半导体物理第八章精.ppt
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1、半导体物理第八章第1页,本讲稿共116页1半导体的表面结构半导体的表面结构l表面的概念表面的概念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,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会构成表面的特殊结构和性质;q理想表面理想表面就是指表面居中原子排列的对称性与体内原子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,这原子将
2、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个键称作悬挂键,与之对应的电子能态就是表面态;表面态;2第2页,本讲稿共116页1半导体的表面结构半导体的表面结构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;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表面弛豫现象;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,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,出现所谓的出现所谓的表面
3、再构表面再构现象,降低悬挂键密度;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(一般主要由一般主要由氧原子组成氧原子组成),在表面上覆盖了一层二氧化硅层,使硅表面的悬挂键大部,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;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,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。并对表面性质产生显著影响。4第
4、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,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中电子使之成为耗尽层甚至变为p型反型层。型反型层。q表面能级由两组,表面能级由两组,组为施主能级组为施主能级(带电子为中性,失去电子带正电荷带电子为中性,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
5、导带。靠近导带。q表表面面处处还还存存在在由由于于晶晶体体缺缺陷陷或或吸吸附附原原子子等等原原因因引引起起的的表表面面态态,这这种种表表面面态态的的特点是,其数值与表面经过的处理方法有关。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,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,固体物理理想固体物理理想的清洁表面的清洁表面6第6页,本讲稿共116页7第7页,本讲稿共
6、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1
7、16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表面电场效应表面电场效应l一般概念一般概念q讨讨论论在在热热平平衡衡情情况况的的表表面面电电场场效效应应,以以及及外外加加电电场场作作用用下下半半导导体体表表面面层层内内现象。现象。q表表面面电电场场产产生生的的原原因因:功功函函数数不不同同的的金金属属和和半半导导体体接接触触,或或半半导导体体表表面面外吸附某种带电离子等。外吸附某种
8、带电离子等。q表面电场效应的研究方法表面电场效应的研究方法:MIS结构结构15第15页,本讲稿共116页VG=0时时,理想理想MIS结构的能带图结构的能带图Ev1Ec1EiEvEcEFsEFm理想的理想的MIS结构:结构:1)金属与半导体间功函数差为零;)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;)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。)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空间电荷层及表面势的概念qMIS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
9、半导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。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电的表面层称做空间电荷区空间电荷区。17第17页,本讲稿共116页l空间电荷层及表面势的概念空间电荷层及表面
10、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称空间电荷层两端的电势差为表面势表面势(VS表示)。表示)。q规定规定表面电势比内部高时取正值,反之取负值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。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,基本上可归纳为而变
11、化,基本上可归纳为多子堆积、耗尽和反型三种情况多子堆积、耗尽和反型三种情况:18第18页,本讲稿共116页(1 1)多多 子子 积积 累累l l特征特征:l1)能带向上弯曲并接近EF;EFmEFsEcEvEiQsQmxVGG多子数表面反型;3 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对于对于n型半导体型半导体,当金属与半导体间加正电压时,表,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
12、一步增大时,表面层内形成有少数层;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。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、理想理想理想理想MISMISMISMIS结构结构结构结构的电容效应的电容效应25第25页,本讲稿共116页VG=Vs+Vo (2)第26页,本讲稿共116页(1a1a)表面电场分布)表面电场分布E Es s3 3、表面空间电荷层的、表面空间电荷层的 电场、电势和电容电场、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3
13、0第30页,本讲稿共116页(1b)表面电荷分布)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:平带:Vs=035第35页,本讲稿共116页(3 3)耗尽:)耗尽:V Vs s0036第36页,本讲稿共116页(3 3)耗尽:)耗尽:V Vs s0037第37页,本讲稿共116页xd38第38页,本讲稿共116页(4)反型反型回顾39第39页,本讲稿共116页qVBqVs(4)反型反型当表面处少子浓度等于体内多子浓度当表面处少子浓度等于
14、体内多子浓度,为强反型为强反型根据Boltzmann统计:40第40页,本讲稿共116页(4)反型反型根据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: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出现强反型,表面耗尽层宽度就达到一个极大
15、值xdm,不再随外,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。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分是电离受主的负电荷NA,另一部分是反型层中的积累,另一部分是反型层中的积累电子。电子。46第46页,本讲稿共116页l深耗尽状态深耗尽状态q以以p型型半半导导体体为为例例,在在金金属属与与半半导导体体间间加加一一脉脉冲冲阶阶跃
16、跃或或高高频频正正弦弦波波形形成成的的正正电电压压时时,由由于于空空间间电电荷荷层层内内的的少少数数载载流流子子的的产产生生速速率率赶赶不不上上电电压压的的变变化化,反反型型层层来来不不及及建建立立,只只有有靠靠耗耗尽尽层层延延伸伸向向半半导导体体内内所所产产生生大大量量受受主主负负电电荷荷以以满满足足电电中中性性条条件件。因因此此,这这种种情情况况时时耗耗尽尽层层的的宽宽度度很很大大,可可远远大大于于强强反反型型时时的的最最大大耗耗尽尽层层宽宽度度,且且其其宽宽度度随随电电压压VG幅幅度度的的增增大大而而增增大大,这种状态称为这种状态称为深耗尽状态深耗尽状态。47第47页,本讲稿共116页l
17、讨论深耗尽状态向平衡反型状态的过渡过程讨论深耗尽状态向平衡反型状态的过渡过程:l阶跃陡变的正电压阶跃陡变的正电压深耗尽状态深耗尽状态l深耗尽状态深耗尽状态:产生率大于复合率产生率大于复合率l产生的电子产生的电子表面表面-反型层反型层l产生的空穴产生的空穴体内体内-与深耗层边缘的电离受主中和与深耗层边缘的电离受主中和l-深耗层减薄深耗层减薄l一定时间后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:从深耗尽状态从深耗尽状态(宽度宽度 )过到平衡反型状态过到平衡反型状态(宽度宽度
18、 )的热驰豫时间的热驰豫时间 :热驰豫时间一般为热驰豫时间一般为1-100s,是一个快过程是一个快过程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。深耗尽状态是在实际中经常遇到的一种较重要的状态。q在在非非平平衡衡电电容容电电压压法法测测量量杂杂质质浓浓度度分分布布,电电容容时时间间法法测测量量衬衬底底中中少数载流子寿命时半导体表面处于这种状态。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。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 MIS结构的结构的
19、C-VC-V特性特性前面已知前面已知:51第51页,本讲稿共116页 MIS MIS结构的结构的C-VC-V特性特性多子堆积多子堆积平带平带耗尽耗尽强反型强反型52第52页,本讲稿共116页 MIS MIS结构的结构的C-VC-V特性特性为了分析电容的变化特性为了分析电容的变化特性我们分情况考察我们分情况考察53第53页,本讲稿共116页(1 1)、多子积累时:)、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 MIS结构的结构的C-VC-V特性特性54第54页,本讲稿共116页(2)(2)平带状态平带状态l
20、特征:特征:归一化电容与衬底掺杂浓度归一化电容与衬底掺杂浓度N NA A和绝缘层厚度和绝缘层厚度d do o有关。有关。nd do o 绝缘层厚度绝缘层厚度55第55页,本讲稿共116页(3 3)耗尽状态)耗尽状态56第56页,本讲稿共116页57第57页,本讲稿共116页(4 4)强反型后:)强反型后:A A、低频时、低频时58第58页,本讲稿共116页B B、高频时、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)半导体材料及绝缘层材料一定l时,时,C-V特性将随特性将随do及及NA而而l变化;变化;l(2)C-V特性与频率有关特性与频率有关MIS结构等效电路
21、 MIS结构的C-V曲线60第60页,本讲稿共116页3 3、金属与半导体功函数差、金属与半导体功函数差W Wmsms 对对MISMIS结构结构C-VC-V特性的影响特性的影响l例:当Wm00W Wm m-W-Ws s=q=q(V Vmsms+V+Vi i)qVqVmsms: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使能带恢复平直的栅电压C CFBFBV VFB1FB1平带电压平带电压V VFB1FB166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
22、讲稿共116页(1A)假设在)假设在SiO2中距离中距离金属金属-SiOSiO2 2界面界面x处有一层处有一层正正电荷电荷金属SiO2半导体do假定假定W Wm m=W=Ws讨论:68第68页,本讲稿共116页恢复平带的方法: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:)一般情况:正电荷在正电荷在SiO2中有一定的体分布中有一定的体分布71第71页,本讲稿共116页72第72页,本讲稿共116页真实的真实的Si-SiO2系统性质系统性质 lSi-SiO2系统
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- 半导体 物理 第八
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