第7章 半导体表面与MIS结构2011

西安理工大学电子工程系 马剑平
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1、理想一维晶体表面模型及其解
2 2m0
d 2
dx
V0
E
(x 0)
2 d 2 V (x) E (x 0)
2m0 dx
一维半无限晶体的周期性势场模型
x＝0处为晶体表面；
x≥0的区域为晶体内部，其中有一个以a为周期随x变化的
周期势场V(x)；
x≤0的区域表示晶体之外，其中的势能V0为一常数，这相 当于一个深度为V0的势阱。
其波函数在x=0的两边按指数衰减。表明占据这一附加能级的电
子主要集中在x＝0处，即电子被局限在表面上。
2 d 2 V (x) E
2m0 dx
(x 0)
V(x)作为一个周期势场， 满足V(x+a)=V(x)的关系。
2 (x) A1uk (x)ei2kxe2kx
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2020年8月5日星期三
晶体所固有的的三维平移对称性在表面层中受 到破坏，现在许多实验观察到在超高真空下共 价半导体的表面发生再构现象，形成新的具有 沿表面二维平移对称性的原子排列结构。
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达姆表面能级
1932年，达姆首先提出：晶体自由表面 的存在使周期性势场在表面处发生中断, 引起附加能级。这种能级称为达姆表面 能级。
表面态会加速非平衡载流子的复合，会改变半导体的 功函数,从而影响材料和金属-半导体接触的性能。但 另一方面我们也看到，外加电压能通过金属-半导体 接触改变半导体表面的电场，使表面附近的能带发生 不同程度的弯曲。以后我们会知道，利用这样的表面 电场效应可以做成各种各样的器件。
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达姆证明了半无限Kronig-Penney模型在 一定条件下,每个表面原子在禁带中对应 一个表面能级。在三维晶体中仍如此,即 每个表面原子对应禁带中一个表面能级, 这些表面能级组成表面能带。
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悬挂键与表面态
表面态的概念还可以从 化学键方面来说明。每 个表面原子由于晶格的 突然终止而存在未饱和 的悬挂键，与之对应的 能态就是表面态。
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对能量E＜V0的电子
1.在晶体外部，电子波函数集中在x＝0的表面处，随着离开表 面距离的增加，波函数按照指数形式衰减。
2 2m0
d 2
dx
V0
E
(x 0)
1(x) A exp[
2m0 (V0
E)
x]
2.在晶体内部,一维半无限周期场中存在波数k取复数的电子状态，
第七章 半导体表面与MIS结构
7.1 半导体表面与表面态 7.2 表面电场效应与MIS结构 7.3 MIS结构的电容电压特性 7.4 表面电导与表面迁移率
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第七章 半导体表面与MIS结构
7.1 半导体表面与表面态 7.1.1 理想一维晶体模型及其解 7.1.2 实际半导体表面 7.1.3 Si-SiO2系统
由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和 空穴，从而使表面带电。这些带电电荷可以排 斥表面层中相同的电荷使之成为耗尽层甚至变 成反型层。
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2 三维理想晶体的表面态
理想模型的实际意义在于证明了三维理想晶体的表面上每个原子都 会在禁带中产生一个附加能级 大多数结晶半导体的原子密度在1022cm-3量级.按此推算,单位面积表 面的表面态数应在1015量级. 数目如此巨大的表面能级实际已构成了 一个能带。 表面态本质上与表面原子的未饱和键,即悬挂键有关. 表面取向不同，其悬挂键的密度亦有所不同。表面态亦有施主和受 主之分。 通常将空态呈中性而被电子占据后带负电的表面态称为受主型表面 态;将空态带正电而被电子占据后呈中性的表面态称为施主型表面态 表面态能够与体内交换电子或空穴,引起半导体表面能带的弯曲,产 生耗尽层甚至反型层.当外加偏压使半导体表面电势发生变化时,表 面态中的电荷分布也随之变化,即表面态随外加偏压的变化而充放电
M
+
++
+
+
O 在Si-SiO2系统中存在着 以下四种基本形式的
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7.1.2 实际半导体表面
“理想表面” 就是指表面层中原子排列的对称性与体内原 子完全相同，且不附着任何原子或分子。这种 理想表面实际上并不存在。 表面重构 理想表面的悬键密度很高，而悬键的形成能又 比较大(对Si约为2eV)。所以,从能量的角度看, 表面原子倾向于通过应变, 即通过原子排列的 变通尽可能使悬键密度降低。表面物理学中将 这种情况称为表面重构。
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7.1.1 理想一维晶体模型及其解
由于晶格的不完整性使势场的周期性受到 破坏时,则在禁带中产生附加能级。
由于晶格缺陷或吸附原子等原因也可以引 起表面态,这种表面态与表面处理工艺密 切相关。
表面态对半导体的各种物理过程有着重要 影响,特别是对许多半导体器件的性能影 响更大。
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除了表面钝化常常在Si器件表面生长或淀积 一层SiO2之外,作为产生场效应的一个重要手 段，Si-SiO2系统还是MOS(金属-氧化物-半导 体)型硅场效应器件的主要构成元素。
一、Si-SiO2系统中的电荷和能量状态 二、Si-SiO2系统的优化处理
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一、 Si-SiO2系统中的电荷和能量状态
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表面态 表面能级
在一维半无限周期场中存在波数k取复数的电 子状态，其波函数在x=0的两边按指数衰减。 这表明占据这一附加能级的电子主要集中在x ＝0处，即电子被局限在表面上。因此，这种 电子状态被称作表面态，对应的能级称为表面 能级，亦称达姆能级。
表面态的存在是肖克莱等首从实验上发现的。
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Si晶体的重构表面(a)和无重构表面(b)模型
受降低表面自由能这个自然法则的驱使，表面重构使 硅晶体实际表面的原子排列比理想表面复杂得多，但 带悬键的原子密度大为降低; 吸附原子或分子也是自 由表面为了降低悬键密度、降低表面能量的一种本能
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7.1.3 Si-SiO2系统