半導(dǎo)體物理：半導(dǎo)體表面和MIS結(jié)構(gòu)課件

1、第8章 半導(dǎo)體表面和MIS結(jié)構(gòu)2第8章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)8.1 半導(dǎo)體表面與表面態(tài)8.2 表面電場(chǎng)效應(yīng)與MIS結(jié)構(gòu)8.3 MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性8.4 硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)8.5 表面電導(dǎo)與表面遷移率3第8章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu) 8.1 半導(dǎo)體表面與表面態(tài) 8.1.1 理想一維晶體模型及其解 8.1.2 實(shí)際半導(dǎo)體表面 表面態(tài)會(huì)加速非平衡載流子的復(fù)合，會(huì)改變半導(dǎo)體表面的功函數(shù),從而影響材料和金屬-半導(dǎo)體接觸的性能。但另一方面我們也看到，外加電壓能通過(guò)金屬-半導(dǎo)體接觸改變半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，使表面附近的能帶發(fā)生不同程度的彎曲。以后我們會(huì)知道，利用這樣的表面電場(chǎng)效應(yīng)可以做成各種各樣的器

2、件。8.1.1 理想一維晶體模型及其解 由于晶格的不完整性使勢(shì)場(chǎng)的周期性受到破壞時(shí),則在禁帶中產(chǎn)生附加能級(jí)。由于晶格缺陷或吸附原子等原因也可以引起表面態(tài),這種表面態(tài)與表面處理工藝密切相關(guān)。表面態(tài)對(duì)半導(dǎo)體的各種物理過(guò)程有著重要影響,特別是對(duì)許多半導(dǎo)體器件的性能影響更大。理想表面：即晶體表面不附著任何其他分子或氧化膜41、理想一維晶體表面模型及其解x0處為晶體表面；x0的區(qū)域?yàn)榫w內(nèi)部，其中有一個(gè)以a為周期隨x變化的 周期勢(shì)場(chǎng)V(x)；x0的區(qū)域表示晶體之外，其中的勢(shì)能V0為一常數(shù)，這相當(dāng)于一個(gè)深度為V0的勢(shì)阱。 一維半無(wú)限晶體的周期性勢(shì)場(chǎng)模型 對(duì)能量EV0的電子 對(duì)能量EV0的電子 51.在晶體

3、外部，電子波函數(shù)集中在x0的表面處，隨著離開(kāi)表面距離的增加，波函數(shù)按照指數(shù)形式衰減。 對(duì)能量EV0的電子 一維半無(wú)限周期場(chǎng)中存在波數(shù)k取復(fù)數(shù)的電子狀態(tài)，其波函數(shù)在x=0的兩邊按指數(shù)衰減。表明占據(jù)這一附加能級(jí)的電子主要集中在x0處，即電子被局限在表面上。即表面態(tài)（對(duì)應(yīng)的表面能級(jí)）8表面態(tài) 表面能級(jí)在一維半無(wú)限周期場(chǎng)中存在波數(shù)k取復(fù)數(shù)的電子狀態(tài)，其波函數(shù)在x=0的兩邊按指數(shù)衰減。這表明占據(jù)這一附加能級(jí)的電子主要集中在x0處，即電子被局限在表面上。因此，這種電子狀態(tài)被稱(chēng)作表面態(tài)，對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱(chēng)為表面能級(jí)，亦稱(chēng)達(dá)姆能級(jí)。表面態(tài)的存在是肖克萊等首從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的。晶體所固有的的三維平移對(duì)稱(chēng)性在表面層中受到破

4、壞，現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到在超高真空下共價(jià)半導(dǎo)體的表面發(fā)生再構(gòu)現(xiàn)象，形成新的具有沿表面二維平移對(duì)稱(chēng)性的原子排列結(jié)構(gòu)。受降低表面自由能這個(gè)自然法則的驅(qū)使，表面重構(gòu)使硅晶體實(shí)際表面的原子排列比理想表面復(fù)雜得多，但帶懸鍵的原子密度大為降低; 吸附原子或分子也是自由表面為了降低懸鍵密度、降低表面能量的一種本能 9達(dá)姆表面能級(jí)1932年，達(dá)姆首先提出：晶體自由表面的存在使周期性勢(shì)場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷, 引起附加能級(jí)。這種能級(jí)稱(chēng)為達(dá)姆表面能級(jí)。達(dá)姆證明了半無(wú)限Kronig-Penney模型在一定條件下,每個(gè)表面原子在禁帶中對(duì)應(yīng)一個(gè)表面能級(jí)。在三維晶體中仍如此,即每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)禁帶中一個(gè)表面能級(jí),這些表面能級(jí)組

5、成表面能帶。懸掛鍵與表面態(tài)表面態(tài)的概念還可以從化學(xué)鍵方面來(lái)說(shuō)明。 每個(gè)表面原子由于晶格的突然終止而存在 未飽和的懸掛鍵，與之對(duì)應(yīng)的能態(tài)就是表面態(tài)。 由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子 和空穴，從而使表面帶電。這些帶電電荷可以 排斥表面層中相同的電荷使之成為耗盡層甚至 變成反型層。2 三維理想晶體的表面態(tài) 理想模型的實(shí)際意義在于證明了三維理想晶體的表面上每個(gè)原子都會(huì)在禁帶中產(chǎn)生一個(gè)附加能級(jí) 大多數(shù)結(jié)晶半導(dǎo)體的原子密度在1022cm-3量級(jí).按此推算,單位面積表面的表面態(tài)數(shù)應(yīng)在1015量級(jí). 數(shù)目如此巨大的表面能級(jí)實(shí)際已構(gòu)成了一個(gè)能帶。表面態(tài)本質(zhì)上與表面原子的未飽和鍵,即懸掛鍵有關(guān).表面取向不

6、同，其懸掛鍵的密度亦有所不同。表面態(tài)亦有施主和受主之分。通常將空態(tài)呈中性而被電子占據(jù)后帶負(fù)電的表面態(tài)稱(chēng)為受主型表面態(tài);將空態(tài)帶正電而被電子占據(jù)后呈中性的表面態(tài)稱(chēng)為施主型表面態(tài)表面態(tài)能夠與體內(nèi)交換電子或空穴,引起半導(dǎo)體表面能帶的彎曲,產(chǎn)生耗盡層甚至反型層.當(dāng)外加偏壓使半導(dǎo)體表面電勢(shì)發(fā)生變化時(shí),表面態(tài)中的電荷分布也隨之變化,即表面態(tài)隨外加偏壓的變化而充放電 8.2 表面電場(chǎng)效應(yīng)理想MIS結(jié)構(gòu)（1）在零偏壓下，金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差為零；（平帶條件）（2）在任意偏壓下，只有兩部分?jǐn)?shù)量相等，符號(hào)相反的電荷。 (3)在直流偏壓下，絕緣層內(nèi)沒(méi)有載流子輸運(yùn)。Rox在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；

7、（費(fèi)米能級(jí)一致）（4）絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。8.2.1 空間電荷層及表面勢(shì)空間電荷層：成因。表面勢(shì)：空間電荷層兩端的電勢(shì)差為表面勢(shì)，以Vs表示，規(guī)定表面電勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，Vs取正值；反之Vs取負(fù)值。表面勢(shì)及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG而變化三種情況： 多子堆積、多子耗盡和少子反型。平帶狀態(tài)：外加電壓為零 平帶（VG=0）理想MIS結(jié)構(gòu)（1）金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差為零；（2）在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；（3）絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)。 以型樣品襯底為例：能帶無(wú)彎曲，無(wú)空間電荷區(qū)；二、不同VG下的表面空間電荷層與表面勢(shì)外加電壓因

8、其極性和高低的不同,不僅會(huì)在MIS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體表面形成耗盡層，也會(huì)形成令多數(shù)載流子密度升高的載流子累積層和令少子密度升高并最終變?yōu)槎嘧拥姆葱蛯印?由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的理想MIS結(jié)構(gòu)在各種UG下的空間電荷分布和能帶圖 1.多數(shù)載流子堆積狀態(tài) 金屬與半導(dǎo)體表面加負(fù)壓，表面勢(shì)為負(fù)，表面處能帶向上彎曲。2.多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)金屬與半導(dǎo)體表面加正壓，表面勢(shì)為正，表面處能帶向下彎曲，表面處空穴遠(yuǎn)低于體內(nèi)空穴濃度。 3.少數(shù)載流子反型狀態(tài) 當(dāng)金屬與半導(dǎo)體表面間正壓進(jìn)一步增大，表面處費(fèi)米能級(jí)位置可能高于禁帶中央能量。使得在表面處的少子電子濃度高于多子空穴的濃度，則表面處導(dǎo)電類(lèi)型就發(fā)生改變，稱(chēng)為反型層。 半導(dǎo)體空

9、間電荷層的負(fù)電荷由兩部分組成：耗盡層中已經(jīng)電離的受主負(fù)電荷和反型層中的電子。以p型半導(dǎo)體為例：n 型半導(dǎo)體同樣有：金屬與半導(dǎo)體間加正壓，多子堆積；金屬與半導(dǎo)體間加不太高的負(fù)壓，多子耗盡；金屬與半導(dǎo)體間加高負(fù)壓，少子反型；8.2.2 表面空間電荷層的電場(chǎng)、電勢(shì)和電容規(guī)定x軸垂直于表面指向半導(dǎo)體內(nèi)部，表面處為x軸原點(diǎn)。采用一維近似處理方法。同時(shí)存在Na,Nd雜質(zhì)，且 NaNd，VG0的情況?？臻g電荷層中電勢(shì)滿(mǎn)足泊松方程設(shè)半導(dǎo)體表面層仍可以使用經(jīng)典分布則在電勢(shì)為V的x點(diǎn)（半導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)為0），電子和空穴的濃度分別為在半導(dǎo)體內(nèi)部，電中性條件成立，故即代入可得上式兩邊乘以dV并積分，得到將上式兩邊積分，

10、并根據(jù)由：令 ，表面電場(chǎng)：根據(jù)高斯定理可得：表面的面電荷密度當(dāng)金屬電極為正，即Vs0，Qs用負(fù)號(hào)反之Qs用正號(hào)。在單位面積的表面層中空穴的改變量為因?yàn)榭紤]到x=0，V=Vs和x=，V=0，則得 同理可得表面微分電容單位面積上的電容,單位F/cm2。表面的面電荷密度表面空間電荷區(qū)電容1.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)現(xiàn)仍以p型半導(dǎo)體為例來(lái)說(shuō)明。當(dāng)外加電壓VG0時(shí)，表面勢(shì)Vs及表面層內(nèi)的電勢(shì)V(x)都是負(fù)值 對(duì)于足夠大的|V(x)|和|Vs|值,在p型半導(dǎo)體中， 分別表示在多數(shù)載流子堆積狀態(tài)時(shí)，表面電場(chǎng)、表面電荷和空間電荷電容隨表面勢(shì)Vs變化的關(guān)系。 表面電荷隨表面勢(shì)的絕對(duì)值|Vs|的增大而按指數(shù)增長(zhǎng)。這表明

11、當(dāng)表面勢(shì)越負(fù)，能帶在表面處向上彎曲得越厲害時(shí)，表面層的空穴濃度急劇地增長(zhǎng)。2.平帶狀態(tài)當(dāng)外加電壓VG=0時(shí)，表面勢(shì)Vs=0,表面處能帶不發(fā)生彎曲 平帶（VG=0）對(duì)于耗盡狀態(tài)，還可以用“耗盡層近似”來(lái)處理，即假設(shè)空間電荷層的空穴都已全部耗盡，電荷全由已電離的受主雜質(zhì)構(gòu)成。在這種情況下，若半導(dǎo)體摻雜是均勻的，則空間電荷層的電荷密度泊松方程化為將上式積分一次得式中C1是積分常數(shù)，可以用邊界條件確定。勢(shì)壘區(qū)以外是電中性的，電場(chǎng)集中在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)，故得邊界條件為3.耗盡狀態(tài)(多子耗盡)當(dāng)外加電壓VG為正,但其大小還不足以使表面處禁帶中央能級(jí)彎曲到費(fèi)米能級(jí)以下時(shí)，表面不會(huì)出現(xiàn)反型空間電荷區(qū)處于空穴耗盡狀態(tài)。

12、表面勢(shì)Vs及表面層內(nèi)的電勢(shì)V(x)都大于零設(shè)體內(nèi)電勢(shì)為零有：令x=0,則得到表面電勢(shì)本征情況:隨著外加正電壓增大，表面處禁帶中央能級(jí)Ei（x=0）可以下降到等于EF，即出現(xiàn)表面本征層。4.反型狀態(tài)隨著外加正電壓增大，表面處禁帶中央能值Ei（x=0）可以下降到EF以下，即出現(xiàn)反型層。反型狀態(tài)可分為強(qiáng)反型和弱反型兩種情況以表面處少數(shù)載流子濃度ns是否超過(guò)體內(nèi)多數(shù)載流子濃度pp0為標(biāo)志來(lái)定。表面處少子濃度發(fā)生強(qiáng)反型的臨界條件:表面處少數(shù)載流子濃度ns等于大于體內(nèi)多數(shù)載流子濃度pp0襯底雜質(zhì)濃度NA越高，VB越大,即要求Vs越大，越不易達(dá)到強(qiáng)反型。即襯底雜質(zhì)濃度NA越低，越易達(dá)到強(qiáng)反型對(duì)應(yīng)于表面勢(shì)Vs

13、=2VB時(shí),金屬板上施加的電壓習(xí)慣上稱(chēng)做開(kāi)啟電壓VT即有：臨界強(qiáng)反型時(shí)強(qiáng)反型時(shí)一旦出現(xiàn)強(qiáng)反型，表面耗盡層寬度就達(dá)到一個(gè)極大值xdm ，不再隨外加電壓的增加而增加。這是因?yàn)榉葱蛯又蟹e累電子屏蔽了外電場(chǎng)的作用。耗盡層寬度極大值上式表明， xdm由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和摻雜濃度來(lái)確定。對(duì)一定的材料，摻雜濃度越大， xdm越小。對(duì)于一定的襯底雜質(zhì)濃度NA，則對(duì)于禁帶越寬的材料，ni值越小， xdm越大Couple Charge Device( CCD )深耗盡狀態(tài)是在實(shí)際中經(jīng)常遇到的一種較重要的狀態(tài)。電荷耦合器件CCD就是工作在表面深耗盡狀態(tài)的一種常用器件。設(shè)耗盡層內(nèi)電子的產(chǎn)生率為G，壽命為,則少子產(chǎn)生率

14、G=ni /(2),從初始的深耗盡狀態(tài)過(guò)渡到熱平衡反型層所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)熱馳豫時(shí)間th，在th內(nèi)產(chǎn)生的少子濃度為NACCD器件中電荷包從開(kāi)始的勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到最后的的勢(shì)阱就是在熱馳豫時(shí)間th內(nèi)完成的。CCD的工作原理電荷包的注入方式：光注入：光束直接照射P型Si-CCD襯底，分為正面照射與背面照射兩種。電注入：當(dāng)CCD用于信息存儲(chǔ)或信息處理時(shí)，通過(guò)輸入端的輸入二極管和輸入柵極，把與信號(hào)成正比的電荷注入到相應(yīng)的勢(shì)阱中。CCD工作過(guò)程： 先將半導(dǎo)體產(chǎn)生的（與照度分布相對(duì)應(yīng)）信號(hào)電荷注入到勢(shì)阱中，再通過(guò)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)脈沖控制勢(shì)阱的深淺，使信號(hào)電荷沿溝道朝一定的方向轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)輸出電路形成一維時(shí)序信號(hào)。CCD：將電

15、荷包從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢(shì)阱三相CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移過(guò)程8.3 MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性在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V0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定義絕緣層的單位面積電容MIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體空間電荷層電容(表面微分電容)的串聯(lián)先考慮加較大的負(fù)偏壓情形。這時(shí)Vs為負(fù)值，且其絕對(duì)值較大MIS的電容不隨電壓VG變化，AB段。當(dāng)VG絕對(duì)值較小時(shí)， Vs很小，上式中分母中第二項(xiàng)變大，不能略去，這時(shí)C/C0值隨Vs減小而減小，BC段。當(dāng)VG 0時(shí)，對(duì)于理想MIS結(jié)構(gòu)，表面勢(shì)Vs 0當(dāng)金屬與半導(dǎo)體間外加偏壓為正,VG0

16、但不足以使半導(dǎo)體表面反型時(shí)，空間電荷區(qū)處于耗盡狀態(tài)在耗盡狀態(tài)時(shí),C/C0隨VG變化情況: 當(dāng)VG增加時(shí)，C/C0將減小。這是由于耗盡狀態(tài)時(shí)，表面空間電荷厚度xd隨偏壓VG增大而增大， xd越大，Cs越小，C/C0也隨之越小。C/C0隨VG的變化情況如圖8-10中CD段所示。解出Vs，并代入上式當(dāng)外加電壓增大到使表面勢(shì)由前面討論知道，這時(shí)耗盡層寬度保持在極大值，表面處出現(xiàn)強(qiáng)反型層。上式表示在強(qiáng)反型情況C/C0隨表面勢(shì)變化情況?？梢钥闯?，因強(qiáng)反型時(shí),Vs為正且數(shù)值較大，上式分母中第二項(xiàng)趨近于零，這時(shí)C/C0 1，MIS的電容又上升到等于絕緣層的電容，如圖8-10中EF段所示。因強(qiáng)反型出現(xiàn),大量電子

17、聚集在半導(dǎo)體表面處，絕緣層兩邊堆集著電荷，如同只有絕緣層電容一樣。注意:式(8-69)只適用于信號(hào)頻率較低的情況。當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí),反型層中電子的產(chǎn)生與復(fù)合將跟不上高頻信號(hào)的變化,反型層中電子的數(shù)量不能隨高頻信號(hào)而變。因此，在高頻信號(hào)時(shí)，反型層中電子對(duì)電容沒(méi)有貢獻(xiàn)，這時(shí)空間電荷區(qū)的電容仍由耗盡層的電荷變化決定。由于強(qiáng)反型出現(xiàn)時(shí)耗盡層寬度達(dá)到最大值，不隨偏壓VG變化，耗盡區(qū)貢獻(xiàn)的電容將達(dá)極小值并保持不變，C/C0也將保持在最小值Cmin/C0并且不隨VG而變，如圖8-10中GH段所示。Cmin/C0可由下面的考慮方法求得。在某瞬間外加偏壓稍稍增長(zhǎng)，由于反型層中電子的產(chǎn)生復(fù)合跟不上信號(hào)電壓的變化，

18、故反型層中沒(méi)有相應(yīng)的電量變化MIS結(jié)構(gòu)電容是絕緣層電容及與最大耗盡層厚度相對(duì)應(yīng)的耗盡層電容的串聯(lián)組合。上式表明對(duì)同一種半導(dǎo)體材料，當(dāng)溫度一定時(shí),Cmin/C0為絕緣層厚度及襯底摻雜濃度的函數(shù)。當(dāng)d0一定時(shí)，NA越大， Cmin/C0值就越大。利用這里的理論，可以測(cè)定半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度。見(jiàn)圖8-12，在高頻條件下，理想MIS結(jié)構(gòu)的歸一化極小電容與氧化層厚度關(guān)系。根據(jù)以上討論得到，MIS結(jié)構(gòu)電容與頻率有關(guān)。由圖看出，在開(kāi)始強(qiáng)反型時(shí)，用低頻信號(hào)測(cè)得的電容值接近絕緣層的電容。8.3.2金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響由于p型硅的功函數(shù)一般比鋁大,電子將從金屬流向半導(dǎo)體中。因此在p型硅

19、表面層內(nèi)形成帶負(fù)電的空間電荷層，而在金屬表面產(chǎn)生正電荷。這些正負(fù)電荷在Si表面層內(nèi)產(chǎn)生指向半導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)，并使硅表面層內(nèi)能帶發(fā)生向下彎曲。同時(shí)硅內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于金屬的費(fèi)米能級(jí)就要向上提高，到兩者相等達(dá)到平衡半導(dǎo)體中電子的電勢(shì)能相對(duì)于金屬提高的數(shù)值為由于金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的不同，雖然外加偏壓為零，但半導(dǎo)體表面層并不處于平帶狀態(tài)。為恢復(fù)平帶狀態(tài)，必須在金屬鋁與半導(dǎo)體硅間加一定的負(fù)電壓，抵消由于兩者功函數(shù)不同引起的電場(chǎng)和能帶彎曲。為了恢復(fù)平帶狀態(tài)所需加的電壓叫做平帶電壓，用VFB表示。8.3.3 絕緣層電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響 根據(jù)高斯定理：金屬與薄層電荷之間的電位移D等于金屬電荷面密

20、度Qm8.4 硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)1、二氧化硅層中的可動(dòng)離子Qm2、二氧化硅層中的固定電荷Qfc（位于Si-SiO2界面處附近20nm）3、界面態(tài)(快界面態(tài))Qit（指位于Si-SiO2界面處禁帶中的能級(jí)或能帶，它們能在短的時(shí)間內(nèi)和體內(nèi)半導(dǎo)體交換電荷）4、二氧化硅層中的電離陷阱電荷Qot（氧化物陷阱電荷）8.4.1二氧化硅中的可動(dòng)離子QmB-T實(shí)驗(yàn)（偏壓-溫度實(shí)驗(yàn)） 1.原始C-V曲線(xiàn) 2.加+10V偏壓，1270 C,退火30min后的C-V曲線(xiàn) 3.加-10V偏壓，1270 C,退火30min后的C-V曲線(xiàn)8.4.2二氧化硅中的固定表面電荷Qfc8.4.3硅-二氧化硅界面處的快界面態(tài)Qi

21、t由于Si-SiO2界面處Si共價(jià)鍵的不完整而出現(xiàn)界面態(tài)及能級(jí)8.4.4二氧化硅層中的電離陷阱電荷Qot658.5.1 表面電導(dǎo)一、表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs的變化二、環(huán)境對(duì)表面電導(dǎo)的影響66一、表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs的變化表面電導(dǎo)的大小取決于表面層內(nèi)載流子的數(shù)量及其遷移率。如果在半導(dǎo)體層內(nèi)存在電場(chǎng)而形成表面勢(shì)Vs時(shí)，表面層內(nèi)載流子的數(shù)目將隨表面勢(shì)的變化而變化，從而表面電導(dǎo)也隨之改變。因此垂直于表面方向的電場(chǎng)對(duì)表面電導(dǎo)起著控制作用，MOS場(chǎng)效應(yīng)管正是利用這種電導(dǎo)調(diào)制作用而制成的。67一、表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs的變化由于表面電場(chǎng)的作用,在表面層中單位面積所產(chǎn)生的附加空穴和附加電子數(shù)分別為p和 n,如果分別

22、用ps和ns表示表面層中空穴和電子的有效遷移率,則由于p和 n的產(chǎn)生，在表面層內(nèi)引起的薄層附加電導(dǎo)為: =q(ps p+ ns n)薄層附加電導(dǎo)是相對(duì)于平帶狀態(tài)而言,通常以 (0)表示表面處于平帶狀態(tài)時(shí)的表面薄層電導(dǎo)，因此，半導(dǎo)體表面層中總的薄層表面電導(dǎo):(Vs)= (0) +q(psp+ns n)68一、表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs的變化(Vs)= (0) +q(psp+ns n)以p型半導(dǎo)體為例分析一下表面電導(dǎo)隨表面勢(shì)Vs變化的情況。當(dāng)表面勢(shì)為負(fù)時(shí)，表面層內(nèi)形成多數(shù)載流子空穴的積累，表面電導(dǎo)因p隨 |VS|值的增加而增加。當(dāng)Vs為正值且足夠大以致表面開(kāi)始反型時(shí)，表面電導(dǎo)則因反型層中電子數(shù)的增加而隨

23、VS的增大而增大。當(dāng)VS為正值但數(shù)值較小時(shí)，表面處于耗盡狀態(tài)，此時(shí)表面電導(dǎo)較小，并有一表面電導(dǎo)極小值存在。 69二、環(huán)境對(duì)表面電導(dǎo)的影響環(huán)境可以改變半導(dǎo)體表面的吸附情況，從而改變半導(dǎo)體表面的懸鍵密度，而懸鍵總是通過(guò)與半導(dǎo)體近表面層交換載流子而在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生電場(chǎng)，產(chǎn)生表面勢(shì),引起附加表面電導(dǎo)。實(shí)驗(yàn): 使用電阻率為20cm的n型鍺樣品(對(duì)這樣的電阻率,樣品的體電阻可以略去,這便于求得表面電導(dǎo))。 先把樣品放在1.3310-7Pa以上的高真空中用氬離子轟擊并加熱退火以獲得“潔凈”表面;然后保持樣品在真空室內(nèi)，并觀(guān)察樣品的表面電導(dǎo)隨真空內(nèi)氧氣壓變化的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在氧氣壓較低的高真空段,表面電導(dǎo)保

24、持較低的定值,但比轟擊前高；當(dāng)氧氣壓增加到1.3310-8Pa時(shí),表面電導(dǎo)開(kāi)始隨氧分壓的升高而增加,到1.3310-6Pa時(shí)達(dá)到極大值;然后又隨氧氣壓的增加而下降到與轟擊前相當(dāng)?shù)牡椭怠?70實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋?zhuān)罕砻媲鍧嵵?，半?dǎo)體表面因大量吸附外來(lái)原子而使懸鍵大量飽和，剩余的懸鍵吸收近表面層的電子（對(duì)n型而言）而使近表面層處于耗盡狀態(tài)，表面電導(dǎo)極小。氬離子轟擊使表面吸附被清除，高溫退火促使表面原子重構(gòu)。表面重構(gòu)使半導(dǎo)體表面在高真空下處于懸鍵密度較低但完全裸露的狀態(tài)，因而傾向于從體內(nèi)接受電子而飽和，使近表面層處于一個(gè)新的電子耗盡狀態(tài)，表面電導(dǎo)保持在一個(gè)較高的定值。直到氧分壓升高到1.3310-8Pa時(shí)

25、，表面重構(gòu)受到破壞,表面懸鍵密度逐漸升高，近表面層因表面負(fù)電荷的增加而漸趨反型,p逐漸增大,表面電導(dǎo)隨著氧分壓的升高而升高，到1.3310-6Pa時(shí)達(dá)到極大值。 其后，氧對(duì)表面懸鍵的鈍化作用隨著氧分壓的進(jìn)一步升高而逐漸增強(qiáng)，表面電荷逐漸減少，當(dāng)氧分壓升高到1.3310-2Pa以上時(shí)，鈍化效果最佳，懸鍵密度降到最低，表面電導(dǎo)達(dá)到其最小值。 (Vs)= (0) +q(psp+ns n)8.5.2 表面散射與近表面區(qū)中載流子的有效遷移率一、表面散射機(jī)構(gòu)二、表面層中載流子的等效遷移率 2. 表面載流子的有效遷移率 載流子的有效遷移率是指其在表面層中的平均遷移率。設(shè)在離表面距離為x處電子的濃度和遷移率分

26、別為 及 ，則該處的電導(dǎo)率為由表面層電子貢獻(xiàn)的表面電導(dǎo)應(yīng)為有效遷移率還于溫度有關(guān)，在較高的溫度下，反型層中電子和空穴的有效遷移率與溫度有T 的關(guān)系。表明在表面存在與晶格散射相類(lèi)似的散射機(jī)構(gòu)。3/2上式除以表面層內(nèi)電子形成的單位面積電荷Qn的絕對(duì)值，則得電子的有效遷移率為一、表面散射機(jī)構(gòu)對(duì)于MOSFET的導(dǎo)電溝道，運(yùn)動(dòng)于其中的載流子不僅要受溝道層中電離雜質(zhì)與晶格振動(dòng)的散射，也要受溝道邊界的散射；對(duì)這些載流子遷移率的計(jì)算，不僅需要考慮強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)，有時(shí)也需要考慮量子尺寸效應(yīng)，這要視具體情況而定。一般講，當(dāng)我們所考慮的載流子輸運(yùn)問(wèn)題是針對(duì)一個(gè)表面面積與體積之比較大的半導(dǎo)體樣品時(shí)，表面散射一般不能忽略，

27、有時(shí)甚至?xí)仙經(jīng)Q定遷移率大小的主導(dǎo)地位。這時(shí)，電離雜質(zhì)與晶格振動(dòng)對(duì)載流子的散射作用反而變得不甚重要。表面導(dǎo)電溝道中散射機(jī)構(gòu)主要有氧化層中的固定電荷和氧化層半導(dǎo)體界面上的界面態(tài)束縛電荷。表面本身以及表面的粗糙不平使晶格振動(dòng)在近表面區(qū)域發(fā)生畸變，也跟這些電荷的庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng)一樣對(duì)載流子的運(yùn)動(dòng)起散射作用。正確估計(jì)這些附加散射機(jī)構(gòu)對(duì)在溝道中運(yùn)動(dòng)的載流子的遷移率的影響，對(duì)正確分析和模擬MOSFET的工作特性起著關(guān)鍵作用。 二、表面層中載流子的等效遷移率反型層中自由載流子的密度并不是均勻分布的，它們的遷移率也不相同，因?yàn)橹淮嬖谟诒砻婊蚪缑婕捌涓浇纳⑸錂C(jī)構(gòu)，顯然對(duì)運(yùn)動(dòng)于反型層中不同深度的自由載流子所起的散射作

28、用不同。越是靠近表面的自由載流子，其所受散射越強(qiáng)。表面散射對(duì)載流子的作用是隨深度變化的 .對(duì)于自由載流子密度隨深度變化的MOSFET在導(dǎo)通狀態(tài)下的工作特性，作為其反型層導(dǎo)電溝道的一個(gè)量度，定義等效遷移率:實(shí)際情況中，等效遷移率 eff 可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定 768.5.3 影響表面遷移率的主要因素一、界面電荷對(duì) eff 的影響二、表面電場(chǎng)對(duì)eff 的影響三、表面晶向?qū)?eff 的影響 一、界面電荷對(duì) eff 的影響圖中可見(jiàn)，界面電荷對(duì)載流子遷移率的影響是十分明顯特別是在摻雜濃度較高但尚未嚴(yán)重影響到載流子遷移率大小的材料表面 二、表面電場(chǎng)對(duì)eff 的影響垂直施加在半導(dǎo)體表面上的電場(chǎng)是影響 eff 大小的首要因素。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加在MOS 結(jié)構(gòu)反型層上的垂直電場(chǎng)較弱而只能使其進(jìn)入弱反型狀態(tài)時(shí)，eff 的變化呈隨電場(chǎng)增強(qiáng)而急劇上升的趨勢(shì)，但在升至極值 e,max 后就轉(zhuǎn)而隨著表面電場(chǎng)的