半导体物理分章答案第八章

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1、第八章第八章 半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Semiconductor surface and metal-insulator-semiconductor structureSemiconductor surface and metal-insulator-semiconductor structure沈阳工业大学电子科学与技术系沈阳工业大学电子科学与技术系重点：重点：n n表面态概念表面态概念n n表面电场效应表面电场效应n nMISMIS结构电容结构电容-电压特性电压特性n n硅硅-二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质 金属栅电极金属栅电极金属栅电极金属栅电极 绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层

2、V VG GV VG GC C0 0C Cs s 半导体半导体半导体半导体MISMIS结构结构结构结构 等效电路等效电路等效电路等效电路 MISMIS结构结构结构结构8.1 8.1 表面态表面态n n理理理理想想想想表表表表面面面面：表表表表面面面面层层层层中中中中原原原原子子子子排排排排列列列列的的的的对对对对称称称称性性性性与与与与体体体体内内内内原原原原子子子子完完完完全全全全相相相相同同同同，且且且且表表表表面面面面不不不不附附附附着着着着任任任任何何何何原原原原子子子子或或或或分分分分子子子子的的的的半半半半无无无无限限限限晶晶晶晶体体体体表面。表面。表面。表面。晶格周期性在表面处中

3、断或其它因素而引晶格周期性在表面处中断或其它因素而引晶格周期性在表面处中断或其它因素而引晶格周期性在表面处中断或其它因素而引起的局（定）域在表面附近的电子态。理起的局（定）域在表面附近的电子态。理起的局（定）域在表面附近的电子态。理起的局（定）域在表面附近的电子态。理想表面上形成的表面态想表面上形成的表面态想表面上形成的表面态想表面上形成的表面态称为称为称为称为达姆表面态达姆表面态达姆表面态达姆表面态。表面态：表面态：表面态：表面态：与表面态相应的能级称为表面能级。与表面态相应的能级称为表面能级。与表面态相应的能级称为表面能级。与表面态相应的能级称为表面能级。分布在禁带内的表面能级，彼此靠得很

4、分布在禁带内的表面能级，彼此靠得很分布在禁带内的表面能级，彼此靠得很分布在禁带内的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的分布。近，形成准连续的分布。近，形成准连续的分布。近，形成准连续的分布。表面能级：表面能级：表面能级：表面能级：8.2 8.2 表面电场效应表面电场效应Effect of Surface ElectricEffect of Surface Electric 多子积累状态多子积累状态多子积累状态多子积累状态 耗尽状态耗尽状态耗尽状态耗尽状态 反型状态反型状态反型状态反型状态理想理想理想理想MISMIS结构结构结构结构（1 1）WWmm=WWs s ；（2 2）绝缘层内无电荷，且绝

5、缘层不导电；）绝缘层内无电荷，且绝缘层不导电；）绝缘层内无电荷，且绝缘层不导电；）绝缘层内无电荷，且绝缘层不导电；（3 3）绝缘层与半导体界面处不存在界面态；）绝缘层与半导体界面处不存在界面态；）绝缘层与半导体界面处不存在界面态；）绝缘层与半导体界面处不存在界面态；（4 4）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。）由均匀半导体构成，无边缘电场效应。金属栅电极金属栅电极金属栅电极金属栅电极 绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层V VG GV VG GC C0 0C Cs s 半导体半导体半导体半导体MISMIS结构结构结构结构 等效电路等效

6、电路等效电路等效电路E Ec cE EF FE EV V 金属金属金属金属半导体半导体半导体半导体1 1、空间电荷层、空间电荷层、空间电荷层、空间电荷层(表面电荷层表面电荷层表面电荷层表面电荷层)及表面势及表面势及表面势及表面势表面电荷层：表面电荷层：表面电荷层：表面电荷层：MISMIS结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附近形成的电荷区称为表面电半导体表面附近形成的电荷区称为表面电半导体表面附近形成的电荷区称为表面电半导体表面附近形成的电荷区称为表面电荷层。荷层。荷层。荷层。表面势表面势表面

7、势表面势(V(Vs s)：半导体表面电荷层两端的电势差称为表面：半导体表面电荷层两端的电势差称为表面：半导体表面电荷层两端的电势差称为表面：半导体表面电荷层两端的电势差称为表面势。势。势。势。规定：表面电势比体内高时，规定：表面电势比体内高时，规定：表面电势比体内高时，规定：表面电势比体内高时，V Vs s取正值；取正值；取正值；取正值；表面电势比体内低时，表面电势比体内低时，表面电势比体内低时，表面电势比体内低时，V Vs s取负值。取负值。取负值。取负值。ECEVEiEFsVG0 xP P型半导体型半导体型半导体型半导体xd（3 3）少数载流子反型状态）少数载流子反型状态）少数载流子反型状

8、态）少数载流子反型状态QnQm（1 1）表面能带向下弯曲；（）表面能带向下弯曲；（）表面能带向下弯曲；（）表面能带向下弯曲；（2 2）表面上的多子浓度远少）表面上的多子浓度远少）表面上的多子浓度远少）表面上的多子浓度远少于体内，基本上耗尽，表面带负电。于体内，基本上耗尽，表面带负电。于体内，基本上耗尽，表面带负电。于体内，基本上耗尽，表面带负电。（1 1）E Ei i与与与与E EF F在表面处相交；（在表面处相交；（在表面处相交；（在表面处相交；（2 2）表面区的少子数大于）表面区的少子数大于）表面区的少子数大于）表面区的少子数大于多子数多子数多子数多子数表面反型；（表面反型；（表面反型；（

9、表面反型；（3 3）反型层和半导体内部之间）反型层和半导体内部之间）反型层和半导体内部之间）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。还夹着一层耗尽层。还夹着一层耗尽层。还夹着一层耗尽层。特征特征ECEVEiEFsVG0 xP P型半导体型半导体型半导体型半导体xdmN N型型型型半半半半导导导导体体体体2 2、表面空间电荷层的电场、电势及电容、表面空间电荷层的电场、电势及电容、表面空间电荷层的电场、电势及电容、表面空间电荷层的电场、电势及电容（1 1）表面电场分布）表面电场分布）表面电场分布）表面电场分布空间电荷层中电势空间电荷层中电势空间电荷层中电势空间电荷层中电势V V(x x)满足：满足

10、：满足：满足：由以上方程得到由以上方程得到由以上方程得到由以上方程得到n n上式两边乘以上式两边乘以上式两边乘以上式两边乘以dVdVdVdV并积分，得到并积分，得到并积分，得到并积分，得到n n将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据将上式两边积分，并根据n n得得得得令，令，令，令，则则则则表面处，表面处，表面处，表面处，V V=V Vs s，则半导体表面处的电场强度为：，则半导体表面处的电场强度为：，则半导体表面处的电场强度为：，则半导体表面处的电场强度为：（2 2）表面电荷分布）表面电荷分布）表面电荷分布）表面电荷分布Q Qs s根据高斯定理，表面的电荷面密度为

11、：根据高斯定理，表面的电荷面密度为：根据高斯定理，表面的电荷面密度为：根据高斯定理，表面的电荷面密度为：（3 3）表面电容）表面电容）表面电容）表面电容C Cs s 多数载流子堆积状态（多数载流子堆积状态（V Vs s 0 0 0）（4 4）各种状态下的表面电场、电荷量、电容）各种状态下的表面电场、电荷量、电容）各种状态下的表面电场、电荷量、电容）各种状态下的表面电场、电荷量、电容 平带状态（平带状态（V Vs s=0=0）耗尽状态（耗尽状态（V Vs s 0 0，Q Qs s 0 2 2V VB B（5 5）关于空间电荷层的讨论）关于空间电荷层的讨论）关于空间电荷层的讨论）关于空间电荷层的讨

12、论n n强反型时空间电荷层达到最厚强反型时空间电荷层达到最厚强反型时空间电荷层达到最厚强反型时空间电荷层达到最厚由由由由8-438-438-438-43式得式得式得式得n n当当当当V V V Vs s s s=2V=2V=2V=2VB B B B时时时时x x x xd d d d达到最大达到最大达到最大达到最大n n深耗尽现象深耗尽现象深耗尽现象深耗尽现象 反型层中的电子是通过热激发产生的，需要反型层中的电子是通过热激发产生的，需要反型层中的电子是通过热激发产生的，需要反型层中的电子是通过热激发产生的，需要时间。若时间。若时间。若时间。若V V V Vs s s s突变、远大于突变、远大于

13、突变、远大于突变、远大于2V2V2V2VB B B B时，空间电荷只能由时，空间电荷只能由时，空间电荷只能由时，空间电荷只能由多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象多子耗尽方式提供，于是发生深耗尽现象n n强反型高频条件下，强反型高频条件下，强反型高频条件下，强反型高频条件下，空间电荷层电容保持最小空间电荷层电容保持最小空间电荷层电容保持最小空间电荷层电容保持最小8.3 MIS8.3 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性C-V characteristics of MIS structureC-V character

14、istics of MIS structure沈阳工业大学电子科学与技术系沈阳工业大学电子科学与技术系（1 1）理想）理想）理想）理想MISMIS结构的电容结构的电容结构的电容结构的电容-电压特性电压特性电压特性电压特性 金属栅电极金属栅电极金属栅电极金属栅电极 绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层V VG GV VG GC C0 0C Cs s 半导体半导体半导体半导体MISMIS结构结构结构结构 等效电路等效电路等效电路等效电路 归一化电容归一化电容归一化电容归一化电容:多数载流子堆积区（多数载流子堆积区（V Vs s 0 0 0）当当当当|V Vs s|较大时，较大时，较大时，较大时，C C/C C

15、0 0=1=1。此时从半导体内部到表面可视为导。此时从半导体内部到表面可视为导。此时从半导体内部到表面可视为导。此时从半导体内部到表面可视为导通的，电荷聚集在绝缘层两边。通的，电荷聚集在绝缘层两边。通的，电荷聚集在绝缘层两边。通的，电荷聚集在绝缘层两边。当当当当|V VG G|较小时，较小时，较小时，较小时，|V Vs s|也很小，此时也很小，此时也很小，此时也很小，此时C C/C C0 0值随值随值随值随|V Vs s|减小而下降。减小而下降。减小而下降。减小而下降。平带状态（平带状态（V Vs s=0=0，Q Qs s 0 0 0）强反型后（强反型后（V Vs s 0 0）A.A.A.A.

16、低频时低频时低频时低频时 少子的产生少子的产生少子的产生少子的产生-复合跟得上小信号的变化。复合跟得上小信号的变化。复合跟得上小信号的变化。复合跟得上小信号的变化。强反型后（强反型后（V Vs s 0 0）B.B.B.B.高频时高频时高频时高频时 反型层电荷对反型层电荷对反型层电荷对反型层电荷对MISMIS电容没有贡献。电容没有贡献。电容没有贡献。电容没有贡献。讨讨 论论（1 1）用）用）用）用电荷面密度与电荷面密度与电荷面密度与电荷面密度与V V V Vs s s s的定性关系解释的定性关系解释的定性关系解释的定性关系解释C-VC-V特性特性特性特性（2 2）C-VC-V特性与频率有关，可利

17、用高频特性判断特性与频率有关，可利用高频特性判断特性与频率有关，可利用高频特性判断特性与频率有关，可利用高频特性判断半导体的导电类型半导体的导电类型半导体的导电类型半导体的导电类型（3 3）MISMIS结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，结构的半导体材料及绝缘体材料一定时，利用利用利用利用C-VC-V特性测试特性测试特性测试特性测试d d0 0及掺杂浓度及掺杂浓度及掺杂浓度及掺杂浓度（2 2）金属与半导体功函数差对）金属与半导体功函数差对）金属与半导体功函数差对）金属与半导体功函数差对MISMIS结构结构结构结构C-VC-

18、V特性的影响特性的影响特性的影响特性的影响例：当例：当例：当例：当WWmm 0 0时时时时 开启电压开启电压开启电压开启电压V VT T 场感应结场感应结场感应结场感应结 感应结最大耗尽层宽度感应结最大耗尽层宽度感应结最大耗尽层宽度感应结最大耗尽层宽度栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图栅控二极管结构示意图P P区区区区N N+区区区区SiOSiO2 2层层层层栅电极（金属层）栅电极（金属层）栅电极（金属层）栅电极（金属层）V VI IV VGG V VI I=V=VR R 0 0 0时时时时 开启电压开启电压开启电压开启电压V VT T 感应结最大耗尽层宽度感应结最大

19、耗尽层宽度感应结最大耗尽层宽度感应结最大耗尽层宽度 表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场对反向电流的影响主要体现在以下两个方面：表面电场产生的感应结扩大了表面电场产生的感应结扩大了表面电场产生的感应结扩大了表面电场产生的感应结扩大了p-np-n结空间电荷区，结空间电荷区，结空间电荷区，结空间电荷区，导致硅材料导致硅材料导致硅材料导致硅材料p-np-n结空间电荷区中产生电流增大，引起反向电结空间电荷区中产生电流增大，引起反向电结空间电荷区中产生电流增大，引起反向电结空间电荷区中产生

20、电流增大，引起反向电流增加流增加流增加流增加。表面电场使得半导体表面被耗尽时，硅和二氧化硅表面电场使得半导体表面被耗尽时，硅和二氧化硅表面电场使得半导体表面被耗尽时，硅和二氧化硅表面电场使得半导体表面被耗尽时，硅和二氧化硅界面处的界面态引起总产生电流增加。界面处的界面态引起总产生电流增加。界面处的界面态引起总产生电流增加。界面处的界面态引起总产生电流增加。（2 2）表面电场作用下）表面电场作用下）表面电场作用下）表面电场作用下 p-np-n 结的反向电流结的反向电流结的反向电流结的反向电流（3 3）表面电场对）表面电场对）表面电场对）表面电场对p-np-n 结击穿特性的影响结击穿特性的影响结击穿特性的影响结击穿特性的影响（4 4）表面钝化）表面钝化）表面钝化）表面钝化