半導(dǎo)體物理學(xué)-Chapter8

1、第八章第八章 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MISMIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章8.1 表面態(tài)概念8.2 表面電場效應(yīng)8.3 Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)8.4 MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性8.5 表面電導(dǎo)及遷移率 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章8.1 表面態(tài)概念表面態(tài)概念8.1.1 表面的特殊性表面的特殊性1. 表面處晶體的周期場中斷；表面處晶體的周期場中斷；2. 表面往往易受到損傷、氧化和沾污，從而影響器件的穩(wěn)定性；表面往往易受到損傷、氧化和沾污，從而影響器件的穩(wěn)定性；3. 表面往往需要特殊保護(hù)措施，如鈍化等表面往往需要特殊保護(hù)措

2、施，如鈍化等4. 表面是器件制備的基礎(chǔ)，如表面是器件制備的基礎(chǔ)，如MOSFET等等 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章8.1.2 理想表面理想表面理想一維晶體的表面態(tài)：薛定諤方程理想一維晶體的表面態(tài)：薛定諤方程E0 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章假設(shè)假設(shè)8.2.2 空間電荷層中的泊松方程空間電荷層中的泊松方程1 半導(dǎo)體表面是個(gè)無限大的面，其線度半導(dǎo)體表面是個(gè)無限大的面，其線度空間電荷層厚度空間電荷層厚度一維近似，（一維近似，（, E, V） 不依賴不依賴 y, z2 半導(dǎo)體厚度半導(dǎo)體厚度 空間電荷層厚度空間電荷層厚度半導(dǎo)體體內(nèi)電中性半導(dǎo)體

3、體內(nèi)電中性3 半導(dǎo)體均勻摻雜半導(dǎo)體均勻摻雜4 非簡并統(tǒng)計(jì)適用于空間電荷層非簡并統(tǒng)計(jì)適用于空間電荷層5 不考慮量子效應(yīng)不考慮量子效應(yīng) QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章例子：一維例子：一維p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體泊松方程泊松方程玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)已知已知 x+ 時(shí)時(shí) QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章兩邊乘以兩邊乘以dV從空間電荷層內(nèi)邊界積分到表面從空間電荷層內(nèi)邊界積分到表面 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章“”: V 0“”: V 0德拜長度德拜長度(p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體)表面勢為正，表面勢為正，能帶下彎，電能帶下彎

4、，電場指向半導(dǎo)體場指向半導(dǎo)體內(nèi)部為正方向內(nèi)部為正方向F 函數(shù)，無量綱數(shù)函數(shù)，無量綱數(shù) QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章8.2.3 半導(dǎo)體表面電場、電勢和電容半導(dǎo)體表面電場、電勢和電容x = 0 V(0) = Vs電場指向半電場指向半導(dǎo)體內(nèi)部為導(dǎo)體內(nèi)部為正方向正方向面電荷密度面電荷密度 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章8.2.4 半導(dǎo)體表面層的五種基本狀態(tài)半導(dǎo)體表面層的五種基本狀態(tài)1 多子堆積（積累）狀態(tài)多子堆積（積累）狀態(tài)積累積累 Vs0平帶平帶 Vs=0VsVs0另一種求解面電荷密度另一種求解面電荷密度的途徑的途徑“耗盡層近似耗盡層近似

5、”積累積累 Vs0平帶平帶 Vs=0耗盡耗盡 Vs(0,VB) QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章4 反型狀態(tài)反型狀態(tài)耗盡狀態(tài)耗盡狀態(tài)VBVs 2VBVs d dmax 非平衡狀態(tài)，空間電荷層的載流子跟不上外加電壓變化非平衡狀態(tài)，空間電荷層的載流子跟不上外加電壓變化從深耗盡到熱平衡反型層態(tài)所需的熱馳豫時(shí)間從深耗盡到熱平衡反型層態(tài)所需的熱馳豫時(shí)間th為為100102s！反型層的建立不是一個(gè)很快的過程！反型層的建立不是一個(gè)很快的過程！“耗盡層近似耗盡層近似”依然適用依然適用 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半

6、導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章8.3 Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)系統(tǒng)的性質(zhì)8.3.1 Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷狀態(tài)系統(tǒng)中的電荷狀態(tài)1. 界面陷阱電荷（快界面態(tài)）界面陷阱電荷（快界面態(tài)） Qit2. 氧化層中固定電荷氧化層中固定電荷 Qf3. 氧化層中可動(dòng)電荷氧化層中可動(dòng)電荷 Qm4. 氧化層中陷阱電荷氧化層中陷阱電荷 Qot1.界面陷阱電荷（快界面態(tài)）界面陷阱電荷（快界面態(tài)） Qit界面態(tài)密度界面態(tài)密度 Dit(1) Dit1010 1012 cm-2eV-1(2) Dit在禁帶中呈現(xiàn)在禁帶中呈現(xiàn)“U”形連續(xù)分布形連續(xù)分布(3) Qit與晶向關(guān)系：與晶向關(guān)系： 111 110 100(4) Q 依賴

7、退火處理依賴退火處理 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章2. 氧化層中固定電荷氧化層中固定電荷 Qf(1) 在外加電場下，不可移動(dòng)在外加電場下，不可移動(dòng)(2) 局限于界面局限于界面20nm范圍以內(nèi)范圍以內(nèi)(3) 111 110 100(4) 不依賴于不依賴于Vs, 不和體不和體Si交換電荷，即不能充放電交換電荷，即不能充放電(5) 不依賴于不依賴于Si摻雜和氧化層厚度摻雜和氧化層厚度(6) Si-SiO2界面附近的過剩界面附近的過剩Si4+導(dǎo)致導(dǎo)致Qf(7) 與熱處理有關(guān)與熱處理有關(guān)3. 氧化層中可動(dòng)電荷氧化層中可動(dòng)電荷 Qm (Na+, K+) B-T實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)4.

8、氧化層中陷阱電荷氧化層中陷阱電荷 Qot輻射；熱載流子注入等輻射；熱載流子注入等 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章8.4 MIS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性8.4.1 MIS電容結(jié)構(gòu)的能帶圖電容結(jié)構(gòu)的能帶圖1. 無外加電壓無外加電壓2. 有外加電壓有外加電壓表面勢表面勢WsWm接觸電勢差接觸電勢差體現(xiàn)外加場影響體現(xiàn)外加場影響 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章8.4.2 理想理想MIS電容的電容的CV特性特性氧化層完全絕緣氧化層完全絕緣氧化層中不存在任何電荷氧化層中不存在任何電荷在氧化層與半導(dǎo)體界面上無界面態(tài)在氧化層與半導(dǎo)體界面上無界面態(tài)忽略

9、金屬與半導(dǎo)體的接觸電勢差忽略金屬與半導(dǎo)體的接觸電勢差r(SiO2) = 3.9r(Si) = 11.9隨隨VG變化變化 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章低頻情況低頻情況(10100 Hz)1 VG Cox2 VG = 0, 平帶平帶 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章3 VG 0,耗盡耗盡, VG d Cs C 平行板電容器等效平行板電容器等效4 VG 0, 弱反型弱反型, VG d Qs ：從：從Vs1/2 exp(qVs/2kT)從從Vs-1/2 exp(qVs/2kT)C 5 VG 0, 強(qiáng)反型強(qiáng)反型, Qs exp(qVs/2kT)

10、Cs CoxC CoxVs = V2 BV G =VT閾值電壓閾值電壓 (開啟電壓開啟電壓) QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章高頻情況高頻情況(104106 Hz)反型層中電子的產(chǎn)生與復(fù)合跟不上高反型層中電子的產(chǎn)生與復(fù)合跟不上高頻信號(hào)的變化，即反型層中電子的數(shù)量頻信號(hào)的變化，即反型層中電子的數(shù)量不能隨高頻信號(hào)而變。此時(shí)，反型層中不能隨高頻信號(hào)而變。此時(shí)，反型層中的電子對(duì)電容沒有貢獻(xiàn)。的電子對(duì)電容沒有貢獻(xiàn)。QS的變化只能靠耗盡層的電荷變化實(shí)的變化只能靠耗盡層的電荷變化實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)反型時(shí)耗盡層已達(dá)最大厚度。現(xiàn)，強(qiáng)反型時(shí)耗盡層已達(dá)最大厚度。 QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

11、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章深耗盡情況深耗盡情況(快速快速CV掃描掃描)從深耗盡到熱平衡反型層態(tài)所需的熱馳豫從深耗盡到熱平衡反型層態(tài)所需的熱馳豫時(shí)間時(shí)間th為為100102s！反型層的建立不是一個(gè)很快的過程！反型層的建立不是一個(gè)很快的過程！快速直流偏壓掃描導(dǎo)致反型層不能建立，快速直流偏壓掃描導(dǎo)致反型層不能建立，“耗盡層近耗盡層近似似” 依然適用，依然適用，d dmax Cs Vs-1/2 C QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章10.4.3 實(shí)際實(shí)際MIS電容的電容的CV特性特性1. 金半接觸電勢差的影響金半接觸電勢差的影響C-V曲線會(huì)平移，但形狀不變曲線會(huì)平移，但形狀不

12、變Al 柵電極柵電極 & p-Si Vms 0 例子：例子：C-V曲線整體向電壓軸負(fù)方向平移曲線整體向電壓軸負(fù)方向平移通過與理想通過與理想 C-V對(duì)比對(duì)比, 得到得到VFB Vms Wm QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章2. 絕緣層中電荷的影響絕緣層中電荷的影響Qf C/cm2 Qm , Qot (x) C/cm3B-T實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)V = 10 -10 VT = 150 250 oC30 min外電場和溫度場下外電場和溫度場下Na+ 可動(dòng)正電壓下可動(dòng)正電壓下Na+遷移至氧化層靠近半導(dǎo)體一側(cè)，導(dǎo)致較大負(fù)遷移至氧化層靠近半導(dǎo)體一側(cè)，導(dǎo)致較大負(fù)VFB，再施加負(fù)電壓，再施加負(fù)電壓，Na+部分遷至氧化部分遷至氧化層靠近金屬一側(cè)，部分恢復(fù)層靠近金屬一側(cè)，部分恢復(fù)VFB QUST 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第七章第七章10.5 表面電導(dǎo)及遷移率表面電導(dǎo)及遷移率10.5.1 表面電導(dǎo)表面電導(dǎo)單位面積的表面層中載流子改變量單位面積的表面層中載流子改變量垂直于表面方向的電場垂直于表面方向的電場對(duì)表面電導(dǎo)起控制作用對(duì)表面電導(dǎo)起控制作用-1cm-2平帶薄層電導(dǎo)平帶薄層電導(dǎo)表面遷移率表面遷移率表面散射表面散