半导体物理(第八章)ppt课件.ppt
为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第8 8章章 半导体表面和半导体表面和MISMIS结构结构为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能本章重点：本章重点：l l 表面态表面态l l 表面电场效应表面电场效应l l MIS MIS结构电容结构电容-电压特性电压特性l l 硅硅-二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能8.1 8.1 表面态表面态理想表面：理想表面：表表面面层层中中原原子子排排列列有有序序、对对称称与与体体内内原原子子完完全全相相同同，且且表表面面不不附附着着任任何何原原子子或或分分子子的的半半无无限限晶晶体体表表面面。-理理想想晶晶体体中中假假想想的的分分界界面面，实实际际上上是是不不存在的。存在的。实际表面：实际表面：往往往往存存在在氧氧化化膜膜或或附附着着其其他他分分子子或或原原子子，这这使使得得表面分析更加复杂难以弄清楚。表面分析更加复杂难以弄清楚。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 在在半半导导体体表表面面，晶晶格格不不完完整整性性使使势势场场的的周周期期性性被被破破坏坏，在在禁禁带带中中形形成成局局部部状状态态的的能能级级分分布布（产产生生附附加加能能级级），这这些些状状态态称称为为表表面面态态或或达姆表面能级。达姆表面能级。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能表面能级：表面能级：与表面态相应的能级称为与表面态相应的能级称为表面能级表面能级。分分布在禁带内的表面能级，彼此靠得很近，布在禁带内的表面能级，彼此靠得很近，形成形成准连续的准连续的分布。分布。对于理想表面的问题求解，需要建立对于理想表面的问题求解，需要建立薛定薛定谔方程谔方程，利用具体的边界条件对波函数加以，利用具体的边界条件对波函数加以求解。求解。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能aXV(x)V0E0一维晶体的势能函数一维晶体的势能函数 求解薛定谔方程：求解薛定谔方程：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：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能x0区的电子波函数为：区的电子波函数为：x0区的电子波函数为：区的电子波函数为：在在x=0处处，波波函函数数是是按按指指数数关关系系衰衰减减，这这表表明明电电子子的的分分布布概概率率主主要要集集中中在在x=0处处，电电子子被被局域在表面附近。局域在表面附近。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 对于对于硅硅表面态：表面最外层每个硅原子有一个未表面态：表面最外层每个硅原子有一个未配对电子，有一个配对电子，有一个未饱和键未饱和键，称为，称为悬挂键悬挂键，由于每，由于每平方厘米表面有平方厘米表面有1015个原子，相应悬挂键亦有个原子，相应悬挂键亦有1015个，这与实验测量值在量级上相符合。个，这与实验测量值在量级上相符合。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 对于表面能级，和半导体内部杂质和缺陷能级相对于表面能级，和半导体内部杂质和缺陷能级相类似，也分为类似，也分为施主类型施主类型和和受主类型受主类型，但对于其在禁，但对于其在禁带中的分布，目前还没有得出一致结论。带中的分布，目前还没有得出一致结论。半导体表面态为半导体表面态为施主态施主态时，向导带提供电子后变时，向导带提供电子后变成成正电荷，正电荷，表面带表面带正电正电；若表面态为；若表面态为受主态受主态，表面，表面带带负电。负电。表面附近可动电荷会重新分布，形成表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电空间电荷区荷区和和表面势表面势，而使表面层中的能带发生变化。，而使表面层中的能带发生变化。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能8.28.2表面电场效应表面电场效应8.2.1.8.2.1.空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势表面电场的产生表面电场的产生表面态与体内电子态之间交换电子表面态与体内电子态之间交换电子金属与半导体接触时，功函数不同，形成接触电势差金属与半导体接触时，功函数不同，形成接触电势差 半导体表面的氧化层或其它绝缘层中存在的各种电荷，半导体表面的氧化层或其它绝缘层中存在的各种电荷，绝缘层外表面吸附的离子绝缘层外表面吸附的离子 MOS或或MIS 结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时离子晶体的表面和晶粒间界离子晶体的表面和晶粒间界为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 在外加电场作用下，在半导体的在外加电场作用下，在半导体的表面层表面层内发生的内发生的物理现象。物理现象。可以采用不同方法，使得半导体表面层可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，内产生电场，如：如：功函数不同的金属和半导体接触（金功函数不同的金属和半导体接触（金/半接触）、半接触）、使半导体表面吸附某种带电的离子等使半导体表面吸附某种带电的离子等.一般采用金属一般采用金属/绝缘体绝缘体/半导体半导体(MIS)结构研究结构研究表面电场效应表面电场效应表面电场效应表面电场效应为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能理想理想MIS结构结构（1 1）Wm=Ws；（2 2）绝缘层内无可移动）绝缘层内无可移动电荷且绝缘层不导电；电荷且绝缘层不导电；（3 3）绝缘层与半导体）绝缘层与半导体 界面处不存在界面态。界面处不存在界面态。MIS结构结构等效电路等效电路为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能外加电场作用于该外加电场作用于该MIS结构，金属接高电位，即结构，金属接高电位，即VG0 MIS结构由于绝缘层结构由于绝缘层的存在不能导电，的存在不能导电，实际实际就是一个电容器，就是一个电容器，金属金属与半导体相对的两个面与半导体相对的两个面上上被充电被充电，结果金属一，结果金属一层的边界有正电荷积累，层的边界有正电荷积累，而在而在P型半导体表面形型半导体表面形成一定宽度的带负电荷成一定宽度的带负电荷的空间电荷区。的空间电荷区。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 首先，在空间电荷区内，从半导体的表面到体内，首先，在空间电荷区内，从半导体的表面到体内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度减电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度减小到零。小到零。其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化，半其次，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。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：空间电荷区对电场、电势与能带的影响：最后，电势的变化，使得电子在空间电荷区的能量最后，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。改变，从而导致能带的弯曲。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能表面空间电荷区内能带的弯曲表面空间电荷区内能带的弯曲界面界面EcEiEFEvxEg半导体半导体绝缘体绝缘体为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l表表面面势势V Vs s ：称称空空间间电电荷荷层层两两端端的的电电势势差差为为表表面面势势，以以V Vs s表表示示之之，规规定定表表面面电电势势比比内部高时，内部高时，V Vs s取正值；反之取正值；反之V Vs s取负值。取负值。l表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金 属与半导体间所加的电压属与半导体间所加的电压V VG G而变化，基本上而变化，基本上 可归纳为三种情况：可归纳为三种情况：多子堆积、多子耗尽和多子堆积、多子耗尽和 少子反型。少子反型。在在VG0时，理想半导体的能带不发生弯曲，即时，理想半导体的能带不发生弯曲，即平带状态平带状态flat-band condition，有时也称为一种状，有时也称为一种状态。态。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能VG=0时时,理想理想MIS结构的能带图结构的能带图一般情况讨论一般情况讨论,以以p型型半导体为例：半导体为例：EviEciEiEvEcEFsEFmEFm=EFs为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能在金属和在金属和P型半导体间加上电压，则将会在半导体型半导体间加上电压，则将会在半导体的表面层中产生的表面层中产生空间电荷区空间电荷区dx0+VGp p型半导体表面感生一个带负电的空间电荷层型半导体表面感生一个带负电的空间电荷层如果如果VG0:为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能qVsEcEvEF表面电势表面电势表面势为正，表面处能带向下弯曲，越接近表面势为正，表面处能带向下弯曲，越接近表面。费米能离价带越远，空穴浓度越小。表面。费米能离价带越远，空穴浓度越小。空间电荷层内的电场是由空间电荷层内的电场是由半导体的表面指半导体的表面指向体内的，向体内的，电子的静电势逐步升高，能带电子的静电势逐步升高，能带向下发生弯曲向下发生弯曲.为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能表面势及空间电荷区内电荷的分布情况，随金表面势及空间电荷区内电荷的分布情况，随金属与半导体间所加的电压属与半导体间所加的电压VG变化，可分为：变化，可分为：VG 0 0时，时，多子积累状态；多子积累状态；VG 0 0时，平带状态；时，平带状态；VG 0 0时，多子耗尽状态；时，多子耗尽状态；VG 0 0时，少子反型状态；时，少子反型状态；下面分别加以说明（对下面分别加以说明（对P型半导体）：型半导体）：考虑考虑热平衡下热平衡下的情况，此时半导体体内的费米能级的情况，此时半导体体内的费米能级保持定值保持定值当外加电压变化时，如前面所述：当外加电压变化时，如前面所述：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（1）VG0 多子空穴的积累在热平衡时，半导体内的费米能级保持定值在热平衡时，半导体内的费米能级保持定值EFmEFsEcEvEiQsQmxVG0电荷分布电荷分布能带图能带图电荷分布图电荷分布图栅极加负电压，在界面栅极加负电压，在界面吸引空穴积累吸引空穴积累费米能级接近价带，费米能级接近价带，是是P型半导体型半导体为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（a）能带向上弯曲，能带向上弯曲，EV接近甚至高过费米接近甚至高过费米能级能级EF；EFmEFsEcEvEiQsQmxVG 多子空穴数多子空穴数表面表面反型出现；反型出现；3 3）反型层发生在表面）反型层发生在表面处，和半导体内部之处，和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。间还夹着一层耗尽层。4)4)反型层很薄。反型层很薄。电离受主电离受主反型层反型层中电子中电子（4）反反 型型 状状 态态为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能金属与半导体间加负压，金属与半导体间加负压，多子堆积多子堆积金属与半导体间加不太高的金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽正压，多子耗尽金属与半导体间加高正压，金属与半导体间加高正压，少子反型少子反型p p型半导体型半导体V VG G000V VG G00为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n n型半导体型半导体金属与半导体间加正压，多子金属与半导体间加正压，多子堆积堆积金属与半导体间加不太高的负金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽压，多子耗尽金属与半导体间加高负压，金属与半导体间加高负压，少子反型少子反型V VG G00V VG G00V VG G000，Q Qs s用用负负号号；反反之之Q Qs s用用正正号号。可可以以看看出出，表表面面空空间间电电荷荷层层的的电电荷荷面面密密度度Q QS S随随表表面面势势V VS S变变化化，正正体体现现出出MISMIS结结构构的的电电容特性。容特性。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l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l因为因为为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l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 同理可得同理可得为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l表面处单位面积微分电容表面处单位面积微分电容单位单位F/mF/m2 2。（8-278-27）下面以下面以P P型半导体构成的型半导体构成的MISMIS结构，讨论三种类型时结构，讨论三种类型时的电场、电荷面密度及电容情况。的电场、电荷面密度及电容情况。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能8.2.3 8.2.3 各种表面层状态下的电容情况各种表面层状态下的电容情况l（1 1）多数载流子堆积状态（积累层）多数载流子堆积状态（积累层）当当V VG G000时，但其大小还不足以使表面出现反型状态时，空时，但其大小还不足以使表面出现反型状态时，空间电荷区为空穴的耗尽层。间电荷区为空穴的耗尽层。F F函数中起主要作用为函数中起主要作用为 ，此时：此时：V V和和V Vs s都大于零，且都大于零，且n np0p0/p/pp0p011代入代入L LD D为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能代入泊松方程求解，得到：代入泊松方程求解，得到：电势分布电势分布 令令x=0 x=0表面势表面势其中的其中的x xd d为空间电荷区宽度，若已知表面势为空间电荷区宽度，若已知表面势V VS S，可求出电，可求出电荷区宽度为荷区宽度为电荷面密度电荷面密度单位面积电容单位面积电容对于耗尽状态，空间电荷区也可以用对于耗尽状态，空间电荷区也可以用“耗尽层近似耗尽层近似”来处理，即假设空间电荷区内来处理，即假设空间电荷区内所有负电荷全部由电离所有负电荷全部由电离受主提供，受主提供，对于均匀掺杂的半导体，电荷密度为：对于均匀掺杂的半导体，电荷密度为：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l（4 4）少数载流子反型状态（反型层，）少数载流子反型状态（反型层，VG0）弱反型：如能带图所示，表面开始出现反型层的条件：弱反型：如能带图所示，表面开始出现反型层的条件：表面处表面处即表面势费米势即表面势费米势所以形成弱反型层的条件：所以形成弱反型层的条件：其中：其中：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能强反型层出现的条件：强反型层出现的条件：当型衬底表面处的电子当型衬底表面处的电子浓度等于体内的多子空穴浓度时。浓度等于体内的多子空穴浓度时。半导体表面达到强反型层的条件：半导体表面达到强反型层的条件：此时表面势为此时表面势为：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能当半导体表面进入强反型时，即当当半导体表面进入强反型时，即当V VS S=2V=2VB B时金属板上时金属板上加的电压习惯上称为加的电压习惯上称为开启电压开启电压，以，以V VT T表示，该电压表示，该电压由绝缘层和半导体表面空间电荷区共同承担，即由绝缘层和半导体表面空间电荷区共同承担，即其中其中V V0 0是落在绝缘层上的电压降，是落在绝缘层上的电压降，2V2VB B是落在空间电是落在空间电荷区的电压降，也就是表面势。荷区的电压降，也就是表面势。(注意注意：开启电压的：开启电压的求法）求法）对于弱反型和强反型，空间电荷区的电场、电荷面对于弱反型和强反型，空间电荷区的电场、电荷面密度及电容公式有一些区别，讨论如下：密度及电容公式有一些区别，讨论如下：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能弱反型时弱反型时：空间电荷层的电场、电荷密度公式与：空间电荷层的电场、电荷密度公式与多子耗尽时相似，多子耗尽时相似，F F函数简化为：函数简化为：临界强反型时临界强反型时:为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能到达强反型之后到达强反型之后，当表面势，当表面势V VS S比比2V2VB B大的多时，大的多时，F F函数简化为：函数简化为：此时，电场、面电荷密度及表面空间电荷层电容此时，电场、面电荷密度及表面空间电荷层电容分别为：分别为：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 此外，需要注意的是一旦出现强反型，表面耗此外，需要注意的是一旦出现强反型，表面耗尽层宽度就达到一个极大值尽层宽度就达到一个极大值x xdmdm，不再随外加电压，不再随外加电压的增加而继续增加，利用的增加而继续增加，利用耗尽层近似的方法耗尽层近似的方法求出求出最大宽度最大宽度：这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用，这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用，当电压继续增大时，通过电子的继续增多来保持电当电压继续增大时，通过电子的继续增多来保持电中性，而不必使耗尽层向半导体内部继续延伸。中性，而不必使耗尽层向半导体内部继续延伸。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l深耗尽状态深耗尽状态 这是一种这是一种非平衡状态，非平衡状态，如在如在MISMIS结构上加一高结构上加一高频正弦波形成的正电压，虽然电压的幅度已经超频正弦波形成的正电压，虽然电压的幅度已经超过强反型条件，但是过强反型条件，但是由于空间电荷层中电子的产由于空间电荷层中电子的产生速率赶不上电压的变化，生速率赶不上电压的变化，反型层来不及建立，反型层来不及建立，为了保持和金属板上的正电荷平衡，只能依靠将为了保持和金属板上的正电荷平衡，只能依靠将耗尽层向半导体内部继续推进而产生更多的电离耗尽层向半导体内部继续推进而产生更多的电离受主。受主。此时，空间电荷区的电荷全部由电离受主提供，此时，空间电荷区的电荷全部由电离受主提供，耗尽层的宽度可超过最大宽度耗尽层的宽度可超过最大宽度x xdmdm，且宽度随电压，且宽度随电压V VG G的的增加而增大，称为增加而增大，称为“深耗尽状态深耗尽状态”，仍可用耗尽层近仍可用耗尽层近似来处理。似来处理。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能8.3.1 8.3.1 理想理想MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 MISMIS总电压总电压V VG G=V=VO O+V+VS S 8.3 MIS8.3 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性 绝缘层内没有电荷，其电场是均匀的绝缘层内没有电荷，其电场是均匀的绝缘层上绝缘层上半导体表面势半导体表面势为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能上式说明，上式说明，MISMIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，空间电荷层电容的串联，其等效电路如图。其等效电路如图。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能8.3.2 8.3.2 理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性l理想理想MISMIS结构结构:金属的功函数与半导体相同（金属的功函数与半导体相同（V Vmsms=0=0）绝缘层中没有电荷存在绝缘层中没有电荷存在半导体绝缘层没有界面态半导体绝缘层没有界面态 MISMIS结构的微分电容公式结构的微分电容公式:把把8.28.2节中计算出的各种状态下的节中计算出的各种状态下的C CS S代入公式，代入公式，可求得理想可求得理想MISMIS结构在各种状态下的结构在各种状态下的C/CC/C0 0值，仍以值，仍以P P型衬底的型衬底的MISMIS结构为例。结构为例。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能MIS结构的微分电容公式结构的微分电容公式:为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能多子堆积状态多子堆积状态：V VG G0 V0 VS S0 0,00,0VS S 2V2V2VB Bu如果是如果是处于低频信号处于低频信号下，强反型的下，强反型的MISMIS结构上结构上qVqVS S2qV2qVB Bkk0 0T T，上式分母第二项的很小趋近于零，上式分母第二项的很小趋近于零，所以所以(C/C(C/Co o)1)1，说明，说明MISMIS结构电容又上升到等于结构电容又上升到等于绝缘层电容，如图绝缘层电容，如图EFEF段。段。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能如果是如果是处于处于高频信号高频信号下下,反型层中电子的产生与反型层中电子的产生与复合跟不上频率的变化复合跟不上频率的变化,空间电荷区电容呈现的空间电荷区电容呈现的是耗尽层电容，由于强反型时耗尽层有最大宽度是耗尽层电容，由于强反型时耗尽层有最大宽度x xdmdm，使耗尽层电容达最小值，所以，使耗尽层电容达最小值，所以MISMIS结构的电结构的电容也呈现极小电容容也呈现极小电容CCminmin不再随偏压不再随偏压V VG G变化，变化，如图如图GHGH段。此时段。此时为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l深耗尽状态深耗尽状态：若理想若理想MISMIS结构处于深耗尽状态，此时耗尽层宽结构处于深耗尽状态，此时耗尽层宽度度x xd d随外加随外加V VG G而变化，而变化，C CS S不再是定值，所以不再是定值，所以MISMIS结结构电容构电容C/CC/C0 0不再呈现为最小值。不再呈现为最小值。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 一、金属与半导体功函数差异的影响一、金属与半导体功函数差异的影响l无外加偏压时能带图：无外加偏压时能带图：若金属和半导体存在功函数差异，当形成若金属和半导体存在功函数差异，当形成MISMIS系系统时，为了使金属和半导体的费米能级保持水平，统时，为了使金属和半导体的费米能级保持水平，在半导体表面会形成在半导体表面会形成空间电荷区，空间电荷区，表面能带发生弯表面能带发生弯曲，曲，表面势表面势V VS S不为零。不为零。8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 下图为某一实际下图为某一实际P P型型MISMIS结构在无外加偏压时结构在无外加偏压时的能带图，的能带图，考虑考虑W Wm mW00，能带下，能带下弯。弯。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 功函数差对功函数差对C-VC-V曲线的影响：曲线的影响：存在功函数差异的实际存在功函数差异的实际MISMIS结构和理想结构和理想MISMIS结构结构的的C-VC-V特性曲线形状一致，但位置有一些变化。特性曲线形状一致，但位置有一些变化。在上面的例子中，无偏压时在上面的例子中，无偏压时V VS S00，能带下弯，为，能带下弯，为了恢复半导体表面平带状态，必须在金属一侧加一定了恢复半导体表面平带状态，必须在金属一侧加一定的负电压，抵消半导体表面势对能带的影响。这个为的负电压，抵消半导体表面势对能带的影响。这个为了恢复平带状态所需加的电压叫做了恢复平带状态所需加的电压叫做平带电压，以平带电压，以V VFBFB表表示，大小为：示，大小为：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 左图为该左图为该MISMIS结构的实际结构的实际C-VC-V特性曲线（曲线特性曲线（曲线2 2）。从）。从图中可知，与理想图中可知，与理想MISMIS结构结构C-C-V V曲线（曲线曲线（曲线1 1）相比，实际）相比，实际MISMIS的的C-VC-V曲线沿电压轴曲线沿电压轴向负向负方向平移了一段距离方向平移了一段距离V VFBFB。综上：金属与半导体存在功函数差的实际综上：金属与半导体存在功函数差的实际MISMIS结结构，其构，其C-VC-V特性曲线会沿电压轴特性曲线会沿电压轴向左或右平移，向左或右平移，平平移的距离即为平带电压移的距离即为平带电压V VFBFB，其正负代表平移的方向。，其正负代表平移的方向。BVFB为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、绝缘层电荷对二、绝缘层电荷对MISMIS结构结构C-VC-V特性的影响特性的影响 设绝缘层中有一薄层电荷，单位面积上的电荷设绝缘层中有一薄层电荷，单位面积上的电荷量为量为Q Q，离金属表面的距离为，离金属表面的距离为x x，带正电，带正电。无偏压时绝缘层电荷对半导体能带的影响无偏压时绝缘层电荷对半导体能带的影响 为了保持电中性，绝缘层的正电荷会在金属及半为了保持电中性，绝缘层的正电荷会在金属及半导体表面层中感应出负电荷，因此在半导体表面有负导体表面层中感应出负电荷，因此在半导体表面有负的空间电荷区，表面能带下弯，表面势的空间电荷区，表面能带下弯，表面势V VS S00。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能Q0为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l绝缘层电荷对绝缘层电荷对C-VC-V特性的影响特性的影响 半导体表面感应出的负电荷导致了半导体表面半导体表面感应出的负电荷导致了半导体表面能带的弯曲，为了恢复半导体的平带状态，需要在能带的弯曲，为了恢复半导体的平带状态，需要在金属一侧加一个金属一侧加一个负偏压负偏压V VFBFB，使金属板上的负电荷量，使金属板上的负电荷量增加到等于绝缘层电荷增加到等于绝缘层电荷Q Q，这样半导体表面就不会，这样半导体表面就不会有感应的负电荷，表面能带恢复水平状态，有感应的负电荷，表面能带恢复水平状态，V VFBFB的大的大小，我们这样来考虑：小，我们这样来考虑：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 在平带电压在平带电压V VFBFB的作用下，的作用下，电荷只出现在金属板电荷只出现在金属板和绝缘层中，和绝缘层中，内电场集中在金属板和绝缘层薄层电内电场集中在金属板和绝缘层薄层电荷之间，由高斯定理可推出：荷之间，由高斯定理可推出：其中其中C C0 0绝缘层单位面积电容。绝缘层单位面积电容。该该MISMIS结构的结构的C-VC-V特性曲线也沿电压轴向负方向特性曲线也沿电压轴向负方向平移，平移的距离即为平移，平移的距离即为V VFBFB。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l绝缘层电荷位置对绝缘层电荷位置对C-VC-V特性的影响特性的影响 当当x=0 x=0时，绝缘层电荷贴近金属一侧，时，绝缘层电荷贴近金属一侧，V VFBFB=0=0 当当x=dx=d0 0时，绝缘层电荷贴近半导体一侧，平带电时，绝缘层电荷贴近半导体一侧，平带电压有最大值压有最大值 这说明绝缘层电荷越接近半导体表面，对这说明绝缘层电荷越接近半导体表面，对C-VC-V特特性的影响越大，若位于金属与绝缘层界面处，对性的影响越大，若位于金属与绝缘层界面处，对C-C-V V特性无影响。特性无影响。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l体分布的绝缘层电荷对平带电压的影响体分布的绝缘层电荷对平带电压的影响 若绝缘层中的电荷不是薄层分布而是体分布，设金若绝缘层中的电荷不是薄层分布而是体分布，设金属与绝缘层界面为坐标原点，体电荷密度为属与绝缘层界面为坐标原点，体电荷密度为(x)(x)，其平，其平带电压为：带电压为：当功函数差和绝缘层电荷同时存在时，平带电压为：当功函数差和绝缘层电荷同时存在时，平带电压为：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能硅硅-二氧化硅系统中的电荷和态二氧化硅系统中的电荷和态l1.1.二氧化硅中的二氧化硅中的可动离子可动离子l2.2.二氧化硅中的二氧化硅中的固定表面固定表面电荷电荷l3.3.在硅在硅二氧化硅界面处二氧化硅界面处的的快界面态快界面态l4.4.二氧化硅中的二氧化硅中的陷阱电荷陷阱电荷8.4 Si-SiO8.4 Si-SiO2 2系统的性质系统的性质Si-SiOSi-SiO2 2系统存在的电荷或系统存在的电荷或能量状态：能量状态：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能8.4.1 8.4.1 二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子l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，其中最主等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是要而对器件稳定性影响最大的是NaNa离子。离子。l来源来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等体沾污等 l为什么为什么SiOSiO2 2层中容易玷污这些正离子而且易于在其层中容易玷污这些正离子而且易于在其中迁移呢？中迁移呢？为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二氧化硅的网络状结构二氧化硅的网络状结构l二氧化硅结构的基本单二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组元是一个由硅氧原子组成的四面体，成的四面体，NaNa离子存离子存在于四面体之间，使二在于四面体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从氧化硅呈现多孔性，从而导致而导致NaNa离子易于在二离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。氧化硅中迁移或扩散。l由于由于NaNa的扩散系数远远大的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱因斯坦于其它杂质。根据爱因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成关系，扩散系数跟迁移率成正比，故正比，故NaNa离子在二氧化硅离子在二氧化硅中的迁移率也特别大。中的迁移率也特别大。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能l温度达到温度达到100100摄氏度以上时，摄氏度以上时，NaNa离子在电场作用下以离子在电场作用下以较较大的迁移率大的迁移率发生迁移运动发生迁移运动,可引起二氧化硅层中电荷分可引起二氧化硅层中电荷分布的变化，从而引起布的变化，从而引起MOSMOS结构结构C-VC-V特性曲线的变化。特性曲线的变化。二氧化硅中钠离子的漂移二氧化硅中钠离子的漂移对对C-VC-V曲线的影响曲线的影响曲线曲线1 1为为原始原始C-VC-V曲线，曲线，认认为此时所有可动钠离子都为此时所有可动钠离子都位于金属和绝缘层交界附位于金属和绝缘层交界附近；曲线近；曲线2 2是是加正加正10V10V偏压偏压在在127127下退火下退火3030分钟后分钟后测测得的得的C-VC-V曲线；接着在曲线；接着在加负加负10V10V偏压并在同样温度下退偏压并在同样温度下退火火3030分钟后分钟后测其测其C-VC-V曲线，曲线，即为曲线即为曲线3 3。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能B B-T-T实验测定可动离子电荷密度：实验测定可动离子电荷密度：l上述实验称为偏压上述实验称为偏压温度实验，简称温度实验，简称B-TB-T实验。实验。可以可以利用该实验测量二氧化硅中单位面积上的可动离子利用该实验测量二氧化硅中单位面积上的可动离子NaNa离子的电荷密度：离子的电荷密度：从而求出二氧化硅层中单位面积钠离子数目为：从而求出二氧化硅层中单位面积钠离子数目为：VVFBFB是曲线是曲线1 1和和2 2平带电压之差平带电压之差为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能8.4.2 8.4.2 二氧化硅中的固定表面电荷二氧化硅中的固定表面电荷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 l电荷面密度是电荷面密度是固定的固定的l这些电荷位于这些电荷位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面20nm20nm范围以内范围以内固定电荷面密度与固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体氧化和退火条件，以及硅晶体的取向的取向有很显著的关系有很显著的关系l固定表面电荷面密度的数值固定表面电荷面密度的数值不明显地不明显地受氧化层受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能过剩硅离子过剩硅离子是固定正电荷的来源是固定正电荷的来源l这些电荷出现在这些电荷出现在Si-SiOSi-SiO2 2
