半导体mis结构ppt

M
ECI
I
S
EC
EFm
Ei EFs EV EVI
半导体表面能带平直，无弯曲
3．多子耗尽状态 金/半间加正电压（金属接正）时，表面势Vs为正， 表面处能带向下弯曲，如图示。
EC Ei EF EV VG>0
多子耗尽
越近表面，费米能级离价带顶越远，价带中 空穴浓度随之降低。 表面处空穴浓度比体内低得多，表面层的负 电荷基本上等于电离受主杂质浓度。 表面层的这种状态称做耗尽。
少子 反型
Ei EF EV
反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还夹 着一层耗尽层。 此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成， 一是耗尽层中已电离的受主负电荷， 一是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区。
EC Ei EF EV
VG>>0
少子反型
通过解泊松方程 定量地求出表面层中电场强度和电势的 分布，以分析表面空间电荷层的性质。
0 0.4 通过它就能对MIS结构的c-v 特性进行研究
10-9 -0.4
VS(V)
归纳：
M
I
S
M I
ECI
S
VG<0
EC Ei EF EV
多子堆积
VG=0
EC
EFm EVI
Ei EFs EV
平带状态
EC Ei EF EV
EC Ei EF EV
VG>0
多子耗尽
VG>>0
少子反型
MIS的应用
MIS器件的功能主要决定于其中绝缘体层的厚度： （1）假若绝缘体层的厚度足够大（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大于5nm），则基本 上不导电，这时即为MIS电容器； （2）假若绝缘体层的厚度足够薄（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大约为1nm），则绝 缘体基本上不起阻挡导电的作用（阻抗极小），这时即为Schottky二极管； （3）假若绝缘体层的厚度不是很薄、也不是很厚（对于绝缘体层是SiO2层的情况，大约 为1nm～5nm），则这时载流子有较大的几率通过隧道效应而穿过绝缘体层，这种结构 的器件即称为MIS隧道二极管。 （二）MIS隧道器件： 由于MIS隧道二极管的独特性能，具有许多用途，现在已经发展成了一大族的器件（MIS隧 道器件），如MIS太阳电池、MIS开关管、MIM隧道二极管、MIMIM隧道晶体管等 。
EC Ei EF EV
VG>0
多子耗尽
4．少子反型状态 金/半间的正电压进一步增大，表面处能带进 一步向下弯曲。 表面处EF超过Ei，费米能级离导带底比离价 带顶更近。 EC
Ei EF EV VG>0
少子反型
表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原 来半导体衬底导电类型相反的层---反型层。
EC
VG>>0
M I S
VG<0
EC Ei EF EV E
多子堆积
热平衡下，费米能级应保持定值。 随着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过 费米能级，价带中空穴浓度随之增加。 表面层出现空穴堆积而带正电荷。 越接近表面空穴浓度越高，堆积的空穴分布在 最靠近表面的薄层内。
M I S
VG<0
EC Ei EF EV
2 .平带状态 VG=0
Si Si
Si
Si
Si Si
悬挂键的存在，表面可 与体内交换电子和空穴 获得电子—带负电 获得空穴—带正电
硅表面悬挂键示意图
硅表面原子密度∽1015cm-2,悬挂键密度也应为∽ 1015cm-2
表面缺陷和吸附原子 除了上述表面态外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子 等原因引起的表面态。 这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法 有关；而达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值 大约为1015cm-2(每个表面原子对应禁带中的一个能级)，实际 上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010～ 1015cm-2 。
半导体表面态 与 表面电场效应
————贾鹏飞
表面态
一、表面的特殊性
表面处晶体的周期场中断；
表面往往易受到损伤、氧化和沾污，从而影响器件的稳定性； 表面往往要特殊保护措施，如钝化
表面是器件制备的基础，如MOSFET等
表面态定义 达姆在1932年用量子力学严格证明，晶体的自 由表面的存在，使得周期性势场在表面处发生 中断，引起附加能级，电子被局域在表面附近， 这种电子状态称为表面态，所对应的能级为表 面能级。每个表面原子对应一个能级，组成表 面能带。
M O
S
表面电场效应
如图装置是MIS结构。
(Metal-Insulator-Semiconductor)
中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金/半间加电压时即 可产生表面电场。
结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒子，界面态等）
VG
金属 绝缘层 半导体 欧姆接触
C0 Cs
MIS结构示意图
εrs半导体相对介电常数，(x)总空间电荷密度
半导体内部，电中性条件成立(x)=0 np0: 半导体体内平衡电子浓度 Pp0:半导体体内平衡空穴浓度
根据上式经过数学的变换推导就可以 得出 和
F函数
就可以做出Cs和Vs图像
(c/cm2)
10-5
积累
来自百度文库
强反型
这是以P型半导体为例 做出的图像
平带 耗尽 弱反型
谢谢！
理想一维晶体表面态
薛定谔方程为 2 d 2 V0 E 2 2m0 dx
d 2 V ( x) E 2 2m0 dx
2
( x 0) ( x 0)
E<V0
V(x)
V0
E
0
V ( x a ) V ( x)
a
x
第一组解：等同于一维无限周期场的解 第二组解：对应于表面态
三、真实表面 1.清洁表面： 在超高真空(UHV) (～10-9Torr)环境中解理 晶体，可以在短时间内获得清洁表面，但与 理想表面不同：解理后的表面易形成再构
2.真实表面 自然氧化层（~ nm）－大部分悬挂键被饱 和，使表面态密度降低 表面态密度1010~1012cm-2（施主型、受主型）
3.界面
绝缘层
空间电荷层及表面势
VG=0时，理想MIS结构的能带图
ECI
金属 绝缘层 半导体 欧姆接触
M I S
EC
EFm
Ei EFs EV EVI
M
+
I
S
VG>0时，
+
+ +
0
d
MIS结构实际是一个电容
金属 绝缘层 半导体 欧姆接触
Qm Qs
EC EF EV
加电压后，金属和半导体两个面内要充电(Qm=Qs) 金属中，自由电子密度高，电荷分布在一 个原子层的厚度范围之内
半导体中，自由载流子密度低，对应Qs的电荷 分布在一定厚度的表面层，这个带电的表面层 叫空间电荷区
VG>0时，MIS结构的能带图 空间电荷区能带发生弯曲
qVS
EC
EF EV
M
+
I -
S 0 d
+
+ +
0
d
空间电荷区内： 1)空间电场逐渐减弱 2)电势随距离逐渐变化
能带弯曲
表面势(Vs)：空间电荷区两端的电势差 表面电势比内部高，VS>0; 表面电势低于内部，VS<0
qVS Qm Vs Qs ↓ ↑ 能带弯曲
EC EF EV
+ + - - +
电子能量增加
空穴能量增加 0 d
随金属和半导体间所加电压VG（栅电压）的不同，空间电荷区内 电荷分布可归纳为以下几种(以p型半导体为例)： 堆积
金属
绝缘层 半导体 欧姆接触
平带
耗尽 少数反型
1．多数载流子堆积状态
金属与半导体间加负电压（金属接负）时， 表面势为负，表面处能带上弯，如图示。
掺杂不同－Si pn(同质结)、不同半导体－异质结 金半接触－肖特基接触 晶粒间界－多晶结构 金属－氧化物－半导体－MOSFET
半导体表面效应支配着大部分半导体器件的特性。 MOS（金属—氧化物—半导体）器件 电荷耦合器件CCD 表面发光器件等利用半导体表面效应 半导体表面研究，半导体表面理论发展，对改善器件 性能，提高器件稳定性，探索新型器件等具有重要意义。
x ( x 0)
2 ( x) A1uk ( x)e e
ik ' x k '' x
( x 0)
在表面x=0两边，波函数指数衰减，说明电子分布 几率主要集中在x=0处，即电子被局限在表面附近
每个表面原子对应禁带中一个表面能级，这些能 级组成表面能带。
从化学键方面分析，在晶体最外层的原子存在未 配对的电子，即未饱和的键－－悬挂键，与之对 应的电子能态就是表面态。
2m0 (V0 E ) 1 ( x) A exp
' ''
1
2
x ( x 0)
2 ( x) A1uk ( x)eik x e k x ( x 0)
1 2m0 (V0 E ) 2 1 ( x) A exp
MIS结构的等效电路
金属
现在理想情况 半导体 假设MIS结构满足以下条件： 欧姆接触 （1）金属与半导体功函数差为0； （2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电； （3）绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。 讨论理想MIS结构金/O/半间加电压产生垂直于表面 的电场时，半导本表面层内的电势及电荷分布情况。