硅：平带电压为负，C-V向负方向移动
9
2. 二氧化硅及其与硅界面的相关电荷的影响 热生长二氧化硅中的电荷
1 1 1 1 = + + C Cox C s + Co C poly
反型时，SiO2-Si界面电子 可能耗尽POLY中电子，出 现Cpoly，总电容变小
有效的tox增大
Vt增大，Ids降低
电容降低，速度仍受影响
16
4、尺寸量子化效应 MOSFET 在 表 面 反 型 沟道中载流子被限制 在一很窄的势阱之中 载流子在垂直于表 面方向量子化
MOSFET并不是在Vg＝Vt处就突然关断，当Vg<Vt时， 存在泄漏电流，影响器件的静态功耗 亚阈区MOSFET的电流以扩散电流为主，不是多子电流， 未出现反型层
52
类似BJT
s ∝ VG
KT
s =
界面陷阱的充放电有频率响应，在高频下，跟不上信号的 变化，Cit=0
用低频和高频C-V的差别可以测Cit
c. 引起阈值电压不稳定、迁移率降
低、跨导降低
14
3. 多晶硅耗尽效应（PDE） 当tox很薄，POLY非简并，出现PDE
15
Vg = VFB + φ s + V poly + VOX
C poly = dQ poly dV poly
-16
-16
MOS场效应晶体管
在平带条件下对应的总电容称为MOS 结构的平带电容CFB
CFB
tOX
OX0
1 2
OSX
LD
右图表示了P型半 导体MOS结构的理 想C-U曲线
MOS电容-电压曲线
4.1.2 实际MOS 结构及基本特性
几种影响理想MOS结构的特性 1.功函数差的影响
左图为几种主要硅栅极材料 的功函数差随浓度的变化
BU GSEOX (matxO)X 实际MOS场效应晶体管栅-源之间的击穿电压，将比 上式的计算值更低。
4.4.4 输出特性曲线与直流参数
Ⅰ区：非饱和区。 Ⅱ区：饱和区。 Ⅲ区：雪崩区。 Ⅳ区：截止区。
MOS场效应晶体管的完整输出特性曲线
不同USB值下的MOSFET输出特性曲线 a) USB=0V b) USB=1V c) USB=2V d) USB=4V
IDS U G SU TUDS 1 2UD2S
3. 饱和区的伏安特性
IDsat 12UGSUT 2
饱和时沟道电荷和电场分布
线性工作区对应上图的直线段1 非饱和区对应与曲线上的段2 饱和区则对应于曲线上的段3
4.4.2 亚阀区的伏安特性
当栅极电压UGS稍低于阀值电压UT，甚至UGS=0时，在栅 氧化层正电荷作用下，栅下P型半导体的表面很可能处于 弱反型状态，沟道中仍有很小的漏电流通过。
通常将栅源电压低于阀值电压，器件的工作状态处于亚阀 值区，流过沟道的电流成为亚阀值电流。
弱反型时亚阀值电流由下式给出
IDSqW qETS Dn
L1nP0eqTUS
1eqUTDS
Wn
L
qT2q2q0NAU S S
1
2
ni2 NA
q US
第6章(MOS电容)
半导体器件原理
（2）界面陷阱电容（并联于硅电容）
（3）表面产生复合中心（减小少子寿命）
在耗尽时起作用，而在反型或积累时不起作用。
（4）表面态或陷阱帮助的带到带隧穿
南京大学
半导体器件原理
二、高场效应
1. 碰撞离化和雪崩击穿 αp 单位距离内空穴导致电子空穴对产生 αn单位距离内电子导致电子空穴对产生
南京大学
半导体器件原理
（4）氧化层中的可动电荷 来源：沾污氧化层外表面的正离子，在电场或温度的 作用下，漂移到近界面处。 影响：在硅表面处感应负电荷，影响器件的稳定性。
成份：Na+，K+，Li+，H+。 热氧化后去除表层氧化层， 采用P处理, 无钠清洁工艺 用氮化硅作表面钝化。
南京大学
半导体器件原理
南京大学
半导体器件原理
1）对耗尽层情况： 由氧化层厚度，半导体掺杂浓度，可得ψs 随VG的变化关系。
南京大学
半导体器件原理
2）对强反型情况： 空间电荷密度还包括载流子，耗尽层宽度达极 大值。 外加电压只引起反型层中电子浓度的增加以及 金属电极上正电荷的增加。
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半导体器件原理
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半导体器件原理
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半导 实际常用实验测定。
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半导体器件原理
经验碰撞离化率 (1)αn>> αP, 特别在低电场时 (2)离化系数随电场迅速增长,PN结中,减小最大 电场以减小离化系数 掺杂缓变或使用轻掺杂区做i层, 可有效降低PN 结中的峰值电场.
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半导体器件原理
λ：Si中热电子能量损失的平均自由程 qV(d)：发射的有效能量势垒 ER：光学声子能量 λ0：10.8 nm， λ的低温极限。
微电子器件(4-2)
“反型”（导电类型从p型转化为n型，或从n型转化为p型）MOSFET 的分类及特性曲线§4-2 MOSFET的阈电压VTMOS结构在栅电压的作用下，半导体的表面（或氧化物与半导体之间的界面）处会出现哪几种状态？p型衬底MOS结构（理想）能带图与电荷块图两个定义定义：使栅下的硅表面处刚开始发生强反型时的栅电压称为阈电压（Threshold Voltage)，记为VT 。
定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了强反型。
阈值电压是决定MOSFET能否导通的临界栅电压，因此又称开启电压，是MOSFET的重要参数之一。
φ上图中:FP称为P 型衬底的费米势内与表面本征费米势之差根据表面势的定义（体内与表面本征费米势之差）对理想MOS 结构，当栅极施加电压V G ，V G 降落在什么地方？sOX G V V φ+=栅电极栅氧化层P 型半导体Q n Q M Q A1、一部分降落在栅氧化层上，使MOS 结构中产生感应电荷。
2、另一部分则降落在半导体表面上，使能带弯曲，产生表面势φS ，以提供相应的感应电荷。
所以所以有二、实际MOS 结构的阈电压,0≠≠MS ox Qφ热生长的SiO 2-Si 结构中电荷中心的特点及位置关于氧化层电荷（Q ox )的来源、特点与位置，以及工艺上如何减少这些电荷，可参考Robert F.Pierret 的《半导体器件基础》p465-480<MS φ0>OX Q 实际MOS 结构中一般的能带的弯曲量为OXOXMS S C Q qq q +−=φφ要使表面发生强反型，应使表面处的，这时能带总的弯曲量是。
FP is F q E E φ=−FP q φ2FPinv S S φφφ2,==此时的表面势为：2.3 实际MOS 结构当V G = V T 时的能带图1、V T 一般表达式的导出三、MOSFET的V T与MOS 结构相比，在MOSFET 中发生了以下变化：a) 栅与衬底之间的外加电压由V G 变为(V G -V B ) ，因此有效栅电压由(V G -V FB ) 变为(V G -V B -V FB ) 。
mos中表面电势和电荷密度
mos中表面电势和电荷密度
在MOS（金属-氧化物-半导体）结构中，表面电势和电荷密度是非常关键的参数，它们会对MOS器件的性能发挥重要作用。
1. 表面电势（Surface Potential）：表面电势是指在MOS结构中，氧化层与半导体表面之间的电势差。
它是由施加在MOS结构上的外部电势以及表面电荷分布所决定的。
表面电势的大小直接影响着MOS的电流特性和阈值电压等参数。
2. 电荷密度（Charge Density）：电荷密度指的是氧化层与半导体表面之间的电荷量。
在MOS结构中，电荷密度主要来自于两个来源：表面电荷和体电荷。
表面电荷是指附着在氧化层和半导体表面接触区域的电荷，它可以通过施加电场控制或改变。
而体电荷则是分布在半导体体内的电荷，它对MOS结构的性能有着重要影响。
调控表面电势和电荷密度是MOS器件制造和操作的关键步骤。
通过改变MOS 结构中的电子流动和电荷分布，可以调整器件的工作状态和特性，实现对电流的控制和放大等功能。
因此，对于MOS器件设计和应用而言，理解和控制表面电势和电荷密度非常重要。
21-第六章-6.1-理想MOS结构的表面空间电荷区解析
Physics of Semiconductor Devices
抱负MOS构造的 外表空间电荷区
前言：
Physics of Semiconductor Devices
金属-氧化物-半导体场效应晶体管〔MOSFET〕是微处理 器、半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主 流器件，也是一种重要的功率器件。
Physics of Semiconductor Devices 在栅电压为0的条件下，假设漏、源之间加上电压UDS，则漏端PN结为反 偏，将只有很小的反偏PN结电流从漏极流到源极，但是假设栅极加上确定 的电压时，外表形成了沟道，它将漏区与源区连通，在UDS作用之下就消 逝明显的漏极电流，而且漏极电流的大小依靠于栅极电压。MOSFET的栅 极和半导体之间被氧化硅层阻隔，器件导通时只有从漏极经过沟道到源极 这一条电流通路。
MOSFET： Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor
Physics of Semiconductor Devices
场效应晶体管〔Field Effect Transistor，缩写为FET〕 是一种电压把握器件。
其导电过程主要涉及一种载流 子，故也称为“单极”晶体管。
S所分摊，即有：
Physics of Semiconductor Devices
V0
VG
S
空间电荷区半导 体内部边界
金属-氧比物和P型半导体的电位分布图
Physics of Semiconductor Devices
三 载流子的积存、耗尽和反型
空间电荷区静电势φ(x)的消逝转变了空间电荷区中的能带图。 依据VG极性和大小，有可能实现三种不同的外表状况：
7.2 表面空间电荷区的性质
第七讲7.2 表面空间电荷区的基本性质p00s s D 0p02()n k T qV E F qL k T p =±，p0r 00s S r 0s D 0p02()n k T qV Q E F qL k T p εεεε=-= ，p0s S 0p00r 0s p0S D0p0[exp()1][exp()1])n qV qVk T p k T C n qV L F k T p εε--++-=（，001p0p020p00p00()[11)]qV qVk T k T n n qV qV qV F e e k T p k T p k T-=+-+--，（当金属接正，即V S > 0 时，E S 取正， Q S 取负；当金属接负，即V S < 0 时，E S 取负， Q S 取正。
其中:MIS 结构P 型半导体表面空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面势的一般表达式V G < 0时，即V S < 0，且当和 足够大时，F 函数可以简化为：||s V G ||V p0s s0p00()exp()2n qV qV F k T p k T≈-，0s s D 02exp()2k T qVE qL k T=--rs 00ss D 02exp()2k T qV Q qL k Tεε=-rs 0ss 0Dexp()22qV C k T L εε=-所以：此时，E S 、Q S 、C S 随V S 按指数规律增大。
一、多子堆积状态V G = 0 时，V S = 0，故因此有 E S = 0 Q S = 0采用求极限的方法可以得到其中，，强电离时， N A = p p0，只要知道 N A ，可求出 L d ，便可求出表面的平带电容 C S0二、平带状态p0s 0p0()0n qV F k T p =，2rs 0s0D4C b acL εε=-1rs 002D 2p0()k T L q p εε=三、耗尽状态V G 为正，但不是很大 。
半导体器件物理习题集
= 1.05 × 10 − 4 cm
零偏压下的最大内建电场： ε m = −
qN d x n = −1.61 × 10 4 (V / cm) kε 0
九、平衡 PN 结是指没有外加电压、光照、辐射等并且在温度恒定条件下的 PN 结。设 想下图为 P 型和 N 型区分离时的能带图，请绘出它们构成 PN 结后在没有外加电 压的平衡情况下相应的能带图，图内应标出势垒高度、费米能级，并从费米能级 和载流子扩散与漂移的观点分析结空间电荷区的形成。
十一、 长 PN 结二极管处于正（反）偏压状态，列出求解其少子分布 p n ( x) 的扩散方程， 并参照下图给出相应的边界条件，画出少子分布示意图。令 P 侧外部接触坐标为 Wn 。
n p(x)
pn(x)
Pn0
np0
-xp
答：正偏
0
xn
x
在 N 型中性区，有 D p
d 2 p n p n − pn 0 − = 0 （1） τp dx 2
一、分别采用费米能级和载流子扩散与漂移的观点分析结空间电荷区的形成。 答：假设在形成结之前 N 型和 P 型材料在实体上是分离的。在 N 型材料中费米能级靠 近导带边缘，在 P 型材料中费米能级靠近价带边缘，当 P 型材料和 N 型材料被连接在 一起时，费米能级在热平衡时必定恒等，否则，就要流过电流。恒定费米能级的条件 是由电子从 N 型一边转移至 P 型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。电子和空穴的 转移在 N 型和 P 型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子 N d 立了两个电荷层即空间电荷区。 另一方面，也可以通过考虑载流子的扩散和漂移得到这种电荷分布。当把 N 型和 P 型材料放在一起时，由于在 P 型材料中有多得多的空穴，它们将向 N 型一边扩散。 与此同时，在 N 型一边的电子将沿着相反的方向扩散，即由 N 型区向 P 型区扩散。由 电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着 抵消载流子扩散趋势的方向在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动 相平衡， 电子和空穴的扩散与漂移在 N 型和 P 型各边分别留下未被补偿的施主离子 N d 和受主离子 N a 。结果建立了两个电荷层即空间电荷区。 二、PN 结有哪些主要的击穿机制，并简述其击穿机理。 答：齐纳击穿：齐纳提出在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价 电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，从而形成反向隧道电流。齐纳击穿 发生在低电压情况下，比如硅 PN 结低于 4 伏特情况下发生的击穿。 雪崩击穿：在高电压形成的高电强作用下，加速后的电子、空穴会与其它电子空 穴碰撞电离，从而不断产生更多的电子空穴对。对于高电压击穿的结，例如，在硅中 大于 6V 的击穿，雪崩机制是产生击穿的原因。 三、利用中性区电中性条件导出 PN 结空间电荷区内建电势差公式。
半导体器件物理实验报告格式[5篇模版]
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半导体器件物理实验报告格式[5篇模版]第一篇：半导体器件物理实验报告格式微电子学院《半导体器件实验》实验报告实验名称：作者姓名：作者学号：同作者：实验日期：实验报告应包含以下相关内容：实验名称：一、实验目的二、实验原理三、实验内容四、实验方法五、实验器材及注意事项六、实验数据与结果七、数据分析八、回答问题实验报告要求：1.使用实验报告用纸；2.每份报告不少于3页手写体，不含封皮和签字后的实验原始数据部分；3.必须加装实验报告封皮，本文中第一页内容，打印后填写相关信息。
4.实验报告格式为：封皮、内容和实验原始数据。
第二篇：半导体器件物理教学内容和要点教学内容和要点第一章半导体物理基础第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章 PN结第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）第二节加偏压的P-N结一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象第三节理想P-N结的直流电流-电压特性一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示 Fig2.12）第六节 I-V特性的温度依赖关系一、反向饱和电流和温度的关系二、I-V特性的温度依赖关系第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示 Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解τs三、阶跃恢复二极管基本理论第十节 P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系第四节爱拜耳斯-莫尔（Ebers-Moll）方程一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、hFE和ICE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，hfe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（WT），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB、τE、τC、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接π型等效电路一、参数：gm、gbe、CD 的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：td、tr、tf、ts三、解电荷控制方程求贮存时间ts第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12、§3.13、§3.14第四章金属—半导体结第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：gl gml gm CG二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节 JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型 N—沟耗尽型二、P—沟增强型 P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9 第六章金属-氧化物-场效应晶体管第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节 MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：gd gm rd二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节 MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型 N—沟耗尽型二、P—沟增强型 P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章太阳电池和光电二极管第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节太阳电池的I-V特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V公式，I-V曲线图（比较：根据电流分量写出I-V公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V公式五、RS对I-V特性的影响第四节太阳电池的效率一、计算 Vmp Imp Pm二、效率的概念η=FFVOCIL⨯100% Pin第五节光产生电流和收集效率一、“P在N上”结构，光照，GL=αΦOe-αx少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布三、计算光子收集效率：ηcol=JptJnGΦO讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8 第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节 LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节 LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率ηr、内量子效率ηi，逸出概率ηo、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽 FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-xPx LED三、GaN LED 第五节红外 LED 一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件第十章电荷转移器件第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节 MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD 第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用主要参考书目孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005第二次印刷。
n型半导体表面空间电荷区的四种基本状态
在n型半导体中，电子是多数载流子，带负电荷。
为了维持电中性，必须存在相反的电荷——空穴。
在半导体表面，由于少子浓度较高，这些少子将与空穴复合并产生离子对，这些离子对中的一部分将迁移到晶格位置，被晶格所捕获，形成空间电荷区。
n型半导体表面空间电荷区主要有四种基本状态：耗尽区、反型层、漂移区和扩散区。
1. 耗尽区：当外加电压很低时，漂移区中的电子浓度与空穴浓度相等，此时，空间电荷区保持一个稳定的势分布，形成耗尽区。
在此区域中，电场非常强，几乎阻止了载流子的扩散运动。
2. 反型层：当施加足够高的电压时，反型层形成。
此时，半导体表面少子浓度大于空穴浓度，少子会与空穴复合并产生离子对，其中一部分离子对将迁移到晶格位置形成反型层。
由于电子和空穴的迁移率不同，在强电场作用下，电子会受到较大的驱动力，形成电子的漂移运动。
3. 漂移区：漂移区是在外加电压作用下形成的。
当外加电压足够高时，电子将从半导体表面向一个方向漂移，形成强电场。
在这个区域中，由于载流子受到较大的电场力作用，其运动受到限制。
4. 扩散区：在n型半导体中，少子浓度随着深度的增加而降低。
当外加电压较低时，少子浓度较低，少子扩散速度也较慢。
在低电压下形成的空间电荷区主要处于扩散区。
在此区域中，少子浓度随时间而变化，导致少子浓度梯度形成电场。
这种电场加速了少子的扩散运动。
总的来说，n型半导体表面空间电荷区的作用是平衡半导体表面的电荷并限制电流流动。
通过控制空间电荷区的状态，我们可以实现电路中的各种功能。
此外，n型半导体空间电荷区的四种基本状态也会根据其不同的应用场景和参数进行变化和调整。
例如在肖特基势垒二极管和双极型晶体管等电子器件中都有应用。
需要注意的是，这四种基本状态是基于一般情况下的描述。
在实际应用中，空间电荷区的状态可能会受到温度、掺杂浓度、几何尺寸等多种因素的影响而发生变化。
因此，对于具体的应用场景和器件设计，需要结合实际情况进行具体分析和考虑。
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1. 载流子的积累
当紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓
度时，称为载流子积累。
当金属电极上加负电压时，在半导体表面形成负表面电势 S ， 表面空间电荷区中能带向上弯曲，由于费米能级EF保持常数， 能带向上弯曲使接近表面处有更大的Ei-EF，与体内相比，在表 面处有更高的空穴浓度和更低的电子浓度，使空穴在表面积累，
增加表面的电导率。
表面电荷为： QS q 0 [ p( x) p0 ]dx
xd
QS q [ p( x) p0 ]dx
0
xd
载流子积累
2. 载流子耗尽
当金属电极上施加正偏压VG时，表面势 S 为正，空间电荷区
中能带向下弯曲，准费米能级能级Ei靠近费米能级EF, (Ei –EF) 值减小，表面空穴浓度低于体内热平衡值，造成多数载流子空
因此：
即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，使得 整个表面空间电荷区中费米能级为常数。
ℰ0为SiO2层的内建电场，QM为金属极板上的电荷，则半导体
表面感应电荷为QS=－QM。在外电场的作用下，在半导体表面 形成具有相当厚度（μｍ）的空间电荷区，它对电场起到屏
蔽作用。空间电荷区的形成是由于自由载流子的过剩或欠缺
穴的耗尽，少数载流子电子有所增加。当由于平衡少子数目极
小，因此，少子数目仍然可以忽略。 空间电荷由没有空穴中和的、固定的受主离子构成。
理想MOS结构的 表面空间电荷区
1.结构与工作原理 2.半导体表面空间电荷区
3.载流子的积累、耗尽和反型
4.反型和强反型的条件
前言：
半导体器件的特性与半导体表面特征性质有特 别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的 今天，半导体器件的制造相当多是在很薄的一层 表面内完成的（几个微米甚至更小），因而，如 何有效控制和完善半导体的表面质量，从而进一 步利用半导体表面效应，可用来制造例如MOS（金 属 -氧化物-半导体）器件、 CCD （电荷耦合器件）、 LED （发光二极管）、 LCD （液晶显示）、半导体 激光等表面发光器件，以及太阳能电池等表面感 应器件。
表面势
空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到零，其 各点电势也要发生变化，这样表面相对体内就产生电势差，并伴随 能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差为表面势Ψ S。
一 结构
MOSFET结构示意图
源极、衬底和漏极构成两个背靠背的二极管。在不加栅压 时，只能有很小的反向饱和电流通过源漏极。当栅压足够 大时，栅极下面半导体会反型。
理想表面（清洁表面）
原子完全有规则排列所终止的一个平面。 表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形成共价键，
但由于表面价键处于所谓“悬挂键”的空置状态，其状
态极其不稳定，表面很容易吸附一些其他原子例如空气 中的氧原子而形成氧化层。
真实表面
用物理或化学方法形成的半导体表面，暴露在 空气中，存在氧化层或吸附其他原子。 表面存在“悬挂键”，对电子有受主的性质，存在 一些可以容纳电子的能量状态，称为“表面能级”或“ 表面态”。 表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准连续。
p 0 pi e
半导体表面层的载流子分布：
Ei ( x) Ei0 q ( x)
( Ei0 EF ) f q
p ( x) p0 e ( x ) / VT ps p0 e S / VT p0 pi e
f / VT
OR
p ( x ) ni e[f ( x )] / VT pS ni e
以及杂质能级上电子浓度的变化引起的。
电场 ℰ 从半导体表面到内部逐渐减弱，直到空间电荷区内边 界上基本全部被屏蔽而为零。则每个极板上的感应电荷与电场 之间满足如下关系：
QM QS 0 s sE
εsE：半导体表面电场
在空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体内之间产生电位 差，半导体表面的电势，称为表面势 S 。在加上电压VG时，外 加电压VG为跨越氧化层的电压V0和表面势 S 所分摊，即有：
n niLeabharlann e ( EF Ei ) / KT p pi e ( Ei EF ) / KT
p 0 pi e
Ei ( x) Ei0 q ( x)
半导体表面层的载流子分布：
( Ei0 EF ) f q
n( x) n0 e ( x ) / VT nS n0 e n0 ni e
S / VT
f / VT
OR
n( x ) ni e[ ( x ) f ] / VT nS ni e[S f ] / VT
n0 ni e
( E F Ei0 ) / KT ( Ei0 E F ) / KT
n ni e ( EF Ei ) / KT p pi e ( Ei EF ) / KT
Ei ( x) Ei0 q ( x)
在半导体表面处有：
n ni e ( EF Ei ) / KT p pi e ( Ei EF ) / KT
Ei s Ei0 qs
令：
( Ei0 EF ) 为半导体内的费米势 f q
可以得到：
n0 ni e
( E F Ei0 ) / KT ( Ei0 E F ) / KT
VG V0 S
金属-氧比物和P型半导体的电位分布图
VG V0 S
三 载流子的积累、耗尽和反型
空间电荷区静电势 ( x) 的出现改变了空间电荷区中的能带
图。根据VG极性和大小，有可能实现三种不同的表面情况：
① 载流子积累；
② 载流子耗尽；
③ 半导体表面反型。
设半导体体内本征费米能级为Ei0，则空间电荷区内：
衬底N型半导体－P型反型层－P沟道MOSFET 衬底P型半导体－N型反型层－N沟道MOSFET
反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电
子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本上不再增加。
二 半导体表面空间电荷区
理想MOS结构假设：
① 在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷 ② 金属和半导体之间的功函数差为零 ③ SiO2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过