半导体器件物理第三章半导体的表面特性讲稿.ppt

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1、半导体器件物理第三章半导体的表面特性第一页，讲稿共三十七页哦第3章 半导体的表面特性本章要点本章要点l半导体的表面与半导体的表面与Si-SiO2系统的特性系统的特性l表面空间电荷区的状态和表面势的概念表面空间电荷区的状态和表面势的概念lMOS结构的阈值电压和结构的阈值电压和MOS结构的应用结构的应用lMOS结构的结构的C-V特性特性l金属与半导体接触、肖特基势垒二极管（金属与半导体接触、肖特基势垒二极管（SBD）第二页，讲稿共三十七页哦3.1 半导体表面与Si-SiO2系统半导体表面半导体表面悬挂键悬挂键Si原子原子3.1.1 理想的半导体表面理想的半导体表面 所谓理想的半导体表面是指原子完全

2、有规则的排列且终止于同一平面上。但显而易见的是，由于表面处晶格原子排列的终止，故表面处的原子存在不饱和共价键，被称为悬挂键。一般地，一个悬挂键对应一个电子状态，将称其为表面态。第三页，讲稿共三十七页哦Si衬底衬底SiO2层层3.1 半导体表面与Si-SiO2系统在制作晶体管和集成电路之前，半导体Si晶体表面需经过仔细研磨、抛光和清洁处理，并确保其良好的平整度。硅（Si）还是一种较活泼的化学元素，其氧化物SiO2在半导体制备中有着特殊的功用，主要用作为：绝缘介质层，用于分隔金属膜及其他导电材料；掩蔽层，用于杂质元素的选择性掺杂；钝化，保护器件和晶圆免受外来物质与离子的沾污。第四页，讲稿共三十七页

3、哦Si衬底衬底SiO2可动离子可动离子固定电荷固定电荷界面态界面态辐射电离陷阱辐射电离陷阱3.1.2 Si-SiO2系统及其特性系统及其特性3.1 半导体表面与Si-SiO2系统在Si-SiO2系统中，至少存在四种因素影响其电学性能的稳定，它们分别是：可动离子，以钠离子（Na+)为主要对象；固定电荷，通常是一些过剩的硅离子Si+；辐射电离陷阱；界面态，即前述的表面态。第五页，讲稿共三十七页哦3.1 半导体表面与Si-SiO2系统界面态界面态Si-SiO2界面界面图中显示了Si晶圆经氧化以后，Si-SiO2界面的结构情形。实验表明，界面态面密度与晶圆的晶向、氧化炉温、退火工艺等因素有关。根据所制

4、备的器件不同，理想的情形是将面密度控制在1010/cm2eV以下。第六页，讲稿共三十七页哦MOS晶体管晶体管电极或金属互连线电极或金属互连线SiO2层层源、漏区或衬底源、漏区或衬底Si3.2 表面空间电荷区与表面势MOS结构是半导体器件结构中两种最基本的结构之一。图中显示了它构成MOS晶体管的核心结构；显示了由于金属布线而广泛存在于集成电路中的寄生MOS结构。第七页，讲稿共三十七页哦栅介质栅介质(SiO2)栅电极栅电极3.2 表面空间电荷区与表面势3.2.1 表面空间电荷区表面空间电荷区对于不同的栅压VG，表面空间电荷区存在四种状态：a.VG=0V 平带状态；b.VG0V 耗尽状态；d.VG0

5、V 反型或强反型状态。理想理想MOS结构的条件：结构的条件：Si-SiO2系系统统中中不不存存在在前前述述的的三三种种性质的电荷及界面态；性质的电荷及界面态；金金属属栅栅与与衬衬底底半半导导体体材材料料之之间间的的功功函函数相等。数相等。第八页，讲稿共三十七页哦3.2 表面空间电荷区与表面势a.VG=0V 平带状态平带状态电荷分布电荷分布MOS结构两端的电压为0，此时衬底Si表面不受任何电场作用，故不存在空间电荷区，因此体电荷密度分布(x)=0,半导体表面能带是平直的。第九页，讲稿共三十七页哦电荷分布电荷分布空穴空穴3.2 表面空间电荷区与表面势b.VG0V 多子积累状态多子积累状态此时，受负

6、栅压的作用，P-Si衬底的多数载流子空穴趋于流向表面，形成一薄层空穴积累层。由于衬底基准电位为0，故表面势s0V 耗尽状态耗尽状态受到正栅压的作用，半导体表面处的空穴趋于流向衬底，从而导致留下一层受主负离子，并构成空间电荷区，此时表面势s0，表面处能带向下弯曲，电荷分布见图。第十一页，讲稿共三十七页哦电子反型层电子反型层电荷分布电荷分布耗尽层耗尽层3.2 表面空间电荷区与表面势d.VG0V 反型或强反型状态反型或强反型状态当栅极电压VG进一步提高并使得表面势S满足S2FP，半导体表面吸引了更多数量的电子并形成电子反型层，空间电荷区厚度达到最大值Xdmax,表面处能带弯曲如图所示。第十二页，讲稿

7、共三十七页哦3.2 表面空间电荷区与表面势半导体材料的费米势半导体材料的费米势FSi材料费米势材料费米势F的定义：的定义：对对P-Si和和N-Si材料，它们的费米势材料，它们的费米势FP和和FN分别为：分别为：室室温温下下：kT/q=0.026V第十三页，讲稿共三十七页哦3.2 表面空间电荷区与表面势3.2.2 表面势表面势表表面面势势是是指指半半导导体体表表面面与与半半导导体体衬衬底底之之间间的的电电势势差差，用用S S表表示示。它它表表征征了了空空间间电电荷区电荷的变化情况以及表面处能带的弯曲情况。荷区电荷的变化情况以及表面处能带的弯曲情况。根据泊松方程根据泊松方程其中其中可以得到如下表达

8、式可以得到如下表达式第十四页，讲稿共三十七页哦3.2 表面空间电荷区与表面势 另外，表面空间电荷区的电场和电势分布另外，表面空间电荷区的电场和电势分布如图所示，它们的表达式分别为：如图所示，它们的表达式分别为：而表面空间电荷区的电荷面密度而表面空间电荷区的电荷面密度QSC可表达为：可表达为：P-Si衬底衬底N-Si衬底衬底第十五页，讲稿共三十七页哦3.3 MOS结构的阈值电压3.3.1 理想理想MOS结构的阈值电压结构的阈值电压（以（以P-Si衬衬底的底的MOS结结构构为为例例）定定义义：当当P型型Si半半导导体体表表面面达达到到强强反反型型，且且反反型型层层电电子子浓浓度度等等于于衬衬底底空

9、空穴穴（多多子子）浓浓度度时时，这这时时所所施施加加的的栅栅极极电电压压VG称称作作MOS结结构构的的阈阈值值电电压压，也也称称开开启启电电压压，用用VT表示。表示。VT表达式为（表达式为（P-Si衬底）：衬底）：同理，对同理，对N-Si衬底，有衬底，有第十六页，讲稿共三十七页哦真空能级真空能级E0金属或半导体材料金属或半导体材料真空真空电子电子电子电子3.3 MOS结构的阈值电压1.金属与半导体的功函数金属与半导体的功函数W3.3.2 实际实际MOS结构的阈值电压结构的阈值电压 定义：定义：功功函函数数W是是指指一一个个能能量量位位于于费费米米能能级级EF处处的的电电子子从从金金属属或或半半

10、导导体体内内部部逸逸出出到到真真空空中中所所需需要要给给予予它它的的最小能量最小能量。定义式为：定义式为：N型P型ND/cm-3101410151016NA/cm-3101410151016WS/eV4.374.314.25WS/eV4.874.934.99Si 材料在不同掺杂浓度下的功函数材料在不同掺杂浓度下的功函数WS （单位：（单位：eV）第十七页，讲稿共三十七页哦3.3 MOS结构的阈值电压2.金属与半导体功函数差对金属与半导体功函数差对VT的影响的影响图（a）所示是一个普通MOS结构的能带图。当用金属铝来做栅极时，由于铝的功函数较小，约为WAl=4.13eV,通常小于半导体的功函数，

11、如图。因此，即使不施加栅压，栅极也会与半导体衬底发生电子交换，见图（b）。(a)(b)第十八页，讲稿共三十七页哦3.3 MOS结构的阈值电压(c)(d)图图（c）所所示示的的是是这这种种电电子子交交换换结结束束时时，并并且且在在达达到到新新的的平平衡衡态态时时的的能能带带图图。当当栅栅极极金金属属功功函函数数较较小小时时，半导体表面能带通常向下弯曲。半导体表面能带通常向下弯曲。为为使使半半导导体体表表面面能能带带变变平平，需需要要在在栅栅极极施施加加补补偿偿电电压压VG，如如图图（d）所所 示示。数数 值值 上上，VG=msms。考考虑虑msms后后，VT修修正正为为下式下式(P-Si)(P-

12、Si)。第十九页，讲稿共三十七页哦3.3 MOS结构的阈值电压3.栅氧化层中有效表面态电荷密度栅氧化层中有效表面态电荷密度QSS对对VT的影响的影响图（e）显示了栅氧化层中各种正电荷以及Si-SiO2界面的界面态对半导体表面的影响，图中用有效表面态电荷密度QSS来等效，它位于Si-SiO2界面SiO2一侧，这样来等效，便于问题的处理。图（f）则显示了半导体表面受QSS作用后能带弯曲情形。(e)(f)第二十页，讲稿共三十七页哦3.3 MOS结构的阈值电压(g)(h)图图（g）显显示示了了为为平平衡衡SiO2层层中中有有效效表表面面态态电电荷荷密密度度QSS对对半半导导体体表表面面的的影影响响，施

13、施加加补补偿偿电电压压VG的的情情形形。在在数数值值上上该该补补偿偿电电压压需需满满足足VG=（QSS/Cox）。一一般般地地，由由于于QSS0，因因此此，有有VGV2V1，因因此此，c势势阱阱中中的的电电势势能能最最低低，当当b阱阱中中有有信信息息电电荷荷时时，在在V3脉脉冲冲的的作作用用下下，将将会转移到会转移到c阱中，实现信息转移。阱中，实现信息转移。第二十五页，讲稿共三十七页哦3.4 MOS结构的C-V特性3.4.1 MOS电容电容从从结结构构上上看看，MOS结结构构实实际际上上构构成成了了一一个个电电容容器器，它它的的栅栅电电极极构构成成了了该该电电容容器器的的上上电电极极，而而下下

14、面面的的半半导导体体衬衬底底则则构构成成了了电电容容器器的的下下电电极极。前前面面的的分分析析已已经经表表明明，当当在在金金属属栅栅极极上上施施加加不不同同的的电电压压时时，在在半半导导体体衬衬底底的的表表面面会会感感应应出出空空间间电电荷荷区区以以及及反反型型层层或或者者多多数数载载流子的积累层。流子的积累层。另另外外，我我们们也也注注意意到到这这个个下下电电极极，即即半半导导体体衬衬底底的的表表面面在在带带电电情情形形时时与与普普通通电电容容器器的的带带电电情情形形存存在在一一定定的的区区别别，这这告告诉诉我我们们这这种种MOS电电容容器器应应当当与与普普通通电电容容器存在一定的区别。器存

15、在一定的区别。图图示示电电路路中中的的C是是一一个个MOS电电容容，由由于于单单位位面面积积的的电电容容量量较较小小，MOS电电容容也也只只能能制制作作小小容容量量电电容容，一一般般小小于于100PF。第二十六页，讲稿共三十七页哦MOS电容电容直流偏压直流偏压交流小信号交流小信号信号电流信号电流P-Si3.4 MOS结构的C-V特性3.4.2 理想理想 MOS电容的电容的C-V特性特性由由于于MOS电电容容也也是是一一种种非非线线性性电电容容，即即是是它它的的电电容容值值是是随随着着施施加加在在它它上面的直流偏压而改变的，因此实质上是一种微分电容。上面的直流偏压而改变的，因此实质上是一种微分电

16、容。图图示示为为一一种种测测量量MOS电电容容的的原原理理电电路路。其其中中V为为直直流流偏偏压压，V=u为为测量信号。测量信号。定义：定义：或者近似或者近似第二十七页，讲稿共三十七页哦3.4 MOS结构的C-V特性1.栅极直流偏压满足栅极直流偏压满足 VG0（以（以P-Si为衬底）为衬底）当当栅栅极极施施加加负负偏偏压压时时，P-Si表表面面感感应应出出多多子子空空穴穴的的积积累累层层，该该空空穴穴积积累累层层紧紧靠靠Si表表面面，因因此此，负负栅栅直直流流偏偏压压在在一一定定范范围围变变化化时时，MOS电容值电容值C(V)=Cox不变。不变。2.栅极直流偏压满足栅极直流偏压满足 0VGVT

17、第二十九页，讲稿共三十七页哦高频高频 f 1kHz低频低频 f 1kHz)ii)低频情况低频情况(f100Hz)理想理想C-V特性曲线特性曲线第三十页，讲稿共三十七页哦3.4 MOS结构的C-V特性3.4.3 实际实际MOS电容的电容的 C-V 特性特性1.金属金属-半导体功函数差对半导体功函数差对 C-V 特性的影响特性的影响受金属栅极与半导体衬底材料功函数的不同，当它们之间的接触电势差为ms时，曲线将平移该数值，如图所示。对于绝大部分金属，由于msWs。当当它它们们紧紧密密接接触触以以后后，所所形形成成的的能能带带图图如如图图(d)所所示示，并并产产生生一一势势垒垒，称其为肖特基势垒，势垒

18、高度为称其为肖特基势垒，势垒高度为qVD=EFS-EFm。第三十五页，讲稿共三十七页哦3.5 金属与半导体接触(a)(b)(c)关于整流接触的热电子发射理论关于整流接触的热电子发射理论热电子发射理论认为：在一定温度T下，总有少量位于费米能级EFm附近的电子因获得足够能量而逸出金属表面，这种现象称为热电子发射。同样地，对于半导体来说，也总会存在少量位于导带底附近的电子因获得足够能量而逸出其表面的现象发生，见图(a)所示。第三十六页，讲稿共三十七页哦3.5 金属与半导体接触图(a)表明，在金属-半导体交界面两侧，金属中将有少量电子突破势垒m进入到半导体一侧，而半导体中也同样会有部分电子越过势垒qV

19、D进入到金属中（注意这里m稍大于qVD且是不变的）。当系统处于平衡态时，金属与半导体互相通过界面发射电子，它们各自所对应的电子电流大小相等，而方向相反，于是通过肖特基势垒的净电流为零。但应当注意，这种平衡是动态的，一旦施加外加偏压，这种平衡将会被打破，从而产生一定的净电流。图(b)显示了施加正向偏压的情形，这时半导体向金属发射电子数量明显增加，形成正向电流；图(c)显示了施加反向偏压的情形，这时半导体向金属发射的电子数量极少，而金属向半导体发射的电子数量基本不变，因为m不变，从而形成一股反向电流。金金-半整流接触伏安特性方程：半整流接触伏安特性方程：其中其中A为结面积，为结面积，C为常数。为常数。第三十七页，讲稿共三十七页哦