第7章-2_清华大学半导体物理与器件

讨论功函数差

、氧化层中的电荷以及界面态对C -V 特性的影响。

§7.3 实际MOS 结构的C -V 特性

7.4.1 功函数差的影响

实际MOS 结构，W m ≠W s ，

例如Al 和p-Si ：

W Al = 4.2eV ，W p-Si > (χ+E g /2)

( χSi = 4.05eV ，E g /2 = 0.56eV )

即W m < W s 。接触前

考虑

Al 和p-Si MOS 结构，虽然金属和半导体之间无直流通路，但在测量时，金属和半导体通过外电路连接。

W m < W s ，接触后电子将怎样流动？

接触前

电子由金属流向半导体，结果：

金属表面带正电；电位升高；

E Fm 下降；

半导体表面带负电；电位降

低；E F 上升。

(1) 理想曲线

(2) V ms>0的实际曲线

7.4.2 氧化层中电荷的影响

氧化层中存在正电荷(固定、可动)。

考虑SiO

中x处有一薄层正电荷

2

Q i。Q i在金属表面和半导体表面感

< 0 。

应负电荷，即半导体表面Q

sc

半导体表面空间电荷区电场为+x方

> 0，表面能带弯曲。向，表面势V

s

氧化层中存在电荷时，即使

V g=0，半导体表面也不是平带。

为使半导体表面恢复平带，需要

加栅压V

=V FB，使Q sc=0。

g

Q i> 0，V FB< 0

V g=V FB2，Q sc=0，半导体表面恢复平带

V

=0，Q i对FB2

> 0）。i

为界面态作为独立电子系统（即界面

为半导体作为独立电

一、界面态对平带电压的影响E Fit 0 > E F 0，电子由界面态流向半导体表面能带。界面态：+Q it 、电位↑、E Fit ↓;半导体：−Q sc 、电位↓、E F ↑。热平衡：E fit = E F

V g =0，半导体表面不是平带。

二、界面态对栅压的屏蔽作用

界面态不仅仅影响平带电压，在C -V 曲线扫描过程中，V g 改变，V s 改变，E F 相对于界面态能级的位置改变，Q it 改变。以p 型衬底MOS 结构为例，当V g （即V s ）由负到正变化时，Q it 由正变为负：

V s < 0V s = 0 (平带)V s > 0

左上图为只考虑界面态对栅压的屏蔽作用的C -V 曲线。右上图为考虑了V ms 、Q i 和Q it 的C -V 曲线。

单一能级界面态，且态密度很大的情形：

假设界面态为单一施主能级E = E

dit （左下图），

N it(E=E Dit)很大，N it(E≠E Dit)=0。C-V曲线如右下图。

界面态电容的充、放电是通过和半导体表面能带交换电子来实现的。不同能级的充放电时间常数不同（带边快，带中央慢）。

C it 取决于测试频率：

高频，C it =0；

低频，C it 和C s 并联，C 将增大。

由高、低频C -V 联合测量，求界面态分布N it (E )。（不同外加电压下比较电容，求出C it ）

功函数差、氧化层电荷、界面态对栅压的屏蔽作用•以上三种因素都会对MOS结构的平带电压产生影响，实际上可以理解成对栅压控制半导体表面状态的一种干扰。

•功函数差和氧化层电荷对栅压的屏蔽和外加栅压无关；界面态对栅压的屏蔽作用是和栅压有关的，表现为C-V曲线形状的畸变。

•这种干扰表现为对MOS器件的开启和关断状态的影响，因此，要尽可能避免这种干扰，如果不能完全避免，也要在设计和制造过程中考虑这些因素的作用。另一方面，也可以利用这种屏蔽作用构造新器件。

§7.8 半导体表面和界面参数测量

7.8.1 氧化层中可动电荷和固定电荷的测量

采用偏压-温度处理（简称BT 处理）方法求SiO 2层中可动电荷面密度N m 和固定电荷面密度N f 。 测量高频C -V 曲线，求d i 和N A (N D )； 作−BT 处理，之后测量C -V 曲线，由C FB 确定V FB −； 作+BT 处理，之后测量C -V 曲线，由C FB 确定V FB +； 数据处理.

偏压：V g = ±(106V/cm ×d i )；

温度：T =150 ∼200℃；

时间：t = 5 ∼10分钟。

实验条件：

实验步骤：

如何确定平带电压？是否一定要确定平带电压？

作业：7.2 7.6 7.7