《半導體表面》教學課件

《半導體表面》幻燈片本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！《半導體表面》幻燈片本課件PPT僅供大家學習使用1、清潔Si表面的獲得在10-8～10-9Pa的超高真空狀況下機械解理獲得SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi§1表面態(tài)1、清潔Si表面的獲得在10-8～10-9Pa的超高《半導體表面》教學課件Inthisimageofasiliconsurface,capturedusingascanningtunnelingmicroscope,patternsarevisibleattheatomicscale.Brightspotsareindividualatoms.Inthisimageofasiliconsur實際表面(Si-SiO2)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiOO實際表面(Si-SiO2)SiSiSiSiSiSiSiSi2、表面能級、表面態(tài)、表面態(tài)密度（1）表面能級（達姆能級）ECEVx02、表面能級、表面態(tài)、表面態(tài)密度（1）表面能級（達姆能《半導體表面》教學課件（2）表面態(tài)0V0V(x)ax聚集電子特性表面態(tài)密度=懸掛鍵密度E（2）表面態(tài)0V0V(x)ax聚集電子特性表面態(tài)密度=懸掛鍵（3）施主表面態(tài)、受主表面態(tài)表面態(tài)--表面引起的附加電子狀態(tài)(表面周期勢場的中斷,表面雜質(zhì),表面缺陷)①施主表面態(tài)懸掛鍵上有電子—中性施放電子后呈正電性②受主表面態(tài)懸掛鍵上無電子—中性得到電子后呈負電性受主施主（3）施主表面態(tài)、受主表面態(tài)受主施主§2表面電場效應1、空間電荷區(qū)和表面勢采用MOS結(jié)構來研究表面電場效應

理想情況金屬半導體功函數(shù)差為零絕緣層不導電無電荷界面上無界面態(tài)

p-SiSiO2AlVG§2表面電場效應1、空間電荷區(qū)和表面勢p-SiSiO2Al以p型Si為例，討論表面電場效應①VG=0平帶狀態(tài)Ec(EF)sEvE0WsWm(EF)m以p型Si為例，討論表面電場效應Ec(EF)sEvE0WsW②VG<0EcEv(EF)sqVGWmEi多數(shù)載流子堆積狀態(tài)②VG<0EcEv(EF)sqVGWmEi多數(shù)載流子堆積VG>0EcEv(EF)sWmEi多子耗盡VG>0EcEv(EF)sWmEi多子耗盡VG>0，并進一步增大EcEv(EF)sWmEi反型層VG>0，并進一步增大EcEv(EF)sWmEi反型層《半導體表面》教學課件2、表面電荷區(qū)的電場、電荷和電容與Vs的關系假設：①半導體表面為一平面，且表面線度遠大于空間電荷層厚度。②半導體厚度比空間電荷層厚度大得多。③半導體均勻摻雜，表面空間電荷層中電離雜質(zhì)濃度相等。④表面層均勻，電荷密度、電場、電勢層表面方向不變。⑤表面空間電荷層中的載流子為非簡并。p-SiVG0x2、表面電荷區(qū)的電場、電荷和電容與Vs的關系p-SiVG0x由一維泊松方程建立電荷密度和電勢的關系利用E=-dV/dx，方程兩邊同乘dV,積分得到:由一維泊松方程建立電荷密度和電勢的關系利用E=-dV/dxV=Vs，得Es表面處電場強度Vs：表面勢半導體表面和內(nèi)部之間的電勢差V=Vs，得EsVs：表面勢由高斯定理,則表面電荷面密度:VG<0,VS<0,Qs>0VG>0,VS>0,Qs<0表面電容?F/m2p-Si-VG

+由高斯定理,則表面電荷面密度:F/m2p-Si-VG

+《半導體表面》教學課件應用以上公式討論具體情況a)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)p型Si，VG<0p-Si-VG

+Vs

<0V<0對于足夠大的|V|、|Vs|exp(-qV/k0T)》exp(qV/k0T)p型半導體np0<pp0F函數(shù)中起主要作用的是exp(-qV/k0T)

其他項可以略去。p242應用以上公式討論具體情況a)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)p-Si-VG《半導體表面》教學課件b）平帶狀態(tài)VG=0p-SiVGVs

=0V(x)=0F函數(shù)為0Es=0，Qs=0，b）平帶狀態(tài)p-SiVGVs=0V(x)=0F函數(shù)為0Ec）耗盡狀態(tài)VG>0p-SiVGVs

>0V(x)>0c）耗盡狀態(tài)p-SiVGVs>0V(x)>0EcEv(EF)sWmEixddEcEv(EF)sWmEixddd)反型狀態(tài)(VG>>0)ⅰ臨界反型ⅱ弱反型ⅲ強反型表面處少子的濃度=體內(nèi)多數(shù)載流子的濃度表面處少子的濃度少于體內(nèi)多數(shù)載流子的濃度表面處少子的濃度多于體內(nèi)多數(shù)載流子的濃度d)反型狀態(tài)(VG>>0)表面處少子的濃度=體內(nèi)多數(shù)載流子的臨界反型條件:EcEv(EF)sWmEiqVBqVB臨界反型條件:EcEv(EF)sWmEiqVBqVBp-SinnVG場氧化層柵氧化層開啟電壓摻雜濃度、氧化層厚度有關。p-SinnVG場氧化層柵氧化層開啟電壓《半導體表面》教學課件《半導體表面》教學課件《半導體表面》教學課件§3MOS結(jié)構的電容-電壓特性(C-V特性)VG分為兩部分：絕緣區(qū)V0、表面勢Vsp-SiVGSiO2厚度為d0，其中的電場均勻E0

C0加一小交變信號§3MOS結(jié)構的電容-電壓特性(C-V特性)VG分為兩部分★電荷隨電壓的改變就表現(xiàn)為電容特性★電容器串聯(lián)后，總電容量必小于串聯(lián)組合中任一單獨電容器之電容量?！镫姾呻S電壓的改變就表現(xiàn)為電容特性★電容器串聯(lián)后，總電容量必歸一化的電容電壓曲線1、多子堆積狀態(tài)VG<0VGC/C000歸一化的電容電壓曲線1、多子堆積狀態(tài)VG<0VGC/C0002、平帶VG=0VGC/C0002、平帶VG=0VGC/C000平帶

平帶3、多子耗盡C/C000VG3、多子耗盡C/C000VG4、少子反型C/C000VG低頻高頻高頻、低頻為何不同？4、少子反型C/C000VG低頻高頻高頻、低頻為何不同？§4實際MOS結(jié)構C-V特性金屬-半導體之間存在功函數(shù)SiO2存在可動正離子SiO2-Si界面存在固定正電荷SiO2-Si界面態(tài)存在§4實際MOS結(jié)構C-V特性金屬-半導體之間存在功函Si-SiO2界面固定表面電荷可動離子界面態(tài)電離陷阱Si-SiO2界面（1）固定正電荷SioSioSioo④SiSioSioSioSioSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi①②③①硅表面懸掛鍵②過剩硅離子（氧離子空位）③硅、氧斷裂鍵④雜質(zhì)（1）固定正電荷SioSioSioo④SiSioSioSioQfc大小與晶向有關Qfc(111)>Qfc(110)>Qfc(100)退火后，Qfc減小--硅和二氧化硅界面上的過剩硅離子是固定表面電荷產(chǎn)生的主要原因。Qfc大小與晶向有關（2）可動離子—鈉離子、鉀離子、氫化學試劑、玻璃器皿、高溫器材、人體玷污電子純石英材質(zhì)

清潔工藝、鈍化層（磷硅玻璃、氮化硅、氧化鋁）（2）可動離子—鈉離子、鉀離子、氫（3）界面態(tài)電荷①本征界面態(tài)由不飽和懸掛鍵形成的界面態(tài)②非本征界面態(tài)由機械損傷、晶格缺陷、硅氧斷裂鍵、雜質(zhì)等因素形成的界面態(tài)。（3）界面態(tài)電荷③界面態(tài)上載流子的分布電子占據(jù)界面態(tài)分布函數(shù)ⅰ若界面態(tài)具有同一個能量值EsD，界面態(tài)密度Ns，則施主界面態(tài)上的電子數(shù)ⅱ若界面態(tài)能量分布在EsD～EsD，范圍內(nèi)：界面態(tài)上的電子數(shù)目為Nss(E)，則在能量E處，dE能量間隔內(nèi)單位面積界面態(tài)上的電子數(shù)為ⅲ界面態(tài)上的電子數(shù)目③界面態(tài)上載流子的分布④界面態(tài)在禁帶中的分布EcEv界面態(tài)密度受主施主非本征界面態(tài)早期研究進一步研究顯示為U形④界面態(tài)在禁帶中的分布EcEv界面態(tài)密度受主施主非本征界面態(tài)

（1）金屬-半導體功函數(shù)差接觸電勢差Ws>WmVms>0Ws<WmVms<0p型Si-AlWs>WmVms>0Ec(EF)sEvE0WsWm(EF)mEcEv(EF)sWmEi

（1）金屬-半導體功函數(shù)差Ws>WmVms>0Ws<WmV平帶電壓：使半導體能帶恢復平帶狀態(tài)所需加的柵極電壓。平帶電壓：使半導體能帶恢復平帶狀態(tài)所需加的柵極電壓。（2）SiO2中可動正電荷對C-V特性影響p-Si+++++-----第一種以薄層形式分布半導體金屬絕緣層xEρxx（2）SiO2中可動正電荷對C-V特性影響p-Si+++++Qxd00Qxd00第二種可動電荷在SiO2中連續(xù)分布半導體金屬絕緣層金屬絕緣層ρx第二種可動電荷在SiO2中連續(xù)分布半導體金屬絕緣層金屬絕緣B-T實驗1、將陪片制備成MOS結(jié)構電容，測量C-V特性曲線。2、將MOS結(jié)構電容放入恒溫箱，127℃保溫30分鐘后，柵上加10V偏壓測量C-V特性曲線。3、溫度不變，柵壓變?yōu)?10V，在此條件下測量C-V特性曲線。B-T實驗固定表面電荷（薄層分布）界面態(tài)（情況復雜）--圖形位移、變形總的為幾種情況的綜合固定表面電荷（薄層分布）界面態(tài)（情況復雜）--圖形位移、變形氧化層中正電荷引起半導體表面附近電勢變化及能帶彎曲氧化層中正電荷引起半導體表面附近電勢變化氧化層中負電荷引起半導體表面附近電勢變化及能帶彎曲氧化層中負電荷引起半導體表面附近電勢變化n型半導體表面層的三種狀態(tài)n型半導體表面層的三種狀態(tài)《半導體表面》教學課件

在硅-二氧化硅界面處的快界面態(tài)快態(tài)與慢態(tài)施主型界面態(tài)與受主型界面態(tài)在硅-二氧化硅界面處的快界面態(tài)《半導體表面》教學課件§5、表面電導及有效遷移率1、表面電導半導體表面層內(nèi)平行于表面方向的電導；方形表面薄層電導：σ□。表面電導與表面層中載流子濃度、載流子表面層中有效遷移率有關。附加表面電導

Δσ□=q(μpsΔp+μns

Δn)μps、μns分別為空穴和電子的有效遷移率。§5、表面電導及有效遷移率1、表面電導半導體表面層內(nèi)平行于σ□（Vs）=σ□(0)+q(μpsΔp+μnsΔn)

σ□(0)：平帶薄層電導以p型半導體為例分析σ□～Vs半導體表面層中總薄層表面電導σ□（Vs）=σ□(0)+q(μpsΔp+μnsΔn)半導體半導體表面電導也隨環(huán)境變化以n-Ge為例：半導體表面電導也隨環(huán)境變化以n-Ge為例：2、有效遷移率：半導體表面層中載流子的平均遷移率。以電子為例：距半導體表面處x處電子的電導率表面層中所有電子貢獻的表面電導表面層中所有電子貢獻的單位面積電荷Qn電子的有效遷移率通常表面遷移率比體內(nèi)要低很多。2、有效遷移率：以電子為例：距半導體表面處x處電子的電導率表《半導體表面》教學課件§6、表面電場對pn結(jié)特性的研究柵控二極管npVTVGxyn+pVTVG§6、表面電場對pn結(jié)特性的研究柵控二極管npVTVGxy幾種組合形式

VT正負截止導通n+pVTVGVG負多子堆積正多子耗盡少子反型幾種組合形式VT正負截止導通n+pVTVGVG負多子堆積正多《半導體表面》教學課件①VT=0VG=0ECEVEFECEVEFECEVEF+++---qVD①VT=0VG=0ECEVEFECEVEFEC②VT>0VG=0n+pVTVGECEV+++---+++------+++②VT>0VG=0n+pVTVGECEV+++-③VT=0VG>0n+pVTVGn冶金結(jié)場感應結(jié)③VT=0VG>0n+pVTVGn冶金結(jié)場感應結(jié)有表面電場影響的pn結(jié)有表面電場影響的pn結(jié)場感應結(jié)出現(xiàn)后對pn結(jié)的影響1、反向電流變大IgMIgFIgSIRVG耗盡層反型層IgF：耗盡層中有復合產(chǎn)生中心，可以提供電子空穴對，產(chǎn)生反向電流。IgS：Si-SiO2界面態(tài)上電荷產(chǎn)生的電流。場感應結(jié)出現(xiàn)后對pn結(jié)的影響1、反向電流變大IgMIgFIg2、反向擊穿電壓的變化2、反向擊穿電壓的變化《半導體表面》幻燈片本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！《半導體表面》幻燈片本課件PPT僅供大家學習使用1、清潔Si表面的獲得在10-8～10-9Pa的超高真空狀況下機械解理獲得SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi§1表面態(tài)1、清潔Si表面的獲得在10-8～10-9Pa的超高《半導體表面》教學課件Inthisimageofasiliconsurface,capturedusingascanningtunnelingmicroscope,patternsarevisibleattheatomicscale.Brightspotsareindividualatoms.Inthisimageofasiliconsur實際表面(Si-SiO2)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiOO實際表面(Si-SiO2)SiSiSiSiSiSiSiSi2、表面能級、表面態(tài)、表面態(tài)密度（1）表面能級（達姆能級）ECEVx02、表面能級、表面態(tài)、表面態(tài)密度（1）表面能級（達姆能《半導體表面》教學課件（2）表面態(tài)0V0V(x)ax聚集電子特性表面態(tài)密度=懸掛鍵密度E（2）表面態(tài)0V0V(x)ax聚集電子特性表面態(tài)密度=懸掛鍵（3）施主表面態(tài)、受主表面態(tài)表面態(tài)--表面引起的附加電子狀態(tài)(表面周期勢場的中斷,表面雜質(zhì),表面缺陷)①施主表面態(tài)懸掛鍵上有電子—中性施放電子后呈正電性②受主表面態(tài)懸掛鍵上無電子—中性得到電子后呈負電性受主施主（3）施主表面態(tài)、受主表面態(tài)受主施主§2表面電場效應1、空間電荷區(qū)和表面勢采用MOS結(jié)構來研究表面電場效應

理想情況金屬半導體功函數(shù)差為零絕緣層不導電無電荷界面上無界面態(tài)

p-SiSiO2AlVG§2表面電場效應1、空間電荷區(qū)和表面勢p-SiSiO2Al以p型Si為例，討論表面電場效應①VG=0平帶狀態(tài)Ec(EF)sEvE0WsWm(EF)m以p型Si為例，討論表面電場效應Ec(EF)sEvE0WsW②VG<0EcEv(EF)sqVGWmEi多數(shù)載流子堆積狀態(tài)②VG<0EcEv(EF)sqVGWmEi多數(shù)載流子堆積VG>0EcEv(EF)sWmEi多子耗盡VG>0EcEv(EF)sWmEi多子耗盡VG>0，并進一步增大EcEv(EF)sWmEi反型層VG>0，并進一步增大EcEv(EF)sWmEi反型層《半導體表面》教學課件2、表面電荷區(qū)的電場、電荷和電容與Vs的關系假設：①半導體表面為一平面，且表面線度遠大于空間電荷層厚度。②半導體厚度比空間電荷層厚度大得多。③半導體均勻摻雜，表面空間電荷層中電離雜質(zhì)濃度相等。④表面層均勻，電荷密度、電場、電勢層表面方向不變。⑤表面空間電荷層中的載流子為非簡并。p-SiVG0x2、表面電荷區(qū)的電場、電荷和電容與Vs的關系p-SiVG0x由一維泊松方程建立電荷密度和電勢的關系利用E=-dV/dx，方程兩邊同乘dV,積分得到:由一維泊松方程建立電荷密度和電勢的關系利用E=-dV/dxV=Vs，得Es表面處電場強度Vs：表面勢半導體表面和內(nèi)部之間的電勢差V=Vs，得EsVs：表面勢由高斯定理,則表面電荷面密度:VG<0,VS<0,Qs>0VG>0,VS>0,Qs<0表面電容?F/m2p-Si-VG

+由高斯定理,則表面電荷面密度:F/m2p-Si-VG

+《半導體表面》教學課件應用以上公式討論具體情況a)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)p型Si，VG<0p-Si-VG

+Vs

<0V<0對于足夠大的|V|、|Vs|exp(-qV/k0T)》exp(qV/k0T)p型半導體np0<pp0F函數(shù)中起主要作用的是exp(-qV/k0T)

其他項可以略去。p242應用以上公式討論具體情況a)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)p-Si-VG《半導體表面》教學課件b）平帶狀態(tài)VG=0p-SiVGVs

=0V(x)=0F函數(shù)為0Es=0，Qs=0，b）平帶狀態(tài)p-SiVGVs=0V(x)=0F函數(shù)為0Ec）耗盡狀態(tài)VG>0p-SiVGVs

>0V(x)>0c）耗盡狀態(tài)p-SiVGVs>0V(x)>0EcEv(EF)sWmEixddEcEv(EF)sWmEixddd)反型狀態(tài)(VG>>0)ⅰ臨界反型ⅱ弱反型ⅲ強反型表面處少子的濃度=體內(nèi)多數(shù)載流子的濃度表面處少子的濃度少于體內(nèi)多數(shù)載流子的濃度表面處少子的濃度多于體內(nèi)多數(shù)載流子的濃度d)反型狀態(tài)(VG>>0)表面處少子的濃度=體內(nèi)多數(shù)載流子的臨界反型條件:EcEv(EF)sWmEiqVBqVB臨界反型條件:EcEv(EF)sWmEiqVBqVBp-SinnVG場氧化層柵氧化層開啟電壓摻雜濃度、氧化層厚度有關。p-SinnVG場氧化層柵氧化層開啟電壓《半導體表面》教學課件《半導體表面》教學課件《半導體表面》教學課件§3MOS結(jié)構的電容-電壓特性(C-V特性)VG分為兩部分：絕緣區(qū)V0、表面勢Vsp-SiVGSiO2厚度為d0，其中的電場均勻E0

C0加一小交變信號§3MOS結(jié)構的電容-電壓特性(C-V特性)VG分為兩部分★電荷隨電壓的改變就表現(xiàn)為電容特性★電容器串聯(lián)后，總電容量必小于串聯(lián)組合中任一單獨電容器之電容量。★電荷隨電壓的改變就表現(xiàn)為電容特性★電容器串聯(lián)后，總電容量必歸一化的電容電壓曲線1、多子堆積狀態(tài)VG<0VGC/C000歸一化的電容電壓曲線1、多子堆積狀態(tài)VG<0VGC/C0002、平帶VG=0VGC/C0002、平帶VG=0VGC/C000平帶

平帶3、多子耗盡C/C000VG3、多子耗盡C/C000VG4、少子反型C/C000VG低頻高頻高頻、低頻為何不同？4、少子反型C/C000VG低頻高頻高頻、低頻為何不同？§4實際MOS結(jié)構C-V特性金屬-半導體之間存在功函數(shù)SiO2存在可動正離子SiO2-Si界面存在固定正電荷SiO2-Si界面態(tài)存在§4實際MOS結(jié)構C-V特性金屬-半導體之間存在功函Si-SiO2界面固定表面電荷可動離子界面態(tài)電離陷阱Si-SiO2界面（1）固定正電荷SioSioSioo④SiSioSioSioSioSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi①②③①硅表面懸掛鍵②過剩硅離子（氧離子空位）③硅、氧斷裂鍵④雜質(zhì)（1）固定正電荷SioSioSioo④SiSioSioSioQfc大小與晶向有關Qfc(111)>Qfc(110)>Qfc(100)退火后，Qfc減小--硅和二氧化硅界面上的過剩硅離子是固定表面電荷產(chǎn)生的主要原因。Qfc大小與晶向有關（2）可動離子—鈉離子、鉀離子、氫化學試劑、玻璃器皿、高溫器材、人體玷污電子純石英材質(zhì)

清潔工藝、鈍化層（磷硅玻璃、氮化硅、氧化鋁）（2）可動離子—鈉離子、鉀離子、氫（3）界面態(tài)電荷①本征界面態(tài)由不飽和懸掛鍵形成的界面態(tài)②非本征界面態(tài)由機械損傷、晶格缺陷、硅氧斷裂鍵、雜質(zhì)等因素形成的界面態(tài)。（3）界面態(tài)電荷③界面態(tài)上載流子的分布電子占據(jù)界面態(tài)分布函數(shù)ⅰ若界面態(tài)具有同一個能量值EsD，界面態(tài)密度Ns，則施主界面態(tài)上的電子數(shù)ⅱ若界面態(tài)能量分布在EsD～EsD，范圍內(nèi)：界面態(tài)上的電子數(shù)目為Nss(E)，則在能量E處，dE能量間隔內(nèi)單位面積界面態(tài)上的電子數(shù)為ⅲ界面態(tài)上的電子數(shù)目③界面態(tài)上載流子的分布④界面態(tài)在禁帶中的分布EcEv界面態(tài)密度受主施主非本征界面態(tài)早期研究進一步研究顯示為U形④界面態(tài)在禁帶中的分布EcEv界面態(tài)密度受主施主非本征界面態(tài)

（1）金屬-半導體功函數(shù)差接觸電勢差Ws>WmVms>0Ws<WmVms<0p型Si-AlWs>WmVms>0Ec(EF)sEvE0WsWm(EF)mEcEv(EF)sWmEi

（1）金屬-半導體功函數(shù)差Ws>WmVms>0Ws<WmV平帶電壓：使半導體能帶恢復平帶狀態(tài)所需加的柵極電壓。平帶電壓：使半導體能帶恢復平帶狀態(tài)所需加的柵極電壓。（2）SiO2中可動正電荷對C-V特性影響p-Si+++++-----第一種以薄層形式分布半導體金屬絕緣層xEρxx（2）SiO2中可動正電荷對C-V特性影響p-Si+++++Qxd00Qxd00第二種可動電荷在SiO2中連續(xù)分布半導體金屬絕緣層金屬絕緣層ρx第二種可動電荷在SiO2中連續(xù)分布半導體金屬絕緣層金屬絕緣B-T實驗1、將陪片制備成MOS結(jié)構電容，測量C-V特性曲線。2、將MOS結(jié)構電容放入恒溫箱，127℃保溫30分鐘后，柵上加10V偏壓測量C-V特性曲線。3、溫度不變，柵壓變?yōu)?10V，在此條件下測量C-V特性曲線。B-T實驗固定表面電荷（薄層分布）界面態(tài)（情況復雜）--圖形位移、變形總的為幾種情況的綜合固定表面電荷（薄層分布）界面態(tài)（情況復雜）--圖形位移、變形氧化層中正電荷引起半導體表面附近電勢變化及能帶彎曲氧化層中正電荷引起半導體表面附近電勢變化氧化層中負電荷引起半導體表面附近電勢變化及能帶彎曲氧化層中負電荷引起半導體表面附近電勢變化n型半導體表面層的三種狀態(tài)n型半導體表面層的三種狀態(tài)《半導體表面》教學課件

在硅-二氧化硅界面處的快界面態(tài)快態(tài)與慢態(tài)施主型界面態(tài)與受主型界面態(tài)在硅-二氧化硅界面處的快界面態(tài)《半導體表面》教學課件