半导体物理半导体表面与MIS结构总结

§8.2 表面电场效应
• 多子积累状态 • 耗尽状态 • 反型状态
理想MIS结构的四个要求：
（1） 金属和半导体不存在功函数差，即：Wm=Ws ； （2）绝缘层内无电荷：QI =0，且绝缘层不导电：IL=0； （3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态Qss=0; （4）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。
绝缘层
VG 金属栅电极
半导体
VG
C0 Cs
MIS结构
等效电路
金属
半导体
Ec
EF EV
表面电荷层
MIS结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附 近形成的电荷区称为表面电荷层。 在表面电荷层内，从表面到内部电场逐渐减弱，到另一端场强 减小到零。
表面势(Vs)
半导体表面电荷层两端的电势差称为表面势。 规定：表面电势比体内高时，Vs取正值；
C0
半导体
Cs
MIS结构
等效电路
VG V0 Vs
C 1 11 C0 Cs
Ci

ri 0
d0
Cs

dQs dVs
理想的MIS结构的电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联。
§8.3.2 功函数对C-V特性的影响
§8.3.3 绝缘层中电荷对C-V特性的影响
在实际的MIS结构中，其绝缘层中存在有电荷（通常为正电荷），存在的 电荷必然对MIS结构的C-V特性产生影响，使半导体表面能带发生弯曲，同 样引起C-V曲线沿电压轴平移。 为了恢复平带状态，必须在MIS结构上加一定的偏压。
半导体内电场强度 E dV 1 dEc (x) 1 Ei (x) 0
dx q dx q dx
金属表面处 堆积的电子
由空穴浓度
p

ni
exp

Ei
EFs kT

得知，随着表面处的Ei相对于 内部上升则表面处的空穴浓度 亦随之升高，称此时P型半导体 空穴发生堆积现象。
半导体表面处堆积的空穴
空穴随 位置分布
（2）多数载流子耗尽状态
P型半导体
qVG

Qm
xd
Qs
VG>0
EC EEiFs EV
x
特征 （1）表面能带向下弯曲；（2）表面上的多子浓度远少
于体内，基本上耗尽，表面带负电。
p

ni
exp

Ei
EFs kT

在表面处 Ei低于半导体
内部值
EFm
§8.3 MIS结构的电容-电压特性
§8.3.1 理想MIS结构的电容-电压特性
1.理想情况即假设：
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⑴ 不考虑功函数的影响；
⑵ 忽略绝缘层中的电荷；
⑶ 忽略表面态的影响；
⑷ 假定绝缘层完全不导电。
讨论MIS结构的C-V特性时，都以单位表面积的电容为准，
以P型半导体为例。
VG
VG
金属栅电极
绝缘层
表面电势比体内低时，Vs取负值。
理想MIS系统定性分析 （以P类型为例）
- 堆积、耗尽、反型
VB VB为费米电势，决定半导体的类型及程度
（1）多数载流子堆积状态
P型半导体
EFm
qVG

Qs Qm
VG<0
EC EEiFs EV
特征 （1）能带向上弯曲并接近EF；（2）多子在半导体表面积
累，越接近半导体表面多子浓度越高。
表面能级：与表面态相应的能级称为表面能级。分布在禁带内的表面能级， 彼此靠得很近，形成准连续的分布。
对于理想表面的问题求解，需要建立薛定谔方程，利用具 体的边界条件对波函数加以求解。
对于硅表面态：表面最外层每个硅原子有一个未配对电子， 有一个未饱和键，称为悬挂键，由于每平方厘米表面有 1015个原子，相应悬挂键亦有1015个，这与实验测量值在量 级上相符合。
表、界面的定义
表、界面是指由一个相到另一个相的过渡区域。 表、界面通常可以分为以下五类：
固—气、液—气、固—液、液—液、固—固 气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表、界面。 习惯上把凝聚相与气相之间的分界面（固—气、液—气）
称为表面，而把凝聚相之间的分界面（固—液、液—液、 固—固）称为界面。
（3）少数载流子反型状态
P型半导体

Qm
xdm Qn
VG>>0
EC EEiFs EV
x
特征
（1）Ei与EF在表面处相交；（2）表面区的少子数大于 （多1子）数表—面—能表带面向反下型弯；曲（；3（）2反）型表层面和上半的导多体子内浓部度之远间少
于还体夹内着，一基层本耗上 尽耗层尽。，表面带负电。
在强反型条件下 此时，半导体空间电荷层处于临界强反型。
对于表面能级，和半导体内部杂质和缺陷能级相类似，也 分为施主类型和受主类型，但对于其在禁带中的分布，目 前还没有得出一致结论。
半导体表面态为施主态时，向导带提供电子后变成正电 荷，表面带正电；若表面态为受主态，可以获得电子，表 面带负电。
表面附近可移动电荷会重新分布，形成空间电荷区和表 面势（Vs），而使表面层中的能带发生变化。
物理表面
物理表面
材料表面
§8.1 表面态
理想表面：表面层中原子排列有序、对称与体内原子完全相同，且表面不 附着任何原子或分子的半无限晶体表面。
实际表面： 往往存在氧化膜或附着其他分子或原子，这使得表面分析更加 复杂难以弄清楚。
表面态：晶格周期性在表面处中断或其它因素而引起的局（定）域在表面 附近的电子状态。理想表面上形成的表面态称为达姆表面态。
（4）P型半导体的堆积、耗尽、反型
金属与半导体间加负压， 多子堆积。
金属与半导体间加不太高的正压， 多子耗尽。
金属与半导体间加高正压， 少子反型。
理想MIS结构的定量分析
- 表面空间电荷层的电场、电势及电容
Vs=2VB时，金属板上加的电压习惯上称作开启电压，用VT表示。
当反型层的厚度小到与电子的德布罗意波长相比拟时，反型电子处于量子阱中。 此时反型电子沿垂直界面方向的运动发生了量子化，对应的电子能级发生分裂， 形成不连续的电子能级，但电子沿平行于界面方向的运动则不受约束。把这种电 子称为二维电子气。
第八章半导体表面与MIS结构
半导体表面问题在微电子技术的科学实验和生产实践中越 来越显得关键和重要，其原因有三点： 1、半导体表面的状态可以严重地影响半导体器件的性能， 特别是影响器件的稳定性和可靠性。 2、利用半导体表面特有的效应研制出了许多非常重要的新 器件，例如MOS器件，CCD器件等。 3、随着微电子制造技术的进步，薄膜型器件不断涌现，在 薄膜型器件中，表面效应及表面性质起着决定性的作用。