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半导体物理第八章第1页，本讲稿共116页1半导体的表面结构l 表面的概念q 晶体的周期性结构在表面中断，破坏了三维结构的对称性，会构成表面的特殊结构和性质;q 理想表面就是指表面居中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子成分子的半无限晶体表面。因晶格在表面处突然终止，在表面外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称作悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态；2 第2页，本讲稿共116页1半导体的表面结构l 表面的概念q 表面有大量的原子键被断开而需要大量的能量，形成表面能；q 为降低表面能，表面和近表面的原子层间距发生变化而出现表面弛豫现象；q 表面的原子会重新组合，形成新键，从而改变表面原子的结构对称性，出现所谓的表面再构现象，降低悬挂键密度；3第3页，本讲稿共116页q 洁净理想表面实际上是不存在，表面上会形成一层单原子层(一般主要由氧原子组成)，在表面上覆盖了一层二氧化硅层，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度就大大降低；q由于不可避免的客观原因，表面会吸附其它原子和分子，q并对表面性质产生显著影响。4第4页，本讲稿共116页q 由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。例如，n型硅悬挂键可以从体内获得电子，使表面带负电。这负的表面电荷可排斥表面层中电子使之成为耗尽层甚至变为p型反型层。q 表面能级由两组，组为施主能级(带电子为中性，失去电子带正电荷)，靠近价带，另一组为受主能级（不带电子为中性，得到电子带负电），靠近导带。q 表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态，这种表面态的特点是，其数值与表面经过的处理方法有关。5 第5页，本讲稿共116页l 理想表面的电子态q 讨论理想表面就是指表面居中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子成分子的半无限晶体表面情形,固体物理理想的清洁表面6 第6页，本讲稿共116页7第7页，本讲稿共116页波函数有限8第8页，本讲稿共116页波函数及其一阶导数在x=0处满足连续条件9 第9页，本讲稿共116页波函数及其一阶导数在x=0处满足连续条件当k为实数时,能满足有限条件,两个方程解三个未知数,解总是存在的,这些解对应能带的允带.-说明在一维无限周期场中电子状态在半无限周期场中仍能实现.考察10第10页，本讲稿共116页当k为复数时,令同样考察都为实数11第11页，本讲稿共116页对于一维无限周期,x趋向正无穷大和负无穷大时候,不能满足波函数有限的边界条件,因此k不能取复数.对半无限周期,考虑x趋向负无穷大时,波函数为零,所以A1=0取负值，满足边界条件，故有解12 第12页，本讲稿共116页上两式存在A2和A的非零接解条件是系数行列式等于0,因此可以求出电子能量E必须取实数,一般为复数。13第13页，本讲稿共116页以上说明，存在k取复数的电子状态存在，它们存在于x=0附近这些被局域在表面附近的能级就是表面能级。14 第14页，本讲稿共116页2表面电场效应l 一般概念q 讨论在热平衡情况的表面电场效应，以及外加电场作用下半导体表面层内现象。q 表面电场产生的原因：功函数不同的金属和半导体接触，或半导体表面外吸附某种带电离子等。q 表面电场效应的研究方法：MIS结构15 第15页，本讲稿共116页VG=0 时,理想MIS 结构的能带图Ev1Ec1EiEvEcEFsEFm理想的MIS结构：1）金属与半导体间功函数差为零；2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；3）绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。16第16页，本讲稿共116页l 空间电荷层及表面势的概念q MIS结构相当于一个电容，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电。两者所带电荷符号相反，但电荷分布情况不同。q 金属中自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围之内；在半导体中自由载流子密度要低得多，电荷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。17第17页，本讲稿共116页l 空间电荷层及表面势的概念q 空间电荷区内从表面到内部电场逐渐减弱，到另端减小到零。空间电荷区内的电势随距离逐渐变化。半导体表面相对体内存在电势差，能带发生弯曲。常称空间电荷层两端的电势差为表面势（VS表示）。q 规定表面电势比内部高时取正值，反之取负值。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VG而变化，基本上可归纳为多子堆积、耗尽和反型三种情况：18 第18页，本讲稿共116页（11）多多 子子 积积 累累l l 特征：l 1）能带向上弯曲并接近EF；EFm EFsEcEvEiQsQmxVG G0n2）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19 第19页，本讲稿共116页(2)(2)平平 带带 l l 特征 特征：半导体表面能带平直。VG=0EFmEFsEcEvEi20第20页，本讲稿共116页（33）耗耗 尽尽l l特征特征：1）表面能带向下弯曲；EFmEFsEcEvEiVG0QmQsx2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。21 第21页，本讲稿共116页（44）反）反 型型l l特征：特征：l 1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；n 2）表面区的少子数多子数表面反型；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。22 第22页，本讲稿共116页l对于n型半导体，当金属与半导体间加正电压时，表面层内形成多数载流子电子的堆积；当金属与半导体间加不太高的负电压时，半导体表面内形成耗尽层；当负电压进一步增大时，表面层内形成有少数载流子空穴堆积的反型层。23第23页，本讲稿共116页P型半导体的表面电荷QS和表面势VS关系24 第24页，本讲稿共116页2、理想理想MISMIS结构结构的电容效应25第25页，本讲稿共116页VG=Vs+Vo(2)第26页，本讲稿共116页（1a 1a）表面电场分布）表面电场分布E Es s3、表面空间电荷层的 电场、电势和电容27第27页，本讲稿共116页28 第28页，本讲稿共116页29 第29页，本讲稿共116页30 第30页，本讲稿共116页（1b）表面电荷分布Qs s31 第31页，本讲稿共116页32 第32页，本讲稿共116页（1）多子积累时：Vs0讨论：/Qs/Vs33 第33页，本讲稿共116页多子积累时：34第34页，本讲稿共116页(2)平带：Vs=035 第35页，本讲稿共116页（33）耗尽：）耗尽：VVss0036第36页，本讲稿共116页（33）耗尽：）耗尽：VVss0037 第37页，本讲稿共116页xd38 第38页，本讲稿共116页(4)反型回顾39 第39页，本讲稿共116页qVBqVs(4)反型当表面处少子浓度等于体内多子浓度,为强反型根据Boltzmann 统计：40 第40页，本讲稿共116页(4)反型根据Boltzmann 统计：41第41页，本讲稿共116页开启电压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开启电压 开启电压.42 第42页，本讲稿共116页临界强反型时：43 第43页，本讲稿共116页强反型后：Vs 2VB，且qVsk0T根号内第二项是主要的44 第44页，本讲稿共116页45 第45页，本讲稿共116页出现强反型，表面耗尽层宽度就达到一个极大值xdm，不再随外加电压的增加而增加。这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用。耗尽层宽度极大值由耗尽层近似处理方法和强反型层条件得到。半导体单位面积上的电荷量由两部分组成，一部分是电离受主的负电荷NA，另一部分是反型层中的积累电子。46 第46页，本讲稿共116页l 深耗尽状态q以p型半导体为例，在金属与半导体间加一脉冲阶跃或高频正弦波形成的正电压时，由于空间电荷层内的少数载流子的产生速率赶不上电压的变化，反型层来不及建立，只有靠耗尽层延伸向半导体内所产生大量受主负电荷以满足电中性条件。因此，这种情况时耗尽层的宽度很大，可远大于强反型时的最大耗尽层宽度，且其宽度随电压VG幅度的增大而增大，这种状态称为深耗尽状态。47 第47页，本讲稿共116页l 讨论深耗尽状态向平衡反型状态的过渡过程:l 阶跃陡变的正电压深耗尽状态l 深耗尽状态:产生率大于复合率l 产生的电子表面-反型层l 产生的空穴体内-与深耗层边缘的电离受主中和l-深耗层减薄l 一定时间后深耗层宽度减少到强反型时所对应的最大宽度xdm48 第48页，本讲稿共116页l 讨论深耗尽状态向平衡反型状态的过渡过程:从深耗尽状态(宽度)过到平衡反型状态(宽度)的热驰豫时间:热驰豫时间一般为1-100s,是一个快过程49 第49页，本讲稿共116页q 深耗尽状态是在实际中经常遇到的一种较重要的状态。q 在非平衡电容电压法测量杂质浓度分布，电容时间法测量衬底中少数载流子寿命时半导体表面处于这种状态。q 电荷耦合器件(CCD)和热载流子的雪崩注入也工作在表面耗尽状态。50 第50页，本讲稿共116页 MIS结构的C-V特性前面已知:51 第51页，本讲稿共116页 MIS结构的C-V特性多子堆积平带耗尽强反型52第52页，本讲稿共116页 MIS结构的C-V特性为了分析电容的变化特性我们分情况考察53 第53页，本讲稿共116页（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；C/Co（2）当/Vs/较小时，有C/Co1。MIS结构的C-V特性54 第54页，本讲稿共116页(2)平带状态l 特征：归一化电容与衬底掺杂浓度NA和绝缘层厚度do有关。ndo 绝缘层厚度55 第55页，本讲稿共116页（3）耗尽状态56第56页，本讲稿共116页57第57页，本讲稿共116页（44）强反型后：）强反型后：A、低频时58 第58页，本讲稿共116页B、高频时59 第59页，本讲稿共116页结 论l（1）半导体材料及绝缘层材料一定l 时，C-V特性将随do及NA而l 变化；l（2）C-V特性与频率有关MIS结构等效电路 MIS结构的C-V曲线60 第60页，本讲稿共116页3、金属与半导体功函数差Wms 对MIS结构C-V特性的影响l 例：当WmWs时，将导致C-V 特性向负栅压方向移动。61 第61页，本讲稿共116页结构连通后且VG=0 时：WmWsEcEvSiO2EFmEFs62 第62页，本讲稿共116页结构还未连接时：63 第63页，本讲稿共116页接触电势差qVms：因功函数不同而 产生的电势差。qVmsqViEFEiEcEvSiO2VG0Wm-Ws=q（Vms+Vi）qVms：WmWs的情况。64 第64页，本讲稿共116页如何恢复平带状况？VG=-Vms加上负栅压65 第65页，本讲稿共116页使能带恢复平直的栅电压CFBVFB1平带电压VFB166第66页，本讲稿共116页4、绝缘层电荷对MIS 结构C-V特性的影响第67页，本讲稿共116页（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假定Wm=Ws讨论：68 第68页，本讲稿共116页恢复平带的方法：半导体 绝缘层 金属doVG0使能带恢复平直的栅电压69 第69页，本讲稿共116页使能带恢复平直的栅电压半导体 绝缘层 金属do70 第70页，本讲稿共116页（2）一般情况：正电荷在SiO2中有一定的体分布71 第71页，本讲稿共116页72 第72页，本讲稿共116页真实的Si-SiO2系统性质 l Si-SiO2系统q 硅表面SiO2形成方法：热氧化或化学汽相沉积法q 表面SiO2结构：薄膜呈无定形玻璃状，近程有序的网络状结构，基本单元是一个由硅氧原子组成的四面体 q 外来杂质主要类型：一是P、B等替位式杂质，它们替代Si位于四面体的中心；另一种是间隙式杂质，它们存在于网络间隙之中，如钠、钾等大离子，易于摄取四面体中的一个桥键氧原子，形成一个金属氧化物键而削弱或破坏网络状结构，导致杂质原子易于迁移或扩散。73 第73页，本讲稿共116页q 硅器件真实的表面上，二氧化硅薄膜。存在多种形式的电荷或能量状态74 第74页，本讲稿共116页l 二氧化硅中的可动离子q 杂质在二氧化硅中扩散时的扩散系数具有以下形式：实验显示Na原子的扩散系数最大q 钠离子的漂移可引起二氧化硅层中电荷分布的变化，从而影响C-V特性关系。将引起MOS结构的C-V特性曲线沿电压轴发生漂移，漂移量的大小和钠离子的数量及其在二氧化硅层中的分布情况有关。75第75页，本讲稿共116页 温度偏压实验1状态q 温度偏压实验 76 第76页，本讲稿共116页q 温度偏压实验 温度偏压实验2状态77 第77页，本讲稿共116页q 温度偏压实验 温度偏压实验3状态78 第78页，本讲稿共116页q 温度偏压实验 温度偏压实验温度偏压实验QNaCoVFB钠离子数为：NNaQNa/q79 第79页，本讲稿共116页l 二氧化硅层中的固定表面电荷作用q 固定表面电荷特点：l 这种电荷的面密度是固定的。电荷量不随能带弯曲而变化，既是说这种电荷不能进行充放电。l Qfg电荷位于硅二氧化硅界面的20nm范围以内。l Qfg值受氧化层厚度或硅中杂质类型及浓度的影晌不明显l.Qfg与氧化和退火条件、以及硅晶体的取向有很显著的关系。l 一般在硅和二氧化硅界面固定表面电荷为正电荷，过剩硅离子是产生原因。80 第80页，本讲稿共116页l 二氧化硅层中的固定表面电荷作用q 固定表面电荷的存在也引起MOS结构C-V特性曲线发生变化。固定带正电表面电荷引起半导体表面层中能带向下弯曲。要恢复平带情况，需要在金属与半导体间加一负电压，即平带点沿电压轴向负方向移动一个距离。81 第81页，本讲稿共116页q 固定表面电荷分布靠近硅二氧化硅界面，近似地认为这电荷就分布在界面处，故平带电压再考虑金属和半导体功函数差的影响，则得总平带电压：则电位面积固定电荷数量：82 第82页，本讲稿共116页l 硅二氧化硅界面处的快界面态快界面态 q 快表面态是指存在于硅二氧化硅界面处且能量值位于硅禁带中的些分立或连续的电子能态。由于这些界面态相对于吸附于二氧化硅外表面的分子、原子等所引起的外表面态来说,可以迅速地和半导体导带或价带交换电荷，所以称为快界面态。q 界面态一般也分为施主和受主两种。不论能级在禁带中的位置如何，若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性，则都称为施主型界面态；若能级空着时为电中性状态而接受电子后带负电，则称为受主型界面态 q 电子占据施主和受主界面态的分布函数如下，其中ESD和ESA分别为施主或受主界面态的能值，g为基态简并度 83 第83页，本讲稿共116页84 第84页，本讲稿共116页l 二氧化硅中的陷阱电荷q 硅二氧化硅界面附近，还常常存在一些载流子陷阱当射线、射线、电子射线等能产生电离的辐射线通过氧化层时，可在二氧化硅中产生电子空穴对。q 如果氧化物中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净电荷。如果氧化层中存在电场时，因电子在二氧化硅中可以移动，将被拉向栅极，空穴在二氧化硅中很难移动可能陷入陷阱中。这些陷阱捕获了空穴就表现为正的空间电荷。85 第85页，本讲稿共116页表 面 电 导l 垂直于表面方向的电场 表面电导86第86页，本讲稿共116页表面载流子的有效迁移率距离表面x处电子电导率为电子有效迁移率表面层内电子形成的单位面积电荷87 第87页，本讲稿共116页表面电场对pn 结特性的影响1n区掺杂比衬底掺杂重得多;2假定半导体表面没有任何表面态;3金属栅与半导体间亦无功函数差.衬底接地88 第88页，本讲稿共116页不加表面电场时，能带在x方向没有变化，只在y方向有变化，这是由n区和p区之间的自建电压引起的。在栅上加电压VG后，如果p-n结上不加电压，这时栅控二极管将仍处于平衡情况，因而半导体中费米能级处处相等。89第89页，本讲稿共116页在栅电压的表面电场作用下，栅下面的P区表面层将发生耗尽和反型。以VT表示使栅下面p区表面处开始发生强反型所需的栅电压，习惯上称这个电压为开启电压。由围中可看到，当p区表面反型时，场感应结。当栅电压VG大于VT时，p区表面处因反型面产生电子积累，表面处的导带底应下降到靠近费米能级。这表示从p区内部到表面发生了能带向下弯曲，能带图成为图中所示那样。根据平衡情况空间电荷区理论，在表面开始强反型后，耗尽区宽度达到最大值，并且不再随VG的增大而增大，这时表面势认可近似地表示为认；2VB。90 第90页，本讲稿共116页非平衡情况考虑在pn结上加反向偏压的情况：令VT(VR)表示当p-n结上有偏压VR时，使p区表面反型所必须的栅电压。这个电压比零偏结的开启电压VT要大。这是因为外加反向偏压降低了电子的准费米能级，因此即使表面处能带弯曲得如图右表面平衡情形那样低，导带仍不能足够接近电子的准费米能级而引起反型。当栅电压VG小于VT(VR)，即其大小还不足以使p区表面反型时，表面只发生耗尽。91第91页，本讲稿共116页图表示栅电压VG大于VT(VR)，在P区表面形成反型层时的能带因形成的表面反型层是一个高电导区，并与n区连通，其电势应和n区几乎相等，故反型层表面处的导带底位置如图中那样和n区导带底接近。又因为p区内部导带底位置较n区导带底高q(VR+VD)，且VD近似等于2VB，故开始发生强反型时的表面势可以近似表示为 VS=VR+2VB92 第92页，本讲稿共116页和平衡情况一样，在表面反型后由于反型层中积累电的屏蔽作用，耗尽区宽度达到最大值xdm但是这个宽度现在是反偏压VR的函数，实际上，它是在n型反型层和其下的P间形成的场感应结的反偏耗尽区宽度。所以93第93页，本讲稿共116页在表面反型前，根据耗尽假设，表面层中电荷主要是电离受土的负电荷，故单位面积的电荷是强反型开始后94 第94页，本讲稿共116页在第6章关于pn结的讨论中，曾经得出，硅P-n结在室温下的反向电流中，扩散电流微不足道，而主要部分是由耗尽区复合产生中心的作用而产生的电天空穴对所引起的。因此，对于硅P-n结情形，反向电流的大小取决于结耗尽区复合中心的总数。根据这一想法，现在考虑表面电场对硅p-n结反向电流的影响。为了与场感应绍区别，称原来由掺杂形成的Pn结为冶金结。95第95页，本讲稿共116页l 在(c)的情形中，由于栅下面的表而反型而形成了场感应结，这个结的耗尽区的复合产生中心也应对产生电流有贡献，因而产生的电流比单纯冶金结情形要大。l 在情形(b)，表面层耗尽，耗尽层宽度随栅电压VG增加，由表面耗尽区贡献的产生电流分量也随之增加。l 一旦表面反型，xd达到其最大值，这个电流分旦将不再增加。96第96页，本讲稿共116页冶金结产生电流耗尽区产生电流表面耗尽区产生电流97 第97页，本讲稿共116页载流子产生率冶金结产生电流耗尽区产生电流表面耗尽区产生电流完全耗尽界面单位面积产生率98 第98页，本讲稿共116页正向偏压-复合电流正向复合电流上式是仅考虑了冶金结耗尽区复合电流的情形。场感应结和界面同样也可以对复合电流有页献，且类似关系也近似成立。因此，加上场感应结和表面电流分量，最大正向复合电流可近似由下式给出：99第99页，本讲稿共116页当栅电压使衬底表面反型时将存在一个和冶金结并联的场感应结。这个场感应结有它自己的击穿电压，而且在很多情况下，其击穿电压比冶金结的要低。这时，当反向电压增加到超过场感应结的击穿电压V(BR)FJ时，由于场感应结开始击穿，电流随电压迅速增加。这个电流沿着反型层流向P型区，并随着反向电压进一步的增加而达到一个饱和值。继续增加反向电压到超过冶金结的击穿电压V(BR)MJM时电流再次迅速增加。这种电流电压特性表示称做沟通特性。100第100页，本讲稿共116页重掺杂区上部形成的场感应结如果场感应结形成在p+区，因为场感应结是在高掺杂材料的上部形成，其击穿电压将会很低，在小的反向电压下就开始有沟道电流。在高杂质浓度情况时，击穿机构是齐纳击穿。101 第101页，本讲稿共116页齐纳击穿有一个特征，即在零点附近两边电流电压特性是近似对称的，在正向也引起大的过量电流。102 第102页，本讲稿共116页表面纯化实际中，诸如在半导体表面上吸附的各种带电粒子、半导体表面氧化层中的可动离子、固定电荷和陷阶等，皆可在半导体表面层中引起电场。这些因素将会对半导体的表面特性产生重大影响。在采用平面工艺的器件中，一般都使用二氧化硅膜保护，当这种器件工作引起温度升高时，若二氧化硅膜中存在可动的钠离子，则由于它的漂移将会引起器件特性不稳定。103 第103页，本讲稿共116页目前使用比较广泛的表面钝化技术列举如下：(1)在二氧化硅膜上再淀积一层对钠离子有阻挡作用的钝化膜，例如磷硅玻璃、氧化铝和氮化硅膜等。(2)在热氧化时通人氯化氢或：氯乙烯等。实验发现在1100干氧热氧化时通人适当的氯化氢气体，可使可动钠离子的数量减至最低值。(3)在某些气体中迟火以降低固定电荷或界面态。104 第104页，本讲稿共116页k取复数的电子状态存在，它们存在于x=0附近这些被局域在表面附近的能级就是表面能级。本章总结一、表面电场效应105 第105页，本讲稿共116页本章总结二、表面电场效应理想的MIS结构106 第106页，本讲稿共116页 P型半导体构成的理想MIS结构在偏压下的表面势和电荷分布 a.多子积累 b.多子耗尽 c.反型107 第107页，本讲稿共116页P型半导体的表面电荷QS和表面势VS关系108 第108页，本讲稿共116页表面空间电荷层的电场、电势和电容l 半导体表面处的电场强度为q 表面的电荷面密度：根据高斯定理得到式中的负号是因为规定电场强度指向半导体内部时为正 l 微分电容q 109 第109页，本讲稿共116页p型半导体接触出现强反型层条件110第110页，本讲稿共116页三、MIS电容电压特性111 第111页，本讲稿共116页112第112页，本讲稿共116页实际情况下的修正113 第113页，本讲稿共116页设在金属与n 型半导体之间加一电压，且nsi接正电压，金属接低电位，使半导体表层内出现耗尽状态(1)求耗尽尼内电势V(x)；(2)若表面势V0.4v，外加电压为5v，施主浓度Nd1016/cm3求耗尽层厚度。114 第114页，本讲稿共116页当x=0，V（x）即表面势。115 第115页，本讲稿共116页当外加电势时，表面势提高到V+VS116 第116页，本讲稿共116页