2021-2022学年高二物理竞赛课件：各种表面层状态.pptx

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1、各种表面层状态各种表面层状态各种表面层状态各种表面层状态作用于半导体表面的外电场方向和场强不相同，往往会导致不同的表面层状态。以非简并P型半导体为例，对出现的几种不同状态进行定性讨论。外电场背向P型半导体，表面势Vs小于零，半导体表面处能带向上弯曲，多数载流子空穴受外电场吸引堆积在半导体表面层带正电荷。这样在半导体表面形成多数载流子的堆积层。表面状态的微分电容为：表面势的绝对值|Vs|越大，能带在表面处向上弯曲得越厉害，表面层空穴的浓度越高，表面微分电容也就越大。理想的自由半导体表面，没有任何外界作用因素，表面能带不发生弯曲，半导体表面处于平带状态。无外电场时，即：微分电容依然存在：半导体的微

2、分电容决定于半导体的性质以及多数载流子的浓度。半导体表面处于平带时的微分电容为平带电容 外电场指向P型半导体，表面势Vs大于零，半导体表面处能带向下弯曲，形成多数载流子空穴的势垒。越靠近表面，价带顶的能量位置离EF越远，空穴浓度越低。假设外电场作用使半导体表面势垒高到足以使表面层的多数载流子几乎丧失完，表面层的电荷密度基本上等于电离杂质的浓度，这样的半导体表面层称为多数载流子的耗尽状态。耗尽状态下表面微分电容表示式为：表面处的费米能级接近禁带中央。泊松方程：边界条件：得出电场分布：得出电势分布：X=0处表面势为：耗尽层中单位面积微分电容CS相当于一个距离为xd的平板电容器的单位面积电容。表面势

3、增加，耗尽层宽度增加，电容减小。在多数载流子耗尽的情形下，外电场进一步增大，表面能带进一步向下弯曲，出现费米能级高于禁带中央能量位置的情形。这表明表面处的少数载流子浓度超过该处的多数载流子浓度，形成与原半导体衬底导电类型相反的表面层，称为少数载流子的反型层。表面层出现反型可以分为弱反型和强反型两种状态。弱反型和强反型的条件由表面处的少数载流子浓度和多数载流子浓度相比较而定。以P型半导体为例：表面处电子浓度ns（x），表面处空穴浓度ps（x）。此时表面处费米能级到导带底的距离小于到价带顶的距离，即：弱反型条件为：此时表面处费米能级到表面导带底的距离小于到内部价带顶的距离，即：即强反型条件为：2强

4、反型条件又可写为：衬底杂质浓度越高，出现强反型所需要的Vs值越大，越难以达到强反型。BB 这是因为反型层中积累电子屏蔽了外场的作用，当电压继续增大时，积累的少数载流子呈指数增多，而不必使耗尽层向半导体内部继续延伸。最大耗尽宽度由半导体材料的性质和掺杂浓度来决定：NA或ND越大，最大耗尽宽度越小；相同的掺杂情况下，Eg越宽的材料，ni值越小，最大耗尽宽度越小。反型载流子分布在表面很窄、势能最低的薄层内，把这一反型导电的薄层称为导电沟道。导电沟道与半导体内部之间是近乎绝缘的耗尽层。（P型半导体形成N型沟道，N型半导体形成P型沟道）平衡态前面四种都是平衡态。表面电场不随时间变化，或随时间变化的足够缓

5、慢，使得表面空间电荷层中载流子的变化跟得上表面电场的变化。非平衡态表面电场振幅大，变化快（脉冲电场）。空间电荷层中少子的产生速率赶不上电压的变化，反型层来不及建立，为了保持和金属板上的电荷平衡，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受主。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xdm，且随电压的增大而增大，称为深耗尽状态。如果电场在阶跃后不再变化，则耗尽层中将不断产生电子空穴对，电子向表面漂移形成反型层，空穴向体内漂移和耗尽区边界处的电离受主中和，使耗尽层宽度减小，最后达到平衡的强反型状态，即表面处出现反型层，耗尽宽度达最大值xdm。表面电导表面电导 半导体

6、表面层电势分布使载流子电势能发生变化，因而载流子浓度也发生变化。单位面积的表面层中空穴的改变量（与内部比较）为：用dx=-dV/E带入上式，得到：同理可得单位面积的表面层中电子的改变量为：半导体表面的载流子浓度与体内的载流子浓度很不相同。电导率与载流子浓度相关，因此半导体体内和表面的电导率有明显差别。迁移率与电导率密切相关，因受电场的影响体内和表面的迁移率有很大不同。表面附加电导：表面薄层电导与半导体的表面势VS密切相关，也与半导体的表面状况及所处外界气氛有关。当半导体表面状况及外界气氛一定后，表面薄层电导即受外加电压的直接控制。这种半导体表面薄层电导受栅极所加电压调制的效应称为表面电场效应。这一效应是MIS器件的基本理论依据。BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB令：F函数在多数情况下都可以简化，=10 5或=10 10时，