半導(dǎo)體物理課件

1、半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理（電子2013-第一學(xué)12345678半導(dǎo)12345678半導(dǎo)體中的電子狀半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分載流子輸非平衡載流pn金屬和半導(dǎo)體的接半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)半導(dǎo)體光電、磁電及熱電效7半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)本章內(nèi)容提表面7半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)本章內(nèi)容提表面表面電場(chǎng)效MIS結(jié)構(gòu)C-V特硅二氧化硅系表面電固體有新興的多學(xué)綜合性邊緣學(xué)表界周圍的環(huán)境相互作固體有新興的多學(xué)綜合性邊緣學(xué)表界周圍的環(huán)境相互作物理和化學(xué)特性產(chǎn)生很大影表面：固體與真空之間的分界面界面：不同相或不同類的物質(zhì)之間的分界面 表面1.理想表面和實(shí)際表理想表面：表表面1.理想表面和實(shí)際表理想表面：表面層中原子排列的對(duì)稱性與

2、體內(nèi)原子完全相同且表面不附著任何原子或分子的半無限晶體表面“理想表面”實(shí)際上并不存在，實(shí)際的晶體表面是個(gè)結(jié)構(gòu)比體內(nèi)復(fù)雜得多的系統(tǒng)表面處的晶格不完整，勢(shì)場(chǎng)的周期性遭到破壞，在禁帶中產(chǎn)生附加能級(jí)（達(dá)姆表面能級(jí)）。理想表面：表面層中原子排列的對(duì)稱性與體內(nèi)原子完全相同理想表面：表面層中原子排列的對(duì)稱性與體內(nèi)原子完全相同且表面不附著任何原子或分子的半無限晶體表面“表面”并不是一個(gè)幾何平面，它包括了所有不有體內(nèi)三維周期性的原子層清潔表面 ：一個(gè)沒有雜質(zhì)吸附和氧化層的潔凈表實(shí)際表（真空中短暫存在真實(shí)表面由于環(huán)境的影響，實(shí)際接觸的表面往往生成氧化物或其他化合物，還可能有物理吸附層，甚至還有與表面接觸過的多種物

3、體留下的痕跡。硅清潔表面示意2.表面體內(nèi)：周期性勢(shì)場(chǎng)因晶體的不2.表面體內(nèi)：周期性勢(shì)場(chǎng)因晶體的不完整性（雜質(zhì)原子或晶格缺陷的存在而受到破壞時(shí)，會(huì)在禁帶中出現(xiàn)附加能級(jí)表面：一方面，類似上述體內(nèi)的情形因雜質(zhì)原子或晶格缺陷禁帶中有附加能級(jí)，形成表面態(tài)。另一方面，表面的特殊性（懸掛鍵、物理吸附、化學(xué)吸附、氧化等）也會(huì)使得在禁帶中出現(xiàn)附加能級(jí)，從而形成表面態(tài)。存在狀態(tài)本征表面態(tài)：即清潔表面的電子態(tài)，沒有外來雜外誘表面態(tài) ：表面雜質(zhì)，吸附原子和其他不完整性產(chǎn)表面態(tài)特性類施主態(tài)類受主回憶表面態(tài)特性類施主態(tài)類受主回憶：金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖（釘扎效應(yīng)表面中性能級(jí)以上為類受主能級(jí)，以下為類施主能 可以成為半導(dǎo)

4、體少數(shù)載流子有效的產(chǎn)生和復(fù)合中心，決定了表面合的特性。（回憶復(fù)合理論 對(duì)載流子起散射作用，降低表面遷移率，影響表面電導(dǎo)。（回憶MIS等結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生垂直半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，引起表面電場(chǎng)效應(yīng)表面電場(chǎng)效外加電場(chǎng)作用下半導(dǎo)體表面層內(nèi)發(fā)生的表面電場(chǎng)效外加電場(chǎng)作用下半導(dǎo)體表面層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象1.表面電場(chǎng)的產(chǎn) 表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子，引起表面勢(shì)壘（憶巴丁模型 金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，功函數(shù)不同，形成接觸電勢(shì) 表面吸附帶電離子 MOS或MIS結(jié)構(gòu)中，在金屬柵極和半導(dǎo)體間施加電壓 離子晶體的表面和晶粒間2.空間電荷層和表面勢(shì)（金屬與半導(dǎo)體間2.空間電荷層和表面勢(shì)（金屬與半導(dǎo)體間加電壓理想MIS結(jié)絕緣層與半導(dǎo)體界面

5、處不存在任何界面金 屬（M）半導(dǎo)體載流子密度要低得半導(dǎo)體表面形成有一定厚載流子密度要低得半導(dǎo)體表面形成有一定厚度的帶金屬電原子層的厚沿電場(chǎng)方向電勢(shì)降低（表面表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎表面電場(chǎng)和表面表面勢(shì)：空間電荷層內(nèi)的電場(chǎng)從表面到體內(nèi)表面勢(shì)：空間電荷層內(nèi)的電場(chǎng)從表面到體內(nèi)逐漸減弱直到為零表面電勢(shì)高時(shí)取正值“表面勢(shì)VS”就是為描述能帶變曲的方向和程度而引入的，與半導(dǎo)類型無關(guān)。Vs0，下彎；Vs0，上彎（回憶金半接觸表面勢(shì)及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導(dǎo)體間所加電壓Vg而變化，分為堆積、耗盡和反型三種情況如何分理想MIS結(jié)構(gòu)（p型）在各種如何分理想MIS結(jié)構(gòu)（p型）在各種VG下的表面勢(shì)和空間

6、電荷分（a）多子堆積；（b）多子耗盡；（c）反VGV0VS（V0為絕緣層壓降(a)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（p型能帶上熱平衡時(shí)(a)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（p型能帶上熱平衡時(shí)半導(dǎo)體E為定堆積層，正電荷：空半導(dǎo)體表面層空穴堆（多子堆積(b)多數(shù)載流子耗盡狀能帶下熱平衡時(shí)半導(dǎo)體E(b)多數(shù)載流子耗盡狀能帶下熱平衡時(shí)半導(dǎo)體E為定價(jià)帶空穴濃半導(dǎo)體表面層空穴耗（多子耗盡耗盡層，負(fù)電荷：電離受(c)少數(shù)載流子反型狀進(jìn)一步增能帶進(jìn)一(c)少數(shù)載流子反型狀進(jìn)一步增能帶進(jìn)一步EF高于Ei，費(fèi)米能級(jí)更靠近導(dǎo)表面處電子濃度超過空穴濃（少子反型層負(fù)電荷： 電子（反型層）+電離受主（耗盡層n型半導(dǎo)體如n型半導(dǎo)體當(dāng)金屬與半導(dǎo)n型半

7、導(dǎo)體如n型半導(dǎo)體當(dāng)金屬與半導(dǎo)體間加正電壓時(shí)，表面層內(nèi)形成(多子堆積當(dāng)金屬與半導(dǎo)體間加不太高的負(fù)電壓時(shí)，半導(dǎo)體表面內(nèi)形（多子耗盡當(dāng)負(fù)電壓進(jìn)一步增大時(shí)，表面層內(nèi)形成有（少子反型p型半導(dǎo)體表面反型時(shí)的能帶p型半導(dǎo)體表面反型時(shí)的能帶強(qiáng)反弱反表面處少子濃度超過了體內(nèi)多子濃強(qiáng)反型條件：Vs=2VB, 此時(shí)VG=VT (開啟電壓表面空間電荷表面層中電場(chǎng)強(qiáng)度Es、電求解泊松方高斯定電荷密表面空間電荷表面層中電場(chǎng)強(qiáng)度Es、電求解泊松方高斯定電荷密度Qs隨表面勢(shì)Vs而Q s（1）Vs0，耗盡， Qs正比于（4）反型弱反Qs正比于強(qiáng)反指數(shù)增p型硅中，|Q |與表面勢(shì)V的關(guān)Ss室溫下41015A強(qiáng)反型開始后表面電場(chǎng)及

8、表面電荷都隨VS指數(shù)增（強(qiáng)反型強(qiáng)反型開始后表面電場(chǎng)及表面電荷都隨VS指數(shù)增（強(qiáng)反型狀態(tài)（VS2VB）反型層中隨VS指數(shù)增長(zhǎng)的電子濃度完的外電場(chǎng) 的作了其后繼續(xù)增表面耗盡層的厚度將達(dá)到一個(gè)最大值xdm（微米亞微米級(jí)不再隨外電場(chǎng)增長(zhǎng)而加反型層要薄得多 MOSFET工作的基 表面出現(xiàn)的高電導(dǎo)關(guān)于xdm耗盡層寬度極大 4rs0k0Tln(NA關(guān)于xdm耗盡層寬度極大 4rs0k0Tln(NA)1/xqniA由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和摻雜濃度來確定對(duì)一定的材料，摻雜濃度越大，耗盡層寬度極大值越對(duì)于一定的襯底雜質(zhì)濃度，對(duì)于禁帶越寬的材料，耗盡層寬度極大值越大 CCD工作的基 (4)深耗盡狀表面電場(chǎng)幅 CCD工作

9、的基 (4)深耗盡狀表面電場(chǎng)幅度較大， 變化快（如脈沖階躍正電壓少子產(chǎn)生速率跟不上電壓變化來不及產(chǎn)生，無反型為維持電中性，耗盡層向半導(dǎo)體內(nèi)延（深耗盡狀態(tài)此時(shí)，耗盡層寬度遠(yuǎn)大于MOS柵極施加脈沖電壓時(shí)，能帶和相應(yīng)的MOS柵極施加脈沖電壓時(shí)，能帶和相應(yīng)的勢(shì)阱變：深耗盡狀態(tài)如何向平衡反型狀態(tài)的過渡3.MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（知識(shí)擴(kuò)展N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體3.MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（知識(shí)擴(kuò)展N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意SD：n+-p-n+結(jié)，G=0時(shí)，加電壓DS時(shí)總有一個(gè)pn結(jié)反偏，電流很溝道寬調(diào)制半導(dǎo)體導(dǎo)電能柵極電場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)反型后形成n溝（施加DS有電子從源流向漏，形成漏電流n溝MOSFET的襯底為p型，源

10、漏區(qū)為重?fù)诫s的n+道中的載流子為電子pn溝MOSFET的襯底為p型，源漏區(qū)為重?fù)诫s的n+道中的載流子為電子p溝MOSFET的襯底為n型，源漏區(qū)為重?fù)诫s的p+區(qū)，溝稱為N溝增強(qiáng)型，同理有p溝增強(qiáng)型，均為常閉型，的，稱為耗盡型總之，根據(jù)溝道類型和工作模式，MOSFETP溝耗盡型、P溝，的，稱為耗盡型總之，根據(jù)溝道類型和工作模式，MOSFETP溝耗盡型、P溝增強(qiáng)型、N溝耗盡型、P溝增強(qiáng)型MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性（C-(研究表面和界面的重)1.理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特V0VV0GV0C0MIS結(jié)構(gòu)電MIS結(jié)MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性（C-(研究表面和界面的重)1.理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特V0VV0GV0

11、C0MIS結(jié)構(gòu)電MIS結(jié)構(gòu)的等效電1C 絕緣層電容和 令C CCs0ss仍以p型半導(dǎo)體為例MIS結(jié)構(gòu)的C-V特MIS結(jié)仍以p型半導(dǎo)體為例MIS結(jié)構(gòu)的C-V特MIS結(jié)構(gòu)C-V曲線（p型半導(dǎo)體（1）VG0，多子堆絕對(duì)值較大時(shí)，CC0，（1）VG0，耗盡至反VG增加，首先為耗盡，x d增大，Cs減小減小，CD低頻時(shí)絕緣層兩邊聚(堆)VsVB弱反型： x d增大，但隨反型電子增多，總體上C增加，DEVs2VB強(qiáng)反型：x d m不變，大量電荷堆積，如同導(dǎo)通，EF高頻時(shí)：反型層中電子數(shù)量不能隨高頻信號(hào)而變，對(duì)電容無貢獻(xiàn)，還是由耗層的電荷變化決定（強(qiáng)反型達(dá)到xdm不隨VG變化，電容保持最小值），GH思考1.

12、 不同頻率下MIS的C-V特思考1. 不同頻率下MIS的C-V特性（p型思考2. C-V特性與能帶圖的對(duì)應(yīng)思考2. C-V特性與能帶圖的對(duì)應(yīng)理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V曲線（以p型為例思考3. n型半導(dǎo)體時(shí)的MIS結(jié)構(gòu)C-思考3. n型半導(dǎo)體時(shí)的MIS結(jié)構(gòu)C-V特性n型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)的C-V特思考4.非理對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響思考4.非理對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響理想MIS結(jié)絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面金 屬（M）半導(dǎo)體a）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（Al/SiO2/p-p型硅的功函數(shù)金屬a）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（Al/SiO2/p-p型

13、硅的功函數(shù)金屬電子從金屬流向半導(dǎo)產(chǎn)生指向半導(dǎo)體電平帶情達(dá)到平衡，費(fèi)米能級(jí)相金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)對(duì)MIS結(jié)構(gòu)中電勢(shì)分布的影W( Vm)qC-V特性平Vq功函數(shù)對(duì)C-V特性平Vq功函數(shù)對(duì)C-V特性曲線的影金屬鋁半導(dǎo)體硅間加一定的負(fù)電壓（平帶電壓）,抵消函數(shù)不同產(chǎn)生的電場(chǎng)和能帶彎曲b）絕緣層中電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影同理，當(dāng)結(jié)構(gòu)的絕緣層中存在電荷時(shí)，同樣可引起CVb）絕緣層中電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影同理，當(dāng)結(jié)構(gòu)的絕緣層中存在電荷時(shí)，同樣可引起CV曲線沿電壓軸平移V薄層電荷感金屬表面、半導(dǎo)表面層符號(hào)相反電平帶情半導(dǎo)體空間電荷層產(chǎn)生電絕緣層中薄層電荷(正)的影硅二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)（了解存在的電荷或能量硅二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)（了解存在的電荷或能量狀二氧化硅層中的可動(dòng)離H+）,一定溫度偏壓下遷移，穩(wěn)定性影響最二氧化硅層中的固定電（位于Si-SiO2界面附近20nm附近界面（位于禁帶中，與半導(dǎo)體交換電荷電離陷阱電（各種輻射引起硅二氧化硅系統(tǒng)中的電荷和表面電導(dǎo)（了解表面層載流子數(shù)量：p, 與表表面電導(dǎo)（了解表面層載流