半导体表面与MIS结构课件.ppt

1、李德昌李德昌理想理想MIS结构：结构：（1 1）WWm m=W=Ws s；（2 2）绝缘层内无电荷）绝缘层内无电荷, ,且绝缘层不导电；且绝缘层不导电；（3 3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态。）绝缘层与半导体界面处不存在界面态。7.1 7.1 表表 面面 电电 场场 效效 应应第八篇 半导体表面与MIS结构Semiconductor surface and matal-insulator- semiconductor structureCoCsMIS结构等效电路VG=0时,理想MIS结构的能带图Ev1Ec1EiEvEcEFsEFm如果VG0:dx0+VGp型半导体表面感生一个荷负电的空间电

2、荷层空间电荷层内的能带发生弯曲qVsEcEvEFn1）能带向上弯曲并接近EF；EFmEFsEcEvEiQsQmxn2）多子（空 穴）在半导 体表面积累 ，越接近半 导体表面多 子浓度越高。1、空间电荷层及表面势 半导体表面能带平直。V VG G=0=0EFmEFsEcEvEi1 1）表面能带向下弯曲；mQEFmEFsEcEvEiVG0QmQsx2 2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。n1 1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；FsEmFEiEcEvExsQmQ0VGn2 2）表面区的少子数多子数表面反型；3 3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。2、的电容效应

3、VG=Vs+Vo (2) 3C00oomrVQd而 4smsdVdQC 1GmdVdQC因为GmdVdQC 故osmdVdVdQmomsdQdVdQdV1soC1C11 4C1C11soC所以 1022rsxdxVdxV满足的电势半导体的空间电荷层中0V半导体体内 2ppADnppnqx而 4000000TkxqVppTkxqVpTkExqVEcpepxpeneNxnFc在空间电荷层中 5110000TkxqVpTkxqVpenepqx则 300ppnnAD假设 611150000022TkxqVpTkxqVprsenepqdxVd代入到方程 711220000000220200TkxqVep

4、nTkxqVeTkpqqTkETkxqVppTkxqVrsp 并积分式两边同乘以在dV6 820000ppDpnTkxqVFqLTkE则 函数德拜长度令FTkxqVepnTkxqVepnTkxqVFpqTkLTkxqVppTkxqVppprsD1120000000020000号时取当号时取当00VV1011200000000mFpnTkqVFepneLppsTkqVppTkqVDrsss的变化跟得上假定ssVQsssVQC在低频情况的微分电容EQsrs0根据高斯定律 9200000ppDrspnTkxqVFqLTk TkqVDrssTkqVDrssTkqVDsssseLCeqLTkQeqLTk

5、E0002020020221098三式将之分别代入 TkqVppsepnTkxqVF0000这时（1）多子积累时：Vs0讨论：/Qs/Vs21110000000ppTkqVppTkqVDrsspnepneLCss时在0sVTkqVeTkqV010 中的代入sC10(2)平带：Vs=0 0000pppnTkxqVF这时00ssQE所以00012ppDrsFBspnLC平带电容（000ppspnTkqVF这时TkqVs0 210021002101222121TkqVLCVqTkLQVqTkLEsDrsssDrsssDs所以00ddxxxxddxdVVx 处在耗尽层dAsdrssrsdAdsxqNQ

6、xCxxqNxxVV0022则xdqVsqqEEVFiB费米势qVBqVsBsVV 表面反型时BsVV2表面强反型时根据Boltzmann统计：TkqViTkqVipBsenenp0020ApNp0而iABnNqTkVln0所以开启电压开启电压VT：使半导体表面达到强反型时加在金属电极上的栅电压就是.iA0OsnNlnqTk2CQBosBiT2VCQV2VViAsiAsnNqTkVnNqTkVln2ln00表面强反型条件为表面反型条件为因此临界强反型时：TkqVs0BArsssDsVqNQTkqVqLTkE00042所以TkqVpnTkqVFspps0000强反型后： Vs VB ，且qVsk

7、0T TkqVppppsepnpnTkxqVF0200000iAA20rs0dmd0psD0rsss0rs0Tk2qV0p0pD0rs0s0rs0sTk2qV0p0pD0snNlnNqTk4xxpnLCnTk2epnqLTk2QTk2nepnqLTk2E0s0s所以（1）、多子积累时：（1）当/Vs/较大时，有C Co半导体从内部到表面可视为导通状态；TkqVorsDooseLCCC0211C/Co（2）当/Vs/较小时，有C/Co1。(2)平带状态n特征：特征：归一化电容与衬归一化电容与衬底掺杂浓度底掺杂浓度N NA A和绝缘层和绝缘层厚度厚度d do o有关。有关。2o20ororsroo

8、FBdNqTk11CCAFBCnd do o 绝缘层厚度绝缘层厚度（3）耗尽状态qpVdCCpsrsorsroo00211GorooprsrooprssVqdpdqpV422122220000sDrsssossoGVqTkLQVCQVVV002利用半导体的相对介电常数绝缘层的相对介电常数rsroApNp0同时利用22211oArsGoroodqNVCC则（A、低频时111000ssVTkqVpporoDrooepndLCC化复合跟得上小信号的变少子的产生oCC 即B、高频时dmorsssxCCMISmin电容没有贡献反型层电荷对orsdmroodxCC11min所以iAAorsorsronNN

9、Tkdqln2110n（1）半导体材料及绝缘层材料一定）半导体材料及绝缘层材料一定n 时，时，C-V特性将随特性将随do及及NA而而n 变化；变化；n（2）C-V特性与频率有关特性与频率有关3、金属与半导体功函数差Wms 对MIS结构C-V特性的影响n例：当Wm00W Wm m-W-Ws s =q=q（V Vmsms+V+Vi i）qVqVmsms例：WmWs的情况。如何恢复平带状况？如何恢复平带状况？VG=-Vms加上负栅压加上负栅压使能带恢复平直的栅电压C CFBFBV VFB1FB1平带电压平带电压V VFB1FB1qWWVVsmmsFB1氧化物陷阱电荷快界面态固定电荷可动电荷绝缘层电荷

10、分类4、绝缘层电荷对MIS 结构C-V特性的影响（1A）假设在SiO2中距离金属- SiO2界面x处有一层正电荷金属SiO2半导体do讨论：恢复平带的方法：半导体绝缘层金属doVG0ooFB2CdxQ-V所以x E-VFB2EQoro因oroFB2xQ-V则ooroodC 而使能带恢复平直的栅电压平带电压平带电压V VFB2FB2（2）一般情况：正电荷在SiO2中有一定的体分布 od0ooFB2dxdxxC1Vx ooFB2Cddxxx-dV时与Q两个因素同时存在当VmsFB2VFB1VFBVFB2FB1FBVVV平带电压 od0oosmdxdxxC1qWW实际MIS结构的开启电压：FBBos

11、TV2VCQVp型半导体FB2FB1FBVVV平带电压其中 od0oosmdxdxxC1qWW7.3 Si-SiO7.3 Si-SiO2 2系统的性质系统的性质氧化物陷阱电荷快界面态固定电荷可动电荷绝缘层电荷分类1、可动离子特点：半径较小，带正电，具 有热激活的特点。如：Na+、K+、H+2、固定电荷 位于距Si-SiO2界面约30埃以内，主要是Si-SiO2界面附近的过剩Si+。3、界面态n存在于Si-SiO2界面离Si表面3-5埃内。n分为施主界面态和受主界面态。4、陷阱电荷n特点：通常不带电。7.4 表 面 电 导n1、表面电导n垂直于表面方向的电场 表面电导 npqVVnpsss00层表面电导半导体表面层中总的薄npqpnnps00附加电导在表面层内引起的薄层和李德昌李德昌