《半导体物理》教学第八章资料课件.ppt

1、n表面态概念表面态概念n表面电场效应表面电场效应nMISMIS结构电容结构电容-电压特性电压特性n硅硅-二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质n表面电导及迁移率表面电导及迁移率8.1 8.1 表面态表面态n理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，理想表面：表面层中原子排列的对称性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。且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。aXV(x)V0E0一维晶体的势能函数一维晶体的势能函数2202022200(0)2()(0)2()(),dVExmdxdV xExmdxV xaV x EV其中，求解薛定谔方程：求解薛定谔方程：1212

2、00(0)(0)()()xxdddxdx在在x=0处满足的处满足的连续性条件连续性条件固体表面态的量子力学解释：固体表面态的量子力学解释：x0区的电子波函数为：区的电子波函数为：1122000012()2()()expexpm VEm VExAxBxx 120012()()expm VExAxx0区的电子波函数为：区的电子波函数为：212()()exp()expikxikxkkxAuxA ux在在x=0处，波函数是按指数关系衰减，这表明处，波函数是按指数关系衰减，这表明电子的分布概率主要集中在电子的分布概率主要集中在x=0处，电子被局处，电子被局域在表面附近域在表面附近。2221()()exp

3、expik xik xkxAux对硅对硅(111)面，在超高真空下可观察到面，在超高真空下可观察到(77)结构，结构，即表面上形成以即表面上形成以(77)个硅原子为单元的二维平个硅原子为单元的二维平移对称性结构。移对称性结构。由于MIS结构是一个电容，当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充放电。在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在很薄的一个原子层的厚度范围之内；而在半导体中，由于自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做空间电荷区space charge region。一、空间电荷层及表面势首先，在空间电荷区内，从半导体的表

4、面到体内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度减小到零。其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化，半导体表面相对体内就产生电势差。空间电荷区对电场、电势与能带的影响：（1）多数载流子堆积状态（2）多数载流子耗尽状态（3）少数载流子反型状态在VG0时，理想半导体的能带不发生弯曲，即平带状态flat-band condition，有时也称为一种状态。例如，对于p型半导体，有三种情况：最后，电势的变化，使得电子在空间电荷区的能量改变，从而导致能带的弯曲。ECEVEiEFsVG0 xxdQnQm特征特征ECEVEiEFsVG0 xxdmrsxdxxVd022)()(000000)(exp)()

5、(exp)()()()(ppADppADpnpnTkxqVpxpTkxqVnxnxnxppnqx1)exp(1)exp(0000022TkqVnTkqVpqdxVdpprsn上式两边乘以上式两边乘以dVdV并积分，得到并积分，得到n将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据n得得dVTkqVnTkqVpqdxdVddxdVVpprsdxdV00000001)exp(1)exp()(dVEdx 1)exp(1)exp(2)2(0000000002202TkqVTkqVpnTkqVTkqVTkpqqTkEpprsp2/102002/10000000001exp1exp,prsDpppppqTkL

6、TkqVTkqVpnTkqVTkqVpnTkqVF0000,2npsDspnTkqVFqLTkE00002(,)pDpnk TqVEFqLk Tp 2,2000000ppsDrsssrsspnTkqVFqLTkQEQ00000000,1exp1exp2ppssppsDrssssspnTkqVFTkqVpnTkqVLCVQCTkqVLCTkqVqLTkQTkqVqLTkETkqVpnTkqVFsDrsssDrsssDsspps000000000002exp22exp22exp22exp,000000001/2001/20000,00,0112211psnsspssprssDppprsFBSDpr

7、sFBSDnqVFk TpEQnqVqVk Tpk TCLnpnCLpCL 2/102/1002/12/1002/12/102/10000212)(2)(2,srsAssDrsssDrsssDssnpsVqNCTkqVLCVqTkLQVqTkLETkqVpnTkqVF外加电压为正，但其大小还不外加电压为正，但其大小还不足以使表面处的禁带中央能级足以使表面处的禁带中央能级弯曲到费米能级以下弯曲到费米能级以下利用耗尽近似来处理耗尽状态利用耗尽近似来处理耗尽状态AqNx)(022rsAqNdxVd0,dxdVxxd)(0 xxqNdxdVdrsAdAsxqNQ0,Vxxd20)(2xxqNVdrsA

8、202drsAsxqNVdrssxC0泊松方程泊松方程表面势费米势表面势费米势)exp()exp(00200TkqVpnTkqVnnspisps)2exp(00TkqVnpsip临界强反型时，表面少子浓度等于多子浓度临界强反型时，表面少子浓度等于多子浓度)exp(00TkqVnpBip由波尔兹曼统计分布由波尔兹曼统计分布Vs=2VB1/200001/2001/21/20000,22(4)pssnssDrsssrsAsDnqVqVFk Tpk Tk TqVEqLk Tk TqVQqN VqLk T 2/1002/100002/10002/100002/10002/100002/1000002ex

9、p2)2(2exp222exp22exp,psDrssppDrsssrssppDrssrsssppDssppnpspnLTkqVpnLCnTkTkqVpnqLTkQTknTkqVpnqLTkETkqVpnpnTkqVFn强反型时空间电荷层达到最厚强反型时空间电荷层达到最厚由由8-438-43式得式得2102AsrsdqNVxn当当V Vs s=2V=2VB B时时x xd d达到最大达到最大n深耗尽现象深耗尽现象 反型层中的电子是通过热激发产生的，需要时间。反型层中的电子是通过热激发产生的，需要时间。若若V Vs s突变、远大于突变、远大于2V2VB B时，空间电荷只能由多子耗尽方时，空间电荷

10、只能由多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象式提供，于是发生深耗尽现象n强反型高频条件下，强反型高频条件下，空间电荷层电容保持最小空间电荷层电容保持最小21200ln4iAArsdmnNNqTkxdmrsssxCC0minsssrssGdVdQCdCCCCVVV000000111sCCCC00110000121exp2DsrsCCC LqVk T 2/100000211qpVdCCpsrsrsr1exp11|2/1000000sVspprsDrTkqVpndLCCiAArsrsrrsdmrdmrsssnNNTkdqdxCCCCxCCln211110000000min00minqWWVVqWWVW

11、WqVsmmsFBmsmsmsms当绝缘层处有一薄层电荷当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为其面电荷密度为()Qxx00FBrOOXxQQxVCd 当绝缘层中有分布电荷当绝缘层中有分布电荷00)(CddxxxdVFB0000)(1dFBdxdxxCVn1.1.二氧化硅中的可二氧化硅中的可动离子动离子n2.2.二氧化硅中的固二氧化硅中的固定表面电荷定表面电荷n3.3.在硅在硅二氧化硅二氧化硅界面处的快界面态界面处的快界面态n4.4.二氧化硅中的陷二氧化硅中的陷阱电荷阱电荷n二氧化硅中的可动离子有二氧化硅中的可动离子有NaNa、K K、H H等，其中最常见的是等，其中最常见的是NaNa离离子，对

12、器件稳定性影响最大。子，对器件稳定性影响最大。n来源来源：使用的试剂、玻璃器皿、使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等高温器材以及人体沾污等n二氧化硅结构的基本单元是一二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的四面体，个由硅氧原子组成的四面体，呈无规则排列的多孔网络结构，呈无规则排列的多孔网络结构，从而导致从而导致NaNa离子易于在二氧化离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。硅中迁移或扩散。n作偏压作偏压温度（温度（B-T）实验，可以测量二氧化硅中单位实验，可以测量二氧化硅中单位面积上的面积上的NaNa离子电荷量：离子电荷量：单位面积钠离子电荷数：单位面积钠离子电荷数：NaoFBQCVNaN

13、aQNq二氧化硅层中固定电荷有如下特征二氧化硅层中固定电荷有如下特征 n电荷面密度是固定的，不随偏压而变化；电荷面密度是固定的，不随偏压而变化；n这些电荷位于这些电荷位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范围以内范围以内n固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响度或硅中杂质类型以及浓度的影响 n固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系的取向有很显著的关系 一般认为固定正电荷的实质是过剩硅离子一般认为固定正电荷的实质是过剩硅离子n这些电荷出现在

14、这些电荷出现在Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范围以内，这个区范围以内，这个区域是域是SiOSiO2 2与硅结合的地方，极易出现与硅结合的地方，极易出现SiOSiO2 2层中的缺陷及层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子n实验证明，若在硅晶体取向分别为实验证明，若在硅晶体取向分别为111111、110110和和100100三个方向生长三个方向生长SiOSiO2 2时，他们的硅时，他们的硅二氧化硅结构中二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为的固定表面电荷密度之比约为3:2:13:2:1。n将氧离子注入将氧离子注入Si-SiO2Si-S

15、iO2系统界面处，在系统界面处，在450450度进行退火，发现固度进行退火，发现固定表面电荷密度有所下降定表面电荷密度有所下降n将将MOSMOS结构加负偏压进行结构加负偏压进行B-TB-T实验，当温度高到一定程度（如实验，当温度高到一定程度（如350350度）时，固定的表面电荷密度有所增加。度）时，固定的表面电荷密度有所增加。)()(00000000msFBrfcfcmsFBrfcfcmsFBfcFBVVqdqQNVVdQCQVVCQVn硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，同样引入界硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，同样引入界面态。面态。n氧化层受到高能磁辐射时，可以在氧化层

16、中产生电子空穴对。氧化层受到高能磁辐射时，可以在氧化层中产生电子空穴对。在偏压作用下，电子空穴对中的电子容易运动，而漂向电极。在偏压作用下，电子空穴对中的电子容易运动，而漂向电极。空穴则被陷阱所陷，在氧化层中形成正电荷，这就是空穴则被陷阱所陷，在氧化层中形成正电荷，这就是陷阱电荷陷阱电荷。n使使C-VC-V特性平移，平带电压为负值。特性平移，平带电压为负值。n在在300300度以上进行退火，可以很快消除。度以上进行退火，可以很快消除。00000000)()()(ddmmNasITfcmsFBdxxddxxxrCrQCVQCQVV )(#snsspsnpq)()0()(#snsspssnpqVn在单位表面积的表面层中空穴的改变量为在单位表面积的表面层中空穴的改变量为n因为因为00000 1)exp()(dxTkqVpdxpppppps|EdVdxn考虑到考虑到x=0 x=0，V=VV=Vs s和和x=x=，V=0V=0，则得，则得 n同理可得同理可得0000000),(1)exp(2sVppDPsdVpnTkqVFTkqVTkLqpp0000000),(1)exp(2sVppDPsdVpnTkqVFTkqVTkLqpn