半导体物理2013(第八章)ppt课件.ppt
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1、为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益第第8 8章章 半导体表面和半导体表面和MISMIS结构结构为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益本章主要内容本章主要内容:lMISMIS结构中的表面电场效应结构中的表面电场效应lMISMIS结构电容结构电容-电压特性电压特性l硅硅-二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质l表面电场对表面电场对pnpn结特性的影响结特性的影响为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度
2、,保障用人单位和职工的合法权益8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l我们通过一个我们通过一个MIS结构来讨论在外加电场作用下结构来讨论在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象,并假设考虑的理想半导体表面层内发生的现象,并假设考虑的理想的的MIS结构满足以下条件:结构满足以下条件:金属与半导体功函数相等;金属与半导体功函数相等;绝缘层内无电荷且绝缘层完全不导电;绝缘层内无电荷且绝缘层完全不导电;绝缘层与半导体交界面处不存在任何界面态。绝缘层与半导体交界面处不存在任何界面态。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权
3、益MIS结构示意图及理想MIS的能带图8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益外加电场作用于该外加电场作用于该MIS结构,金属接高电位,即结构,金属接高电位,即VG0MIS结构由于绝缘层的结构由于绝缘层的存在不能导电,实际就存在不能导电,实际就是一个电容器,金属与是一个电容器,金属与半导体相对的两个面上半导体相对的两个面上被充电,结果金属一层被充电,结果金属一层的边界有正电荷积累,的边界有正电荷积累,而在而在P型半导体表面形型半导体表面形成一定宽度的带负电荷成一定宽度的带负
4、电荷的空间电荷区。的空间电荷区。8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益在空间电荷区内,电场的在空间电荷区内,电场的方向由半导体与绝缘层的方向由半导体与绝缘层的交界面(半导体表面)指交界面(半导体表面)指向半导体内部,同时空间向半导体内部,同时空间电荷区内的电势也随距离电荷区内的电势也随距离而变化,这样半导体表面而变化,这样半导体表面相对体内产生了电势差,相对体内产生了电势差,同时能带在空间电荷区内同时能带在空间电荷区内发生了弯曲。发生了弯曲。E8.1表面电场效应8.1.1
5、空间电荷层及表面势为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l表表面面势势V Vs s :称称空空间间电电荷荷层层两两端端的的电电势势差差为为表表面面势势,以以V Vs s表表示示之之,规规定定表表面面电电势势比比内内部部高高时时,V Vs s取正值;反之取正值;反之V Vs s取负值。取负值。l表表面面势势及及空空间间电电荷荷区区内内电电荷荷的的分分布布情情况况随随金金属属与与半半导导体体间间所所加加的的电电压压VGVG而而变变化化,基基本本上上可可归归纳纳为为三三种种情情况况:多多子子堆堆积积、多多子子耗耗尽尽和和少
6、少子子反反型。型。分析要点分析要点:表面空间电荷区电场方向和表面势;表面空间电荷区电场方向和表面势;半导体表面能带弯曲情况半导体表面能带弯曲情况;表面空间电荷区电表面空间电荷区电荷组成;荷组成;名称由来。名称由来。8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态:电场由半导体内部指向表电场由半导体内部指向表面,表面势为负值,表面面,表面势为负值,表面处能带越靠近表面向上弯处能带越靠近表面向上弯曲。曲。越接近半导体表面,越接近半导体表面,价带顶越
7、移近费米能级甚价带顶越移近费米能级甚至高过费米能级,同时价至高过费米能级,同时价带中空穴浓度也随之增加,带中空穴浓度也随之增加,即即表面空间电荷层为空穴表面空间电荷层为空穴的堆积而带正电荷,的堆积而带正电荷,且越且越接近表面空穴浓度越高接近表面空穴浓度越高多子堆积状态。多子堆积状态。M MI IS S8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l多数载流子的耗尽状态多数载流子的耗尽状态电场由半导体表面指向体内,电场由半导体表面指向体内,表面势为正值,表面处能带表面势为正值,表面
8、处能带越靠近表面向下弯曲。越靠近表面向下弯曲。越接越接近表面,半导体价带顶离费近表面,半导体价带顶离费米能级越远,价带顶处的空米能级越远,价带顶处的空穴浓度随之降低。表面处空穴浓度随之降低。表面处空穴浓度较体内空穴浓度低得穴浓度较体内空穴浓度低得多,多,表面层的负电荷基本上表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度等于电离受主杂质浓度多子的耗尽状态(耗尽层)。多子的耗尽状态(耗尽层)。8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l少数载流子的反型状态少数载流子的反型状态当空间电荷
9、区内能带进一步向下当空间电荷区内能带进一步向下弯曲使费米能级位置高于禁带中弯曲使费米能级位置高于禁带中线,意味着线,意味着表面处出现了一个与表面处出现了一个与衬底导电类型相反的一层,叫做衬底导电类型相反的一层,叫做反型层。反型层。反型层发生在紧靠在半反型层发生在紧靠在半导体表面处,从导体表面处,从反型层到半导体反型层到半导体内部之间还夹着一个耗尽层内部之间还夹着一个耗尽层。此。此时,时,表面空间电荷区由两部分组表面空间电荷区由两部分组成,一部分是耗尽层中的电离受成,一部分是耗尽层中的电离受主,另一部分是反型层中的电子,主,另一部分是反型层中的电子,后者主要堆积在近表面区后者主要堆积在近表面区少
10、子反型状态少子反型状态8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益金属与半导体间加负压,多子堆积金属与半导体间加负压,多子堆积金属与半导体间加不太高的正压,多子耗尽金属与半导体间加不太高的正压,多子耗尽金属与半导体间加高正压,少子反型金属与半导体间加高正压,少子反型p p型半导体型半导体V VG G000V VG G008.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权
11、益n n 型半导体型半导体金属与半导体间加正压,多子堆积金属与半导体间加正压,多子堆积金属与半导体间加不太高的负压,多子耗尽金属与半导体间加不太高的负压,多子耗尽金属与半导体间加高负压,少子反型金属与半导体间加高负压,少子反型V VG G00V VG G00V VG G000,Q Qs s用用负负号号;反反之之Q Qs s用用正正号号。可可以以看看出出,表表面面空空间间电电荷荷层层的的电电荷荷面面密密度度Q QS S随随表表面面势势V VS S变变化化,正正体体现现出出MISMIS结结构构的的电电容特性。容特性。8.1 表面电场效应8.1.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容为了规范事业单位聘
12、用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l在单位表面积的表面层中空穴的改变量为在单位表面积的表面层中空穴的改变量为l因为因为8.1 表面电场效应8.1.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l考虑到考虑到x=0 x=0,V=VV=Vs s和和x=x=,V=0V=0,则得,则得 l同理可得同理可得8.1 表面电场效应8.1.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单
13、位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l半导体表面处单位面积微分电容半导体表面处单位面积微分电容l单位单位F/mF/m2 2。下下面面以以P P型型半半导导体体构构成成的的MISMIS结结构构,讨讨论论三三种种类类型时的电场、电荷面密度及电容情况。型时的电场、电荷面密度及电容情况。返回8.1 表面电场效应8.1.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况l(1 1)多数载流子堆积状态(积累层)多数载流子堆积状态(积累层
14、)当当V VG G000时,但其大小还不足以使表面出现反型状时,但其大小还不足以使表面出现反型状态时,空间电荷区为空穴的耗尽层。态时,空间电荷区为空穴的耗尽层。F F函数函数中起中起主要作用的为主要作用的为 ,此时:,此时:代入代入LDLD采用耗尽采用耗尽近似近似返回8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益对于耗尽状态,空间电荷区也可以用对于耗尽状态,空间电荷区也可以用“耗尽层近似耗尽层近似”来处理,即假设空间电荷区内所有负电荷全部由来处理,即假设空间电荷区内所
15、有负电荷全部由电离受主提供,对于均匀掺杂的半导体,电荷密度电离受主提供,对于均匀掺杂的半导体,电荷密度为:为:代入泊松方程求解,得到:代入泊松方程求解,得到:电势分布电势分布 表面势表面势其中的其中的xdxd为空间电荷区宽度,若已知表面势为空间电荷区宽度,若已知表面势VSVS,可,可求出电荷区求出电荷区宽度为宽度为单位面积电容单位面积电容 电荷面密度电荷面密度 8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l(4 4)少数载流子反型状态(反型层,)少数载流子反型状态(
16、反型层,VG0)弱反型:如能带图所示,表面刚刚开始出现反型层弱反型:如能带图所示,表面刚刚开始出现反型层的条件:的条件:表面处表面处即表面势费米势即表面势费米势所以形成弱反型层的条件:所以形成弱反型层的条件:其中:其中:8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益强反型层出现的条件:当型衬底表面处的电子浓强反型层出现的条件:当型衬底表面处的电子浓度等于体内的多子空穴浓度时。度等于体内的多子空穴浓度时。半导体表面达到强反型层的条件:半导体表面达到强反型层的条件:此时表
17、面势为:此时表面势为:8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益当半导体表面进入强反型时,即当当半导体表面进入强反型时,即当V VS S=2V=2VB B时金属板上时金属板上加的电压习惯上称为加的电压习惯上称为开启电压开启电压,以,以V VT T表示,该电压表示,该电压由绝缘层和半导体表面空间电荷区共同承担,即由绝缘层和半导体表面空间电荷区共同承担,即其中其中V V0 0是落在绝缘层上的电压降,是落在绝缘层上的电压降,2V2VB B是落在空间电是落在空间电荷区的电
18、压降,也就是表面势。荷区的电压降,也就是表面势。(注意注意:开启电压的:开启电压的求法)求法)对于弱反型和强反型,空间电荷区的电场、电荷面对于弱反型和强反型,空间电荷区的电场、电荷面密度及电容公式有一些区别,讨论如下:密度及电容公式有一些区别,讨论如下:8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益弱反型时弱反型时:空间电荷层的电场、电荷密度公式与:空间电荷层的电场、电荷密度公式与多子耗尽时多子耗尽时相似,相似,F F函数简化为:函数简化为:临界强反型时临界强反型时:
19、8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益到达强反型之后到达强反型之后,当表面势,当表面势V VS S比比2V2VB B大的多时,大的多时,F F函数函数简化为:简化为:此时,电场、面电荷密度及表面空间电荷层电容此时,电场、面电荷密度及表面空间电荷层电容分别为:分别为:8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益 需要注意的是理想情况下
20、,若外加偏压变化缓需要注意的是理想情况下,若外加偏压变化缓慢,则一旦出现强反型,表面耗尽层宽度就达到一慢,则一旦出现强反型,表面耗尽层宽度就达到一个极大值个极大值x xdmdm,不再随外加电压的增加而继续增加,不再随外加电压的增加而继续增加,利用利用耗尽层近似的方法耗尽层近似的方法求出求出最大宽度最大宽度:这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用,这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用,当电压继续增大时,通过电子的继续增多来保持电当电压继续增大时,通过电子的继续增多来保持电中性,而不必使耗尽层向半导体内部继续延伸。中性,而不必使耗尽层向半导体内部继续延伸。8.1 表面电场效应8.1.3
21、各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l深耗尽状态深耗尽状态 这是一种非平衡状态,如在这是一种非平衡状态,如在MISMIS结构上加一高频结构上加一高频正弦波形成的正电压,虽然电压的幅度已经超过强正弦波形成的正电压,虽然电压的幅度已经超过强反型条件,但是由于空间电荷层中电子的产生速率反型条件,但是由于空间电荷层中电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正电荷平衡,只能依靠将耗尽层向半和金属板上的正电荷平衡,只能依靠将耗尽
22、层向半导体内部继续推进而产生更多的电离受主。此时,导体内部继续推进而产生更多的电离受主。此时,空间电荷区的电荷全部由电离受主提供,耗尽层的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宽度可超过最大宽度x xdmdm,且宽度随电压,且宽度随电压V VG G的增加而的增加而增大,称为增大,称为“深耗尽状态深耗尽状态”,仍可用耗尽层近似来,仍可用耗尽层近似来处理。处理。8.1 表面电场效应8.1.3 各种表面层状态下的电容情况为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.8.2 2 MIS MIS结构的电容结
23、构的电容-电压特性电压特性lMISMIS结构的微分电容结构的微分电容l理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性l理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性l实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.8.2 2.1 MIS.1 MIS结构的微分电容结构的微分电容l栅压栅压V VG G=V=VO O+V+VS S l当不考虑表面态电荷当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷面密度半导体的总电荷面密度 Q QS S=-Q=-QG G lMI
24、SMIS结构的微分电容结构的微分电容C C d dQ QG G/dV/dVG G 为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益l定义定义u 绝缘层电容绝缘层电容u 空间电荷区电容空间电荷区电容则有则有 即即 上式说明,上式说明,MISMIS结构电容相当于绝缘层电容和半导结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联,体空间电荷层电容的串联,其等效电路如右图。其等效电路如右图。8.8.2 2.1 MIS.1 MIS结构的微分电容结构的微分电容为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员
25、聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.8.2 2.2.2 理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性l理想理想MISMIS结构结构:金属的功函数与半导体相同(金属的功函数与半导体相同(Vms=0Vms=0)氧化层中没有电荷存在(氧化层中没有电荷存在(Qo=0Qo=0)半导体氧化物没有界面态(半导体氧化物没有界面态(Qss=0Qss=0)lMISMIS结构的微分电容公式结构的微分电容公式:把把8.28.2节中计算出的各种状态下的节中计算出的各种状态下的C CS S代入公代入公式,可求得理想式,可求得理想MISMIS结构在各种状态下的结构在各种状态下的C/C0C/C0值,值,
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