高二物理竞赛表面电场效应课件.ppt

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1、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内发生的物理现象。的物理现象。可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生可以采用不同方法，使得半导体表面层内产生电场，如：功函数不同的金属和半导体电场，如：功函数不同的金属和半导体接触接触（金（金/半接触）、半接触）、表面态表面态、使半导体、使半导体表面吸附表面吸附某某种带电的离子等种带电的离子等（一）空间电荷层及表面势：（一）空间电荷层及表面势：表面电场效应对金属表面电场效应对金属/氧化物氧化物/半导体半导体(MOS)器器件及半导体表面的研究工作十分重要件及半导体表面的研究工作十分重要 如图装置是如图装置是MIS结构。结

2、构。 (Metal-Insulator-Semiconductor)中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金的，在金/半间加电压时即可产生表面电场。半间加电压时即可产生表面电场。结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒子结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒子，界面态等），界面态等）金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触 现在理想情况现在理想情况 假设假设MIS结构满足以下条件：结构满足以下条件：（1 1）W Ws s=W=Wm m；（2 2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；（3 3）

3、绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。）绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。 讨论理想讨论理想MIS结构结构金金/O/O/半半间加电压产生垂直于表面间加电压产生垂直于表面 的电场时，的电场时，半导本表面层内的电势及电荷分布情况半导本表面层内的电势及电荷分布情况。金属金属绝缘层绝缘层半导体半导体欧姆接触欧姆接触空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）外加表面电场外加表面电场空间电荷层空间电荷层空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度的的“空间电荷层空间电荷层”或叫或叫

4、“空间电荷区空间电荷区”，其宽度从零点几微米到几个微，其宽度从零点几微米到几个微米。米。表面势表面势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在半导体中，由于自由载流子密度低得多，在半导体中，由于自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一电荷必须分布在一定厚度的表面层内定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做；这个带电的表面层称做空间电荷区空间电荷区表面势表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷

5、层内的能带发生弯曲，生弯曲，“表面势表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。 TkxqVpxpTkxqVnxnss0s00s0expexp表面电场可以改变表面电导表面电场可以改变表面电导表面空间电荷层的电荷与表面空间电荷层的电荷与Vs有关，有关，表现出表现出电容效应电容效应l 表面电势比内部高时取正值表面电势比内部高时取正值。l 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电压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电压VG而变化，分为而变化，分为堆积、耗尽和反型堆积、耗尽和反型三种情况。三种情况。l 由波耳兹曼统计，

6、表面层载流子浓度由波耳兹曼统计，表面层载流子浓度ns、ps和体内平衡载流子浓度和体内平衡载流子浓度n0、p0的关系为：的关系为： 以热平衡时以热平衡时p型半导体为例：型半导体为例：EviEciEiEvEcEFsEFm理想理想MIS结构的能带图结构的能带图表面势为零，能带平直表面势为零，能带平直在热平衡时，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VG=0VG=0(1)、 VG=0时时,平带状态平带状态(2)、VG0 多子空穴的积累多子空穴的积累VG 0（3）VG 0 耗尽状态耗尽状态QmQsx电荷分布电荷分布1. 空间电荷区表面势为正空间电荷区表面势为正2. 能带向下弯曲

7、能带向下弯曲3.表面层空穴表面层空穴(多子多子) 浓度比体浓度比体内少得多，基本上耗尽，负电内少得多，基本上耗尽，负电荷基本等于电离受主杂质浓度荷基本等于电离受主杂质浓度EFmEFsEcEvEi能带图能带图-受主杂质受主杂质VG 0（4）VG 0 反型状态反型状态1. 空间电荷区表面势为正空间电荷区表面势为正2. 能带进一步下弯，能带进一步下弯， EFs离离Ec更近更近3. 表面区的少子电子数表面区的少子电子数多子空穴多子空穴数数表面反型出现；表面反型出现；4. 反型层发生在表面处，和半导体内反型层发生在表面处，和半导体内部之间还夹着一层耗尽层部之间还夹着一层耗尽层EFmEFsEcEvEiQm

8、Qsx电荷分布电荷分布-耗尽层耗尽层电子电子VG状态状态Vs能带能带QsEsVG 0积累积累Vs0Es 0耗尽耗尽Vs0(VsVB)下弯下弯Qs 0VG 0反型反型Vs0(VsVB)下弯下弯Qs 0p型型 理想理想MIS结构的表面电场效应结构的表面电场效应VGp 型型VsxVs=0V0多子堆积多子堆积VG=0平带状态平带状态ECEVEFEiVG0ECEVEiEF多子耗尽多子耗尽ECEVEiEF少子反型少子反型VG0求解泊松方程求解泊松方程表面层中电场强度表面层中电场强度Es、电势、电势Vs高斯定理高斯定理s0rssEQsssVQC微分电容表面空间电荷层表面空间电荷层思路：思路： 多子堆积多子堆

9、积 平带平带 多子耗尽多子耗尽 少子反型少子反型进行相应近似进行相应近似ESQSCS四种基本状态的电场、电势和电容四种基本状态的电场、电势和电容:外加电压外加电压VG0 ，Vs0。（a）多子积累时：）多子积累时：EFmEFsEcEvEi能带图能带图E0002020200222sssqVk TsDqqVk TrVk TrssDssDk TEeqLk TQeLLqCe 表面电场表面电场、表面电荷表面电荷和和空空间电荷电容间电荷电容随表面势的绝随表面势的绝对值的增加而对值的增加而指数增长指数增长。表面势越负，能带在表面表面势越负，能带在表面处向上弯曲得更厉害，表处向上弯曲得更厉害，表面层空穴浓度急剧

10、增加面层空穴浓度急剧增加(b) 平带状态平带状态 当外加电压当外加电压VG=0时，表面势时，表面势Vs=0，表面处能带，表面处能带不发生弯曲，称为平带状态。不发生弯曲，称为平带状态。EviEciEiEvEcEFsEFm0001prsFBsDpnCLp 00ssEQ（c）耗尽状态：）耗尽状态：外加电压外加电压VG0，即表面势，即表面势Vs0，能，能带向下弯曲，是空穴的势垒。但当带向下弯曲，是空穴的势垒。但当VG不太大时，不太大时，不能使得表面处的中不能使得表面处的中央能级央能级E Ei i弯到费米能级以下弯到费米能级以下。VBVs0EFmEFsEcEvEi能带图能带图-受主杂质受主杂质12121

11、20120001202212ssDrsssDrssDsk TEVLqk TQVLqCLqVk T （2 2）、）、EsEs为正值，电场和为正值，电场和X X方向一致；方向一致；QsQs为负值，表明空间电荷是由电离受主为负值，表明空间电荷是由电离受主杂质形成的负电荷。杂质形成的负电荷。（1）、）、表面电场强度表面电场强度EsEs和表面电荷和表面电荷QsQs都都正比于正比于(V(VS S) )1/21/2 。(d) 反型状态反型状态 (VG 0)qVBqVsEi随外加正向电压随外加正向电压VG的进一步增大，的进一步增大，Ei下降下降到费米能级以下到费米能级以下，出现了反型层（少子大，出现了反型层（少子大于多子）。于多子）。VsVB强反型和弱反型强反型和弱反型:表面少子的浓度表面少子的浓度ns 是否超过是否超过体内多子的浓度体内多子的浓度ppo 为标志为标志弱反型弱反型: nsVsVB)临界强反型临界强反型: ns= ppo (Vs = 2VB)强反型强反型: ns ppo (Vs 2VB),BiFqVEE费米势费米势：费米势：