半導(dǎo)體電導(dǎo)率和霍爾效應(yīng)課件

1、固體理論朱俊微電子與固體電子學(xué)院第六章 半導(dǎo)體電子論Electron theory of semiconductorEFEFEA強(qiáng)p型（a）EFEFEi（b）（c）（d）（e）p型本征n型強(qiáng)n型EFED上一堂回顧類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí)淺能級(jí)雜質(zhì)：特點(diǎn)施主和受主: 能級(jí)位置雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)由溫度和雜質(zhì)濃度決定。(1) N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度(2) P 型半導(dǎo)體中空穴濃度上一堂回顧GaN p型摻雜難對(duì)于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體，隨溫度升高，載流子以雜質(zhì)電離為主過(guò)渡到以本征激發(fā)為主。相應(yīng)地費(fèi)米能級(jí)從位于雜質(zhì)能級(jí)附近移到禁帶中線(xiàn)處。費(fèi)米能級(jí)既反映導(dǎo)電類(lèi)型，也反映摻雜水平。 (3) 費(fèi)米能級(jí)上一堂回顧

2、1. 半導(dǎo)體電導(dǎo)率 在一般電場(chǎng)情況下，半導(dǎo)體的導(dǎo)電服從歐姆定律 為電導(dǎo)率 半導(dǎo)體中可以同時(shí)有兩種載流子 空穴和電子在外場(chǎng)下獲得的平均漂移速度電流密度5.4 半導(dǎo)體電導(dǎo)與霍爾效應(yīng) 平均漂移速度和外場(chǎng)的關(guān)系 空穴和電子的遷移率歐姆定律電導(dǎo)率 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)是電場(chǎng)加速和半導(dǎo)體中散射的結(jié)果電子在輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)受到一系列的散射：電子聲子(聲學(xué)、光學(xué)、壓電)偶極子雜質(zhì)原子合金無(wú)序界面 粗糙度位錯(cuò)GaN新的散射機(jī)制偶極子散射 位錯(cuò)散射 散射來(lái)自于晶格振動(dòng)和雜質(zhì) 溫度較高時(shí)，晶格振動(dòng)對(duì)載流子的散射是主要的 溫度較低時(shí)，雜質(zhì)的散射是主要的(庫(kù)侖散射） 遷移率一方面決定于有效質(zhì)量 _ 加速作用 另一方面決定于散射

3、幾率雜質(zhì)激發(fā)的范圍，主要是一種載流子摻雜不同的Ge半導(dǎo)體 導(dǎo)電率隨溫度變化1) 低溫范圍，雜質(zhì)激發(fā)的載流子起主要作用 載流子的數(shù)目與摻雜的情況有關(guān)2) 高溫范圍，本征激發(fā)的載流子起主要作用 載流子的數(shù)目與摻雜的情況無(wú)關(guān)3) 中間溫度區(qū)間，溫度升高時(shí)，導(dǎo)電率反而下降 晶格散射作用T低溫飽和本征電阻率與溫度的關(guān)系示意圖溫度很低時(shí)，電阻率隨溫度升高而降低。因?yàn)檫@時(shí)本征激發(fā)極弱，可以忽略；載流子主要來(lái)源于雜質(zhì)電離，隨著溫度升高，載流子濃度逐步增加，電離雜質(zhì)散射是主要散射機(jī)構(gòu)，遷移率隨溫度升高而增大，導(dǎo)致電阻率隨溫度升高而降低。溫度進(jìn)一步增加（含室溫），電阻率隨溫度升高而升高。在這一溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)已經(jīng)

4、全部電離，同時(shí)本征激發(fā)尚不明顯，故載流子濃度基本沒(méi)有變化。對(duì)散射起主要作用的是晶格散射，遷移率隨溫度升高而降低，導(dǎo)致電阻率隨溫度升高而升高溫度再進(jìn)一步增加，電阻率隨溫度升高而降低。這時(shí)本征激發(fā)越來(lái)越多，雖然遷移率隨溫度升高而降低，但是本征載流子增加很快，其影響大大超過(guò)了遷移率降低對(duì)電阻率的影響，導(dǎo)致電阻率隨溫度升高而降低。當(dāng)然，溫度超過(guò)器件的最高工作溫度時(shí)，器件已經(jīng)不能正常工作了。2. 半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng) Hall effect 半導(dǎo)體片置于xy平面內(nèi) 電流沿x方向 磁場(chǎng)垂直于半導(dǎo) 體片沿z方向空穴導(dǎo)電的P型半導(dǎo)體，載流子受到洛倫茲力半導(dǎo)體片兩端形成正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生靜電場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)恒，滿(mǎn)足電流密

5、度電場(chǎng)強(qiáng)度 霍耳系數(shù)電子導(dǎo)電的N半導(dǎo)體 電場(chǎng)強(qiáng)度 霍耳系數(shù) 半導(dǎo)體的霍耳系數(shù)與載流子濃度成反比 半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多 測(cè)量霍耳系數(shù)可以直接測(cè)得載流子濃度 確定載流子的種類(lèi)霍耳系數(shù)為正 空穴導(dǎo)電霍耳系數(shù)為負(fù) 電子導(dǎo)電 霍耳系數(shù) 霍耳系數(shù)5.5 非平衡載流子 N型半導(dǎo)體 主要載流子是電子，也有少量的空穴載流子電子 多數(shù)載流子 多子空穴 少數(shù)載流子 少子P型半導(dǎo)體 主要載流子是空穴，也有少量的電子載流子空穴 多數(shù)載流子 多子電子 少數(shù)載流子 少子 熱平衡下電子和空穴的濃度:半導(dǎo)體中的雜質(zhì)電子，或價(jià)帶中的電子通過(guò)吸收熱能，激發(fā)到導(dǎo)帶中 載流子的產(chǎn)生電子回落到價(jià)帶中和空穴發(fā)生復(fù)合 載流子的復(fù)合

6、達(dá)到平衡時(shí)，載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等 電子和空穴的濃度有了一定的分布電子和空穴的濃度滿(mǎn)足 熱平衡條件在外界的影響作用下，電子和空穴濃度可能偏離平衡值即有 稱(chēng)非平衡載流子 非平衡電子和非平衡空穴的濃度相同 如本征光吸收或電注入等 本征光吸收將會(huì)產(chǎn)生電子 空穴對(duì)EFEi 非平衡載流子對(duì)多子和少子的影響程度 多子的數(shù)目很大 非平衡載流子對(duì)多子的影響不明顯 對(duì)少子將產(chǎn)生很大影響 在討論非平衡載流子的問(wèn)題時(shí) 主要關(guān)心的是非平衡少數(shù)載流子. 非平衡載流子的復(fù)合和壽命 在熱平衡下，載流子的濃度具有穩(wěn)定值非平衡載流子 光照可以產(chǎn)生載流子 開(kāi)始光照，載流子的產(chǎn)生率增大，同時(shí)復(fù)合率也增大 載流子的濃度偏離熱平衡

7、時(shí)的濃度一段時(shí)間的光照后，非平衡載流子的濃度具有確定的數(shù)目 載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等 載流子的濃度到達(dá)一個(gè)新的平衡 撤去光照，載流子復(fù)合率大于產(chǎn)生率，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后 載流子的濃度又恢復(fù)到熱平衡下的數(shù)值 單位時(shí)間、單位體積復(fù)合的載流子數(shù)目 光照穩(wěn)定時(shí)的非平衡載流子濃度撤去光照后，非平衡載流子濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系 為非平衡載流子的壽命 載流子的復(fù)合是以固定概率發(fā)生的非平衡載流子的復(fù)合率非平衡載流子的壽命的意義： 1) 光照使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率明顯增加 光電導(dǎo)效應(yīng) 決定著變化的光照時(shí)，光電導(dǎo)反應(yīng)的快慢 兩個(gè)光信號(hào)的間隔 ，可以分辨出相應(yīng)的電流信 號(hào)變化，才可以分辨出兩個(gè)光信號(hào)光通信2) 非平衡載流子的

8、壽命越大，光電導(dǎo)效應(yīng)越明顯 非平衡載流子的濃度減小為平衡值的1/e所需要的時(shí)間 是，顯然越大，非平衡載流子濃度減小得越慢 一個(gè)非平衡載流子只在時(shí)間里起到增加電導(dǎo)的作用， 越大，產(chǎn)生一個(gè)非平衡載流子對(duì)增加的電導(dǎo)作用越大非平衡載流子的壽命的意義 太陽(yáng)能電池效率3) 非平衡載流子的壽命對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)有著重要的意義，通 過(guò)測(cè)量光電導(dǎo)的衰減，可以確定非平衡載流子的壽命4) 壽命與半導(dǎo)體材料所含的雜質(zhì)與缺陷有關(guān) 深能級(jí)雜質(zhì)的材料，電子先由導(dǎo)帶落回一個(gè)空的雜質(zhì)深 能級(jí)，然后由雜質(zhì)深能級(jí)落回到價(jià)帶中空的能級(jí) 非平衡載流子的壽命的測(cè)量可以鑒定半導(dǎo)體材料晶體質(zhì) 量的常規(guī)手段 深能級(jí)起著復(fù)合作用，降低了非平衡載流子的

9、壽命非平衡載流子的壽命的意義 2. 非平衡載流子的擴(kuò)散 金屬和一般的半導(dǎo)體中，載流子在外場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng) 形成漂移電流半導(dǎo)體中載流子濃度的不均勻而形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生擴(kuò)散電流 非平衡少數(shù)載流子產(chǎn)生明顯的擴(kuò)散電流 多數(shù)載流子，漂移電流是主要的一維擴(kuò)散電流的討論：均勻光照射半導(dǎo)體表面 光在表面很薄的一層內(nèi)被吸收光照產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子 在穩(wěn)定光照射下，在半 導(dǎo)體中建立起穩(wěn)定的非 平衡載流子分布 向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，一邊擴(kuò)散 一邊復(fù)合How about Distribution?非平衡載流子的擴(kuò)散是熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果非平衡少數(shù)載流子一邊擴(kuò)散一邊復(fù)合，形成穩(wěn)定分布濃度滿(mǎn)足連續(xù)方程 載流子的復(fù)合率 單位時(shí)間、通過(guò)單位

10、橫截面積載流子數(shù)目 擴(kuò)散流密度方程的通解邊界條件深入樣品的平均距離 擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散流密度太陽(yáng)能電池：光學(xué)厚，電學(xué)薄5.6 PN 結(jié) (自學(xué)）： PN結(jié)的構(gòu)成PN結(jié)的性質(zhì) 單向?qū)щ娦噪娏麟S電壓變化特性反向狀態(tài)正向狀態(tài)一部分是N型半導(dǎo)體材料一部分是P型半導(dǎo)體材料1. 平衡PN結(jié)勢(shì)壘 電子濃度空穴濃度 摻雜的N型半導(dǎo)體材料，在雜質(zhì)激發(fā)的載流子范圍，電 子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，費(fèi)密能級(jí)在帶隙的上半 部，接近導(dǎo)帶P型半導(dǎo)體材料中，費(fèi)密能級(jí)在帶隙的下半部，接近價(jià)帶N型和P型材料分別形成兩個(gè)區(qū) N區(qū)和P區(qū)N區(qū)和P區(qū)的費(fèi)密能級(jí)不相等，在PN結(jié)處產(chǎn)生電荷的積累 穩(wěn)定后形成一定的電勢(shì)差P區(qū)相對(duì)于N區(qū)具有電勢(shì)差

11、VPN結(jié)的接觸勢(shì)內(nèi)電場(chǎng)的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生電位差。從而形成接觸電位V 接觸電位V決定于材料及摻雜濃度硅： V=0.7鍺： V=0.2PN結(jié)勢(shì)壘作用： 正負(fù)載流子在PN結(jié)處聚集，在PN結(jié)內(nèi)部形成電場(chǎng) 自建場(chǎng) 勢(shì)壘阻止N區(qū)大濃度的電子向P區(qū)擴(kuò)散平衡PN結(jié) 載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)的相對(duì)平衡 電場(chǎng)對(duì)于N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴是一個(gè)勢(shì)壘 勢(shì)壘阻止P區(qū)大濃度 的空穴向N區(qū)擴(kuò)散 抵消原來(lái)P區(qū)和N區(qū)電子費(fèi)密能級(jí)的差別P區(qū)電子的能量向上移動(dòng) 半導(dǎo)體中載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬且有 PN結(jié)處形成的電荷空間分布區(qū)域約在微米數(shù)量級(jí)擴(kuò)散和漂移形成平衡電荷分布，滿(mǎn)足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律 N區(qū)和P區(qū)空穴濃度之比熱平衡下N區(qū)和P區(qū)電

12、子濃度 P區(qū)和N區(qū)電子濃度之比2. PN結(jié)的正向注入 當(dāng)PN結(jié)加有正向偏壓 P區(qū)為正電壓 外電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相反，外電場(chǎng)減弱PN結(jié)區(qū)的電場(chǎng)，使原有的載流子平衡受到破壞電子 N 區(qū)擴(kuò)散到 P 區(qū)空穴 P 區(qū)擴(kuò)散到 N 區(qū) 非平衡載流子 PN結(jié)的正向注入電子擴(kuò)散電流密度正向注入，P區(qū)邊界電子的濃度變?yōu)?外加電場(chǎng)使邊界處電子的濃度提高 倍和比較得到邊界處非平衡載流子濃度 正向注入的電子在P區(qū)邊界積累，同時(shí)向P區(qū)擴(kuò)散 非平衡載流子邊擴(kuò)散、邊復(fù)合形成電子電流邊界處非平衡載流子濃度 正向注入電子在P區(qū)邊界積累，同時(shí)向P區(qū)擴(kuò)散，非平 衡載流子邊擴(kuò)散、邊復(fù)合形成電子電流應(yīng)用非平衡載流子密度方程邊界處電子擴(kuò)散流

13、密度 電子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度注入到P區(qū)的電子電流密度 在N區(qū)邊界空穴積累，同時(shí)向N區(qū)擴(kuò)散，也是非平衡 載流子邊擴(kuò)散、邊復(fù)合形成空穴電流注入到N區(qū)的空穴電流密度PN結(jié)總的電流密度 肖克萊方程 ( W. Shockley )結(jié)果討論：2)PN結(jié)的電流和N區(qū)少子 、P區(qū)少子 成正比1) 當(dāng)正向電壓V增加時(shí)，電流增加很快如果N區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于P區(qū)摻雜濃度 PN結(jié)電流中將以電子電流為主3. PN結(jié)的反向抽取 N區(qū)的空穴一到達(dá)邊界即被拉到P區(qū)P區(qū)的電子一到達(dá)邊界即被拉到N區(qū) PN結(jié)方向抽取作用PN加有反向電壓勢(shì)壘變?yōu)镻N結(jié)加有反向偏壓 P區(qū)為負(fù)電壓，外電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相同，勢(shì)壘增高，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)超過(guò)

14、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)只有N區(qū)的空穴和P區(qū)的電子在結(jié)區(qū)電場(chǎng)的作用下才能 漂移過(guò)PN結(jié) P區(qū)邊界電子的濃度 反向抽取使邊界少子 的濃度減小反向電流一般情況下 反向飽和電流擴(kuò)散速度 P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子的產(chǎn)生率P區(qū)少數(shù)載流子電子的產(chǎn)生率N區(qū)少數(shù)載流子空穴的產(chǎn)生率反向飽和電流 擴(kuò)散長(zhǎng)度一層內(nèi)，總的少數(shù)載流子產(chǎn)生 率乘以電子電量q反向電流 PN結(jié)附近所產(chǎn)生的少數(shù)載流子又有機(jī)會(huì)擴(kuò) 散到空間電荷區(qū)邊界的少數(shù)載流子形成4. PN結(jié)的反向擊穿： 反向擊穿PN結(jié)上所加的反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，反向電流激增的現(xiàn)象雪崩擊穿當(dāng)反向電壓增高時(shí)，少子獲得能量高速運(yùn)動(dòng)，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。形成連鎖反應(yīng)，象雪崩一樣，

15、使反向電流激增。齊納擊穿當(dāng)反向電壓較大時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)直接從共價(jià)鍵中將電子拉出來(lái)，形成大量載流子,使反向電流激增。擊穿是可逆。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生擊穿是可逆。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生不可逆擊穿 熱擊穿PN結(jié)的電流或電壓較大，使PN結(jié)耗散功率超過(guò)極限值，使結(jié)溫升高，導(dǎo)致PN結(jié)過(guò)熱而燒毀5、PN結(jié)的電容效應(yīng)： 勢(shì)壘電容CB 勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。 擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的

16、空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線(xiàn)。 擴(kuò)散電容CD 當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過(guò)程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線(xiàn)性電容。8、二極管的應(yīng)用:1、整流電路整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，整流電路中的二極管是作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦浴?、光電子器件光電二極管是有光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流的二極管。其結(jié)構(gòu)和普通的二極管基本相同D 發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊半導(dǎo)體器件，它只有在加正向電壓時(shí)才發(fā)光。 它利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作，P

17、N結(jié)工作在反偏狀態(tài)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，束縛電子獲得光能變成自由電子，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下形成光電流。MIS體系：金屬絕緣體半導(dǎo)體(MetalInsulatorSemiconductor)MOS體系：金屬氧化物半導(dǎo)體 MIS結(jié)構(gòu)的一種特殊形式(MetalOxideSemiconductor)MOS有著許多主要的應(yīng)用1) 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管：存儲(chǔ)信息2) 集成電路：計(jì)算機(jī)RAM3) 電荷耦合器件：CCD 存儲(chǔ)信號(hào)，轉(zhuǎn)換信號(hào)七、 金屬絕緣體半導(dǎo)體(MISFET) 如： P型半導(dǎo)體1、MIS體系的機(jī)理金屬層 柵極半導(dǎo)體接地氧化物(SiO2 100nm)1) 在柵極施加電壓為負(fù)時(shí)，半導(dǎo)體中的

18、空穴被吸收到IS表面，并在表面處形成帶正電荷的空穴積累層2) 在柵極施加電壓為正時(shí)，半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子空穴被排斥離開(kāi)IS表面少數(shù)載流子 電離的受主電子被吸收表面處3) 正電壓較小 空穴被排斥，在表面處形成負(fù)電荷的耗盡層 為屏蔽柵極正 電壓, 耗盡層具 有一定的厚度 d 微米量級(jí)空間電荷區(qū)Space charge region不能移動(dòng)的電離受主雜質(zhì) 空間電荷區(qū)存在電場(chǎng)，使能帶發(fā)生彎曲 對(duì)空穴來(lái)說(shuō)形成一個(gè)勢(shì)壘體內(nèi)能級(jí)是反應(yīng)電子能量的高低表面 處x0相對(duì)于體內(nèi)xd的電勢(shì)差 表面勢(shì)：Vs 柵極正電壓增大時(shí)，表面勢(shì)進(jìn)一步增大 表面勢(shì)足夠大時(shí)，有可能表面處的費(fèi)密能級(jí)進(jìn)入帶隙的上半部 空間電荷區(qū)電子的濃度

19、將要超過(guò)空穴的濃度 形成少子電子的導(dǎo)電層空間電荷區(qū)的載流子主要為電子，而半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子為空穴，空間電荷層 反型層形成反型層時(shí)的能帶特點(diǎn)：Ei是半導(dǎo)體的本征費(fèi)密能級(jí)，EF是表面處的費(fèi)密能級(jí) 當(dāng)EF在Ei之上時(shí)，電子的濃度大于空穴的濃度 兩者相等時(shí)，電子和空穴的濃度相等 當(dāng)EF在Ei之下時(shí)，電子的濃度小于空穴的濃度形成反型層的條件： 費(fèi)密能級(jí)EF從體內(nèi)Ei之 下變成表面時(shí)Ei之上， 兩者之差qVF滿(mǎn)足一般形成反型層的條件 表面處電子濃度增加到等于或超過(guò)體內(nèi)空穴的濃度反型層中的電子，一邊是絕緣層 導(dǎo)帶比半導(dǎo)體高出許多，另一邊 是耗盡層空間電荷區(qū)電場(chǎng)形成的勢(shì)壘 電子被限制在表面附近能量最低的一個(gè)狹

20、窄的區(qū)域 有時(shí)稱(chēng)反型層稱(chēng)為溝道channel P型半導(dǎo)體的表面反型層是電子構(gòu)成的 N溝道N溝道晶體管:在P型襯底的MOS體系中增加兩個(gè)N型擴(kuò)散區(qū) 源區(qū)S和漏區(qū)D，構(gòu)成N溝道晶體管1) 一般情況下：柵極電壓很小，源區(qū)S和漏區(qū)D被P型區(qū)隔開(kāi)，即使在SD之間施加一定的電壓，由于SP和DP區(qū)構(gòu)成兩個(gè)反向PN結(jié) 只有微弱的PN反向結(jié) 電流2) 柵極電壓達(dá)到或超過(guò)一定的閾值，Insulator_P-Si表面處形成反型層 電子的濃度大于體內(nèi)空穴的濃度3) 通過(guò)控制柵極電壓的極性和數(shù)值，使MOS晶體管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，源區(qū)S和漏區(qū)D之間的電流受到柵極電壓的調(diào)制 集成電路應(yīng)用 反型層將源區(qū)S和漏區(qū)D連接起來(lái)，

21、此時(shí)在SD施加一個(gè)電壓，則會(huì)有明顯的電流產(chǎn)生 2、理想MIS結(jié)構(gòu)：（1）Wm=Ws；（2）絕緣層內(nèi)無(wú)電荷 且絕緣層不導(dǎo)電；（3）絕緣層與半導(dǎo)體 界面處不存在界面態(tài)。MIS結(jié)構(gòu)等效電路金屬的功函數(shù)Wm表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱(chēng)為真空能級(jí)。 金屬銫Cs的功函數(shù)最低1.93eV，Pt最高為5.36eV功函數(shù)：Wm、Ws？半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費(fèi)米能級(jí)之差稱(chēng)為半導(dǎo)體的功函數(shù)。用表示從Ec到E0的能量間隔：稱(chēng)為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0

22、WsEnNote: 和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜質(zhì)濃度變化，所以，Ws也和雜質(zhì)濃度有關(guān)。3、MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓C-V特性MIS結(jié)構(gòu)是組成MOSFET等表面器件的基本部分；電容電壓特性是用于研究半導(dǎo)體表面和界面的重要手段。一、理想MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性在MIS結(jié)構(gòu)上加一偏壓，同時(shí)測(cè)量小信號(hào)電容隨外加偏壓變化的電容電壓特性，即C-V特性。在MIS結(jié)構(gòu)的金屬和半導(dǎo)體間加以某一電壓VG后，電壓VG的一部分Vo降在絕緣層上，而另一部分降在半導(dǎo)體表面層中，形成表面勢(shì)Vs，即因是理想MIS結(jié)構(gòu)，絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷，絕緣層中電場(chǎng)是均勻的，以E表示其電場(chǎng)強(qiáng)度，顯然，CsC0如何定量描述？理想MIS

23、結(jié)構(gòu)的C-V特性1、多子積累時(shí)：偏壓Vg為負(fù)，半導(dǎo)體表面處于堆積狀態(tài)（以P型半導(dǎo)體）（1）當(dāng)/Vs/較大時(shí)，有C Co半導(dǎo)體從內(nèi)部到表面可視為導(dǎo)通狀態(tài)；C/Co（2）當(dāng)/Vs/較小時(shí)，有C/Co1。2、平帶狀態(tài) Vg=0Vg=0,對(duì)于理想MIS表面勢(shì)Vs也為0.3、耗盡狀態(tài) VG04、強(qiáng)反型后，即VS2VB從物理圖像上理解：強(qiáng)反型層出現(xiàn)后，大量的電子聚積在半導(dǎo)體的表面，絕緣層兩邊堆積了電荷，并且在低頻信號(hào)時(shí)，少子的產(chǎn)生和復(fù)合跟得上低頻小信號(hào)得變化。如同只有絕緣層電容一樣。高頻時(shí)，反型層中的電子的產(chǎn)生和復(fù)合將跟不上高頻信號(hào)的變化，即反型層中的電子數(shù)量不隨小信號(hào)電壓而變化，所以對(duì)電容沒(méi)有貢獻(xiàn)。二、

24、實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性在實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)中，存在一些因素影響著MIS的C-V特性，如：金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)的差、絕緣層中的電荷等。 例：以Al/SiO2/P-type-Si 的MOS結(jié)構(gòu)為例： P型硅的功函數(shù)一般較鋁大，當(dāng)WmWs時(shí)，將導(dǎo)致C-V特性向負(fù)柵壓方向移動(dòng)。使能帶恢復(fù)平直的柵電壓CFBVFB平帶電壓VFB實(shí)驗(yàn)上，可計(jì)算出理想狀態(tài)時(shí)的平帶電容值，然后在CFB引與電壓軸平行的直線(xiàn)，和實(shí)際曲線(xiàn)相交點(diǎn)在電壓軸上的坐標(biāo)，即VFB實(shí)際絕緣層電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響：一般有：由于這些電荷的存在，將在金屬和半導(dǎo)體表面感應(yīng)出相反符號(hào)的電荷，在半導(dǎo)體的空間電荷層內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)使得能帶發(fā)生彎曲。也即沒(méi)有偏壓，也可使得半導(dǎo)體表面層離開(kāi)平帶狀態(tài)。假設(shè)在SiO2中距離金屬/SiO2的界面x處有一層正電荷金屬SiO2半導(dǎo)體do假定半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)相同，即Wm=Ws金屬半導(dǎo)體Ec半導(dǎo)體表面能帶下彎恢復(fù)平帶的方法：半導(dǎo)體絕緣層金屬do在金屬一邊加上負(fù)電壓，并且逐漸增大，使得半導(dǎo)體表面層的負(fù)電荷隨之減小，直至完全消失。這時(shí)在半導(dǎo)體表面層內(nèi)，在氧化物中存在的薄的正電荷產(chǎn)生