半导体物理第八章优秀课件.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l 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,会构成表面的特殊结构和性质;q 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。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,这个键称作悬挂键,与之对应的电子能态就是表面态;2 第2页,本讲稿共116页1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;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表面弛豫现象;q 表面的原子
2、会重新组合,形成新键,从而改变表面原子的结构对称性,出现所谓的表面再构现象,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(一般主要由氧原子组成),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,q并对表面性质产生显著影响。4第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,n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中电子使之成为耗尽层甚至变为p型反型层。q 表面能级由两组,组为
3、施主能级(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),靠近导带。q 表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态,这种表面态的特点是,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,且表面上不附着任何原子成分子的半无限晶体表面情形,固体物理理想的清洁表面6 第6页,本讲稿共116页7第7页,本讲稿共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
4、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116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
5、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l 一般概念q 讨论在热平衡情况的表面电场效应,以及外加电场作用下半导体表面层内现象。q 表面电场产生的原因:功函数不同的金属和半导体接触,或半导体表面外吸附某种带电离子等。q 表面电场效应的研究方法:MIS结构15 第15页,本讲稿共116页VG=0 时,理想MIS 结构的能带图Ev1Ec1EiEvEcEFsEFm理想的MIS结构:1)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;3)绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。16
6、第16页,本讲稿共116页l 空间电荷层及表面势的概念q MIS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q 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表面势(VS表示)
7、。q 规定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,基本上可归纳为多子堆积、耗尽和反型三种情况:18 第18页,本讲稿共116页(11)多多 子子 积积 累累l l 特征:l 1)能带向上弯曲并接近EF;EFm EFsEcEvEiQsQmxVG G0n2)多子(空 穴)在半导 体表面积累,越接近半 导体表面多 子浓度越高。1、空间电荷层及表面势19 第19页,本讲稿共116页(2)(2)平平 带带 l l 特征 特征:半导体表面能带平直。VG=0EFmEFsEcEvEi20第20页,本讲稿共116页(33)耗耗 尽尽l l特征
8、特征:1)表面能带向下弯曲;EFmEFsEcEvEiVG0QmQsx2)表面上的多子浓度比体内少得多,基本上耗尽,表面带负电。21 第21页,本讲稿共116页(44)反)反 型型l l特征:特征:l 1)Ei与EF在表面处相交(此处为本征型);n 2)表面区的少子数多子数表面反型;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n型半导体,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。23第23页,本讲稿共116页P型半导
9、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MISMIS结构结构的电容效应25第25页,本讲稿共116页VG=Vs+Vo(2)第26页,本讲稿共116页(1a 1a)表面电场分布)表面电场分布E Es s3、表面空间电荷层的 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30 第30页,本讲稿共116页(1b)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
10、116页(2)平带:Vs=035 第35页,本讲稿共116页(33)耗尽:)耗尽:VVss0036第36页,本讲稿共116页(33)耗尽:)耗尽:VVss0037 第37页,本讲稿共116页xd38 第38页,本讲稿共116页(4)反型回顾39 第39页,本讲稿共116页qVBqVs(4)反型当表面处少子浓度等于体内多子浓度,为强反型根据Boltzmann 统计:40 第40页,本讲稿共116页(4)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:4
11、3 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xdm,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NA,另一部分是反型层中的积累电子。46 第46页,本讲稿共116页l 深耗尽状态q以p型半导体为例,在金属与半导体间加一脉冲阶跃或高频正弦波形成的正电压时,由于空间电荷层内的少数载流子的产生速率赶不上电压的
12、变化,反型层来不及建立,只有靠耗尽层延伸向半导体内所产生大量受主负电荷以满足电中性条件。因此,这种情况时耗尽层的宽度很大,可远大于强反型时的最大耗尽层宽度,且其宽度随电压VG幅度的增大而增大,这种状态称为深耗尽状态。47 第47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:l 阶跃陡变的正电压深耗尽状态l 深耗尽状态:产生率大于复合率l 产生的电子表面-反型层l 产生的空穴体内-与深耗层边缘的电离受主中和l-深耗层减薄l 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(宽度)过到
13、平衡反型状态(宽度)的热驰豫时间:热驰豫时间一般为1-100s,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。q 在非平衡电容电压法测量杂质浓度分布,电容时间法测量衬底中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(CCD)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结构的C-V特性前面已知:51 第51页,本讲稿共116页 MIS结构的C-V特性多子堆积平带耗尽强反型52第52页,本讲稿共116页 MIS结构的C-V特性为了分析电容的变化特性我们分情况考察53 第53页,本讲稿共116页(1)
14、、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结构的C-V特性54 第54页,本讲稿共116页(2)平带状态l 特征:归一化电容与衬底掺杂浓度NA和绝缘层厚度do有关。ndo 绝缘层厚度55 第55页,本讲稿共116页(3)耗尽状态56第56页,本讲稿共116页57第57页,本讲稿共116页(44)强反型后:)强反型后:A、低频时58 第58页,本讲稿共116页B、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l 时,C-V特性将随do及NA而l 变化;l(2)C-V特性与频
15、率有关MIS结构等效电路 MIS结构的C-V曲线60 第60页,本讲稿共116页3、金属与半导体功函数差Wms 对MIS结构C-V特性的影响l 例:当WmWs时,将导致C-V 特性向负栅压方向移动。61 第61页,本讲稿共116页结构连通后且VG=0 时:WmWsEcEvSiO2EFmEFs62 第62页,本讲稿共116页结构还未连接时:63 第63页,本讲稿共116页接触电势差qVms:因功函数不同而 产生的电势差。qVmsqViEFEiEcEvSiO2VG0Wm-Ws=q(Vms+Vi)qVms: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65
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- 半导体 物理 第八 优秀 课件
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