半导体物理学第八章..

QdM eN AdM
表面反型
③

一维电子势阱中的2DEG ♦当VS >2VB , 半导体表面出现反型层(MOS 器件中称为沟道), 即电子势阱 ♦当势阱宽度足够窄,势阱中的电子即称为 一维电子势阱中的2DEG: 势阱中的电子在平行于界面(势阱壁) 方向的运动, 可视作二维准自由电子的运 动; 在垂直于界面(势阱壁)方向的运动, 必 须考虑量子效应--能量量子化.

①
②
②表面耗尽: ♦ i>0 , VS >0 , 能带下弯, QSC <0 • 当 0< VS <2VB ,可应用耗尽层近似 其中, eVB = (Ei-EF)p
♦此时, -ρ(x)=eNA , 泊松方程为:
dV ( x) eN A = = 2 dx r 0 r 0
2
♦解泊松方程, 得到:
MIS电容-2

积累态:
K o 0 AG C Co x0 CoCs Co C Co Cs 1 K oW K s x0

耗尽态:
MIS电容-3

反型
实验结果
深耗尽

从耗尽扫描到反型时, 需要少子
★ 几种典型情况
以p型半导体表面为例 ①表面积累(多数载流子堆积状态): ♦ 当i <0 ,表面空穴积累, QSC>0 能带上弯, VS <0 ♦ 空穴积累于靠近表面的薄层, 且随表面 势数值的增加而迅速增加. ♦ CSC很大
空间电荷区: 半导体中呈现非电中性(出现 静电荷)的区域 表面空间电荷区起因: 屏蔽外界影响产生 的电场 [外电场; 表面态; 表面原子吸附或薄层覆盖; 界面] 特点: 表面空间电荷区中存在电场, 能带发 生弯曲. 表面势VS—半导体表面相对于体内的电势值


定性图象: 设半导体表面外有电场i (或写作Vg，栅压， 以指向半导体表面为正).
半导体
i >0 (VS >0)
i <0 (VS <0)
表面耗尽, 表面反型
n型 电子积累
p型 表面耗尽, 表面反型
空穴积累
p型 i >0 (VS >0)

对表面空间电荷区的一般讨论: 解泊松方程 (空间电荷区中电势满足的方 程) 2
dV ( x) = 2 dx r 0
D
其中
① ②
③
③
①
②
图8-6
④表面平带状态:
♦ VS =0, QSC =0, 但 CSC≠ 0 ♦ 泊松方程: 2 2
e pb dV = V ( x ) 2 dx r 0 kT
2 rs 0 kT LD 2 e NA
♦ 方程的解为:
V VS e
2x LD
♦ 平带电容
CFBS
dQSC dVS
半导体物理学
一．半导体中的电子状态
二．半导体中杂质和缺陷能级
三．半导体中载流子的统计Байду номын сангаас布
四．半导体的导电性
五．非平衡载流子 六．pn结 七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构
第8章 半导体表面与MIS结构
8.1表面态 8.2表面电场效应 8.3MIS结构的电容一电压特性 8.4硅一二氧化硅系统的性质 8.5表面电导及迁移率 8.6表面电场对pn结特性的影响
理想MOS结构的能带图


热平衡情形能带结构： 1）三种材料接触构成MOS结构，在热平衡情况下Ef = 常数，正如schottky接触或P-N结二极管。 2）通过SiO2的电流为0，因此，MOS结构由靠自身结 构首先由非平衡达到平衡的过程将非常漫长，或者需 要通过辅助的导电路径，实现热平衡。 理想MOS的平衡能带图 对于MOS结构，重要的 是了解不同偏置电压下的 能带结构和电荷分布情形
( x) e(n p) e( p n)
A

求解方程, 可得到表面空间电荷层的基本 参数: ♦表面电场强度 Es(Vs) ♦表面空间电荷面密度 Qsc(Vs)
QSC rs 0 ES
♦单位面积的 空间电荷层电容 Csc(Vs)

QSC CS VS
应用C-V特性研究表面空间电荷层
MIS结构
MIS结构

理想情况
– 金属与半导体间功函数差为零
– 绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电 – 绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态
能带图
能带图-1
无偏压时MOS 结构中由于功 函数差引起的 表面能带弯曲
•
偏压时MOS结构表面能带弯曲
过渡区：平带？
外加偏置
Flat Band
★ 表面空间电荷层
我们将直接讨论各种典型情况下的空间电 荷区,给出半定量或定性的结果: ♦ 当外加电场i变化(外加电压变化),表面势 VS (表面空间电荷层)随之变化

♦ 讨论表面空间电荷面密度QSC和空间电荷 层电容(单位面积) CSC随表面势VS的变化
MIS电容：P型半导体
0

MIS电容

电容的定义:
d
2 rs 0 VS eN A
QSC eN Ad
Csc
rs 0
d
图8-7
③表面反型(强反型): ♦当VS =2VB 耗尽层宽度达到最大
4 rs 0 d dM VB eN A
♦ i 继续增加, VS >2VB, 表面nS>pB
QSC Qn +QdM ,
♦ CSC很大

理想MOS结构的定义

首先讨论p-Si作为衬底的理想的MOS结构。所 谓理想的MOS结构满足如下一些条件： 金属与半导体的功函数相同，即： φM = φS ♦ Vms=0 氧化层是理想的绝缘体，即电阻率无穷大，没 有体电荷和缺陷态存在； ♦ Qox=0 氧化层与半导体Si界面是理想的界面，即没有 界面电荷和界面态存在； 金属与氧化层界面是理想的界面，没有界面缺 陷存在。 ♦ Qss=0
VS 0
2 rs 0 LD
♦ 德拜长度
2 rs 0 kT LD e2 N A

对半导体表面空间电荷区电容的小结: ♦ 表面积累, CSC很大
♦ 表面耗尽
CSC
rs 0
d
♦ 表面反型, CSC很大
♦ 表面平带
CSC CFBS
2 rs 0 LD
理想MOS结构
金属-氧化物(SiO2)-半导体(Si) （MOS）结构是 主流半导体器件CMOS的重要组成部分， 典型 的结构如Al/SiO2/p-Si， 其基本的能带结构参数如下图所示。