半導體物理講義

半導體物理講義半導體物理講義半導體物理講義8.1表面態(tài)8.2表面電場效應(yīng)8.3MIS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表面電導與遷移率8.6表面電場對pn結(jié)特性的影響通過閱讀報刊，我們能增長見識，擴大自己的知識面。半導體物理講義半導體物理講義半導體物理講義8.1表面態(tài)通18.1表面態(tài)8.2表面電場效應(yīng)8.3MIS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表面電導與遷移率8.6表面電場對pn結(jié)特性的影響8.1表面態(tài)2表面電場效應(yīng)理想與非理想的MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)表面電導本章重點表面電場效應(yīng)本章重點38.1表面態(tài)一、概念(一)理想表面情形與實際表面情形1.理想表面情形指表面層中原子排列的對稱性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無限晶體表面。這種理想表面實際上是不存在的。2.實際表面情形在近表面幾個原子厚度的表面層中，離子實所受的勢場作用不同于晶體內(nèi)部，使得晶體所固有的三維平移對稱性在表面層中受到破壞。同時，實際晶體表面往往存在著晶體缺陷、微氧化膜，或附著其它分子和原子。使表面情況復雜化。8.1表面態(tài)一、概念(一)理想表面情形與實際表面情形4晶體自由表面的存在使其周期場在表面處發(fā)生中斷后，在禁帶中產(chǎn)生的附加能級。(二)達姆表面能級(三)表面態(tài)1.理想表面情形下的表面態(tài)先討論一維情況。下圖表示一個理想一維晶體的勢能函數(shù)：x=0處相當于晶體表面；x≥0區(qū)為晶體內(nèi)部，勢場隨x周期地變化，周期為a(半無限周期勢場)；x≤0區(qū)相當于晶體以外區(qū)域，勢能為一個常數(shù)V0。(1)從勢能函數(shù)方面說明晶體自由表面的存在使其周期場在表面處發(fā)生中斷5半導體物理講義6在x=0處兩邊，電子的波函數(shù)都是按指數(shù)關(guān)系衰減，表明電子的分布概率主要集中在該處即電子被局限在表面附近，把這種電子狀態(tài)稱為表面態(tài)，對應(yīng)的能級稱為表面能級。在一定條件下，每個表面原子在禁帶中對應(yīng)一個表面能級。推廣到三維情形，在三維晶體中，仍是每個表面原子對應(yīng)禁帶中的一個表面能級，這些表面能級組成表面能帶。在x=0處兩邊，電子的波函數(shù)都是按指數(shù)關(guān)系衰7(2)從化學鍵方面說明(以Si晶體為例)晶格的表面處突然終止，在表面最外層的每個Si原子將有一個未配對的電子，即有一個未飽和的鍵，稱為懸掛鍵，與之對應(yīng)的電子能態(tài)就是表面態(tài)。如下圖所示。(2)從化學鍵方面說明(以Si晶體為例)晶82.實際表面情形下的表面態(tài)即由于表面存在晶體缺陷、微氧化膜，或附著其它分子和原子等原因引起的表面態(tài)，其數(shù)值與表面經(jīng)過的處理方法有關(guān)。而達姆表面態(tài)對給定的晶體在潔凈表面時為一定值。2.實際表面情形下的表面態(tài)即由于表面存在9二、表面態(tài)種類分為兩種：若能級被電子占據(jù)時呈電中性，施放電子后呈正電性，稱為施主型表面態(tài)；若能級空著時呈電中性，接受電子后呈負電性，稱為受主型表面態(tài)；二、表面態(tài)種類分為兩種：108.2表面電場效應(yīng)采用MIS結(jié)構(gòu)來研究表面電場效應(yīng)：由中間以絕緣層隔開的金屬板和半導體襯底組成。該結(jié)構(gòu)實際上是一個電容。8.2表面電場效應(yīng)采用MIS結(jié)構(gòu)來研究表面11一、理想MIS結(jié)構(gòu)滿足以下條件的結(jié)構(gòu)：金屬與半導體間的功函數(shù)差為零；在絕緣層內(nèi)沒有任何電荷，且絕緣層完全不導電；絕緣體與半導體界面處不存在任何界面態(tài)。一、理想MIS結(jié)構(gòu)滿足以下條件的結(jié)構(gòu)：12二、空間電荷層與表面勢在金屬與半導體之間加電壓后，在金屬與半導體相對的兩個面上被充電，兩者所帶電荷符號相反，電荷分布情況不同：在金屬中，自由電子密度很高，電荷基本上分布在一個原子層的厚度范圍之內(nèi)；在半導體中，由于自由載流子密度非常低，電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)，這個帶電的表面層稱做空間電荷區(qū)；在空間電荷區(qū)內(nèi)，從表面到內(nèi)部，電場逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，場強減小到零。(一)空間電荷層二、空間電荷層與表面勢在金屬與半導體之間13空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢隨距離逐漸變化，使半導體表面相對體內(nèi)產(chǎn)生電勢差，能帶也發(fā)生彎曲。稱空間電荷層兩端的電勢差為表面勢(Vs)。表面電勢比內(nèi)部高時，Vs取正值；反之Vs取負值。(二)表面勢空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢隨距離逐漸變化，使半導體表14基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況(以p型半導體為例)：(三)表面勢與空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導體間所加的電壓VG的變化基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況(以p151.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)金屬與半導體間加負電壓(金屬接負)時，表面勢為負值，表面處能帶向上彎曲；在熱平衡情況下，半導體內(nèi)費米能級應(yīng)保持定值，故隨著向表面接近，價帶頂將逐漸移近、甚至高過費米能級，同時價帶中空穴濃度也將隨之增加，導致表面層內(nèi)出現(xiàn)空穴的堆積而帶正電荷；越接近表面，空穴濃度越高，表明堆積的空穴分布在最靠近表面的薄層內(nèi)。1.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)金屬與半導體間加負電壓(金屬接負)時16半導體物理講義172.多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)當金屬與半導體間加正電壓(金屬接正)時，表面勢Vs為正值，表面處能帶向下彎曲；越接近表面，費米能級離價帶頂越遠，價帶中空穴濃度隨之降低，在靠近表面的一定區(qū)域內(nèi)，價帶頂位置比費米能級低得多；根據(jù)玻耳茲曼分布，表面處空穴濃度比體內(nèi)空穴濃度低得多，表面層的負電荷基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度。表面層的這種狀態(tài)稱做耗盡。2.多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)當金屬與半導體間加正電壓(金屬接正18半導體物理講義193.少數(shù)載流子反型狀態(tài)當加于金屬和半導體間的正電壓進—步增大時，表面處能帶相對于體內(nèi)將進一步向下彎曲；表面處費米能級位置可能高于禁帶中央能量Ei，即費米能級離導帶底比離價帶頂更近一些。這意味著表面處電子濃度將超過空穴濃度，即形成與原來半導體襯底導電類型相反的一層，叫做反型層；反型層發(fā)生在近表面處，從反型層到半導體內(nèi)部還夾著一層耗盡層。在這種情況下，半導體空間電荷層內(nèi)的負電荷由兩部分組成：耗盡層中已電離的受主負電荷；反型層中的電子，主要堆積在近表面區(qū)。3.少數(shù)載流子反型狀態(tài)當加于金屬和半導體間的正電壓進—步增20半導體物理講義214.n型半導體情形當金屬與半導體間加正電壓時，表面層內(nèi)形成多數(shù)載流子

電子的堆積；當金屬與半導體間加不太高的負電壓時，半導體表面內(nèi)形成耗盡層；當負電壓進一步增大時，表面層內(nèi)形成有少數(shù)載流子堆積的反型層。4.n型半導體情形當金屬與半導體間加正電壓時，表面層內(nèi)形成22三、表面空間電荷層的電場、電勢和電容可通過解泊松方程定量地求出表面層中電場強度和電勢的分布：取x軸垂直于表面指向半導體內(nèi)部，表面處為x軸原點。以一維情況為例來處理。泊松方程總空間電荷密度半導體相對介電常數(shù)(一)表面電場分布三、表面空間電荷層的電場、電勢和電容可通過23半導體物理講義24半導體物理講義25標志半導體空間電荷層性質(zhì)的重要參數(shù)標志半導體空間電荷層性質(zhì)的重要參數(shù)26(二)表面電荷分布(三)表面電容(二)表面電荷分布(三)表面電容27(四)根據(jù)表面電場、電荷、電容公式定量分析各種表面層狀態(tài)1.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)表面電荷隨表面勢絕對值的增大按指數(shù)增長，即能帶在表面處向上彎曲的越厲害時，表面層的空穴濃度急劇地增長(四)根據(jù)表面電場、電荷、電容公式定量分析各種表面層狀態(tài)128電荷在負值方向急劇地增加電荷在負值方向急劇地增加292.平帶狀態(tài)，表面處能帶不發(fā)生彎曲，稱為平帶狀態(tài)。MOS結(jié)構(gòu)的平帶電容(p型半導體)2.平帶狀態(tài)303.耗盡狀態(tài)3.耗盡狀態(tài)31對于耗盡狀態(tài)，也可用“耗盡層近似”來處理：相當于距離為xd的平板電容器的單位面積電容對于耗盡狀態(tài)，也可用“耗盡層近似”來處理：324.反型狀態(tài)隨外加電壓增大，表面處禁帶中央能值Ei下降到EF以下時，就出現(xiàn)反型層?？煞譃槿醴葱秃蛷姺葱蛢煞N情況。以表面處少子濃度ns是否超過體內(nèi)多子濃度pp0為標志：根據(jù)玻耳茲曼方程統(tǒng)計得：(1)反型條件

4.反型狀態(tài)隨外加電壓增大，表面處禁帶中央33半導體物理講義34雜質(zhì)濃度越高，Vs越大，越不易達到反型、強反型雜質(zhì)濃度越高，Vs越大，越不易達到反型、強反型35(2)開啟電壓VT

使半導體表面達到強反型時加在金屬電極上的柵電壓。即對應(yīng)于Vs=2VB時的柵電壓：(2)開啟電壓VT使半導體表面達到強反36(3)反型狀態(tài)時的電場、電荷、電容和耗盡層寬度

臨界強反型時：強反型時：(3)反型狀態(tài)時的電場、電荷、電容和耗盡層寬度臨界強反37半導體物理講義38強反型后，表面耗盡層寬度達到極大值xdm，不再隨外加電壓增加而增大(因為反型層中積累的電子屏蔽了外加電場的作用)。該極大值由半導體材料的性質(zhì)和摻雜濃度確定：對一定的材料，摻雜濃度越大，xdm越?。粨诫s濃度一定，對于禁帶寬度大的材料，ni越大，xdm越大。強反型后，表面耗盡層寬度達到極大值xdm，不395.深耗盡狀態(tài)前面的各種狀態(tài)都是空間電荷層的平衡狀態(tài)，即假設(shè)金屬與半導體間所加的電壓VG不變，或者變化速率很慢以至表面空間電荷層中載流子濃度能跟上偏壓VG變化的狀態(tài)。深耗盡的非平衡狀態(tài)以p型半導體為例，如在金屬與半導體間加一脈沖階躍或高頻正弦波形成的正電壓：由于空間電荷層內(nèi)的少數(shù)載流子的產(chǎn)生速率趕不上電壓的變化，反型層來不與建立，只有靠耗盡層延伸向半導體內(nèi)深處而產(chǎn)生大量受主負電荷以滿足電中性條件；此時的耗盡層寬度很大，可遠大于強反型的最大耗盡層寬度，且其寬度隨電壓VG幅度的增大而增大，這種狀態(tài)稱為深耗盡狀態(tài)；5.深耗盡狀態(tài)前面的各種狀態(tài)都是空間電荷層40該狀態(tài)是在實際中經(jīng)常遇到的一種較重要的狀態(tài)。例如，用電容-時間法測量襯底中少數(shù)載流子壽命，用非平衡電容-電壓法測量雜質(zhì)濃度分布剖面時，半導體表面就處于這種狀態(tài)；該狀態(tài)下“耗盡層近似”仍適用，故耗盡狀態(tài)下的公式仍適用：該狀態(tài)是在實際中經(jīng)常遇到的一種較重要的狀態(tài)。例41(2)從深耗盡狀態(tài)向平衡反型狀態(tài)的過渡過程

以p型襯底為例，設(shè)在金屬與半導體間加一大的陡變階躍正電壓：開始，表面層處于深耗盡狀態(tài)；由于深耗盡下耗盡層中少數(shù)載流子濃度近似為零，遠低于其平衡濃度，故產(chǎn)生率大于復合率，耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對在層內(nèi)電場作用下，電子向表面運動而形成反型層，空穴向體內(nèi)運動，到達耗盡層邊緣與帶負電荷的電離受主中和而使耗盡層減??；因此，隨著時間的推移，反型層中少數(shù)載流子的積累逐漸增加，而耗盡層寬度則逐漸減小，最后過渡到平衡的反型狀態(tài)；在這—過程中：(2)從深耗盡狀態(tài)向平衡反型狀態(tài)的過渡過程42耗盡層寬度從深耗盡狀態(tài)開始時的最大值逐漸減小到強反型的最大耗盡層寬度xdm；從初始的深耗盡狀態(tài)過渡到熱平衡反型層狀態(tài)所經(jīng)歷的時間用熱弛豫時間τth表示：一般情況下，該馳豫時間為1～102s，因此，反型層的建立不是很快的過程。耗盡層寬度從深耗盡狀態(tài)開始時的最大值逐漸減小到強反型的最大耗438.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性一、p型半導體理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)特性外加電壓VG后，其中的一部分降在絕緣層上V0，另一部分降在半導體表面層，形成表面勢Vs：金屬表面的面電荷密度絕緣層厚度MIS結(jié)構(gòu)電容8.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性一、p型半導體理想MIS44因此，MIS結(jié)構(gòu)電容相當于絕緣層電容和半導體空間電荷層電容的串聯(lián)，如下圖所示：因此，MIS結(jié)構(gòu)電容相當于絕緣層電容和半導體45(一)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)(VG<0)當|VG|較大時，C=C0，半導體從內(nèi)部到表面可視為是導通的，電荷聚集在絕緣層兩邊(AB段)；當|VG|較小時，C/C0<1，隨|Vs|減小而減小(BC段)；(一)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)(VG<0)當|VG|較大時，C46半導體物理講義47(二)平帶狀態(tài)(VG=0，Vs=0)絕緣層厚度一定時，NA越大，CFB/C0越大，原因是表面空間電荷層隨NA增大而減??；絕緣層厚度越大，C0越小，CFB/C0越大。(二)平帶狀態(tài)(VG=0，Vs=0)絕緣層厚度一定時，NA48(三)耗盡狀態(tài)(VG>0)(三)耗盡狀態(tài)(VG>0)49該式表明，VG增大時，C/C0減小，原因是耗盡狀態(tài)下，表面空間電荷厚度xd隨VG增大而增大，xd越大，則Cs越小，C/C0越小(CD段)；該式表明，VG增大時，C/C0減小，原因是耗盡狀態(tài)50(四)強反型狀態(tài)(VG>0)1.低頻情況強反型出現(xiàn)后，大量電子聚集在半導體表面處，絕緣層兩邊堆積著電荷，如同只有絕緣層電容C0一樣(EF段)；(四)強反型狀態(tài)(VG>0)1.低頻情況強反型512.高頻情況少子電子的產(chǎn)生-復合跟不上高頻信號的變化，即反型層中電子的數(shù)量不隨高頻信號而變，對MIS電容沒有貢獻；耗盡層寬度達到最大值xdm，不隨偏壓VG變化，耗盡區(qū)貢獻的電容達到最小值且保持不變，C/C0將保持在最小值Cmin'/C0且不隨VG而變化(GH段)。2.高頻情況少子電子的產(chǎn)生-復合52上式表明，對同一種半導體材料，當溫度一定時，Cmin'/C0為絕緣層厚度d0與襯底摻雜濃度NA的函數(shù)。當d0也一定時，NA越大，Cmin'/C0越大；利用該理論可以測定半導體表面的雜質(zhì)濃度。半導體材料和絕緣層材料一定時，C-V特性隨絕緣層厚度d0與襯底摻雜濃度NA變化；C-V特性與頻率有關(guān)；溫度和光照等因素可增加載流子的復合和產(chǎn)生率，因此，在一定信號頻率下，這些因素可引起C-V特性從高頻型向低頻型過渡，影響其特性?？偨Y(jié)上式表明，對同一種半導體材料，當溫度一定時，Cmin'/C053二、n型半導體理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)特性二、n型半導體理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓(C-V)特性54三、金屬與半導體功函數(shù)對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響p-三、金屬與半導體功函數(shù)對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響p-55p-Si表面層內(nèi)形成帶負電的空間電荷層在金屬表面產(chǎn)生正電荷p-Si表面層內(nèi)形成帶負電的空間電荷層在金屬表面產(chǎn)生正電荷56p-正負電荷在SiO2和Si表面層內(nèi)產(chǎn)生指向半導體內(nèi)部的電場，同時能帶向下彎曲，產(chǎn)生接觸電勢差Ep-正負電荷在SiO2和Si表面層內(nèi)產(chǎn)生指向半導體內(nèi)部的電場57由于金屬、半導體功函數(shù)的不同，雖然外加偏壓為零，但半導體表面層并不處于平帶狀態(tài).為了恢復平帶狀態(tài)，必須在二者間加一定的負電壓，抵消二者功函數(shù)不同引起的電場和能帶彎曲；為了恢復平帶狀態(tài)所需加的電壓叫做平帶電壓：因此，理想MIS結(jié)構(gòu)的平帶點由VG=0處移到VG=VFB處，即由于金屬、半導體功函數(shù)的不因此，理想MIS結(jié)構(gòu)的平帶點由VG58理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線平行于電壓軸平移了一段距離VFB，在此，向左移動了一段距離|VFB|。理想有功函數(shù)差理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線平行于電壓軸平移了一段59四、絕緣層中電荷對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響四、絕緣層中電荷對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響60這些電荷的存在分別在金屬表面和半導體表面層中感應(yīng)出相反符號的電荷，導致半導體空間電荷層內(nèi)產(chǎn)生電場，能帶發(fā)生彎曲。即雖然未加電壓，但由于絕緣層內(nèi)電荷的作用，使半導體表面層離開平帶狀態(tài)。為了恢復平帶狀態(tài)，必須在金屬板上加一定的偏壓。(一)絕緣層中存在一薄層正電荷(假定Wm=Ws)這些電荷的存在分別在金屬表面和半導61半導體物理講義62假設(shè)在絕緣層SiO2(厚度為d0)中距離金屬-SiO2界面x處有一層正電荷：金屬與薄層電荷間電場強度假設(shè)在絕緣層SiO2(厚度為d0)63當絕緣層中的薄層電荷靠近金屬表面(x=0)時，VFB=0，即絕緣層中電荷位于金屬表面時，對C-V特性沒有影響；當絕緣層中的薄層電荷越靠近半導體表面(x=xd，VFB有最大值)：對C-V特性影響越大。當絕緣層中的薄層電荷靠近金屬表面(x=0)時，VFB=0，即64(二)絕緣層中正電荷有一定的體分布ρ(x)即VFB隨絕緣層中電荷分布情況的改變而改變。因此，如果絕緣層中存在某種可動離子，當它們在絕緣層中移動時，其電荷分布將改變，則VFB也隨之改變。(二)絕緣層中正電荷有一定的體分布ρ(x)即VF65(三)功函數(shù)差與絕緣層中電荷兩種因素都存在-Vms(三)功函數(shù)差與絕緣層中電荷兩種因素都存在-Vms668.4硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)一、Si-SiO2系統(tǒng)中四種基本類型的電荷或能量狀態(tài)主要是帶正電的離子：Na+、K+、H+等。在一定溫度和偏壓條件下，可在SiO2層中遷移，對器件的穩(wěn)定性影響最大;(一)SiO2層中的可動離子位于Si-SiO2界面附近20nm的范圍內(nèi)，不能在SiO2中遷移;(二)SiO2層中的固定電荷Si-SiO2界面處位于禁帶中的能級或能帶；在很短的時間內(nèi)與襯底半導體交換電荷，故又稱快界面態(tài)；(三)界面態(tài)8.4硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)一、Si-SiO2系統(tǒng)中四種67由于各種輻射，如x射線、γ射線、電子射線等引起。(四)SiO2層中的電離陷阱電荷可動離子電離陷阱界面態(tài)固定表面電荷由于各種輻射，如x射線、γ射68二、SiO2中的可動離子主要是帶正電的離子：Na+(最主要、對器件穩(wěn)定性影響最大)、K+、H+等。Na+來源：所使用的化學試劑、玻璃器皿、高溫器材、人體沾污等。(一)Na+易于在SiO2中遷移由SiO2的結(jié)構(gòu)和Na+在其中的遷移性質(zhì)決定。1.SiO2的結(jié)構(gòu)近程有序的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)：用熱氧化或化學汽相淀積法在硅表面生長的二氧化硅薄膜呈無定形玻璃狀結(jié)構(gòu)；該網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的基本單元是由硅、氧原子組成的四面體，硅原子居于中心，氧原子位于四個角頂；兩個相鄰的四面二、SiO2中的可動離子主要是帶正電的離子：69半導體物理講義70體通過一個橋鍵的氧原子連接起來構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，如下圖所示；外來雜質(zhì)分兩種類型：替位式雜質(zhì)：常以替位的形式居于四面體的中心，如磷、硼等；間隙式雜質(zhì)：存在于網(wǎng)絡(luò)間隙之中，如鈉、鉀等大離子。它們可使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變形。這種鈉離了存在于四面體之間，易于攝取四面體中的一個橋鍵氧原子，形成一個金屬氧化物，從而將一個橋鍵氧原子轉(zhuǎn)化成一個非橋鍵氧原子，削弱或破壞了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使二氧化硅呈現(xiàn)多孔性，導致雜質(zhì)原子易于在其中遷移或擴散。體通過一個橋鍵的氧原子連接起來構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，如712.Na+在SiO2中的遷移性質(zhì)雜質(zhì)在SiO2中擴散時的擴散系數(shù)為：B、P、Na值分別為:3×10-6cm2/s1.0×10-8cm2/s5.0cm2/s雜質(zhì)激活能因此，Na的擴散系數(shù)遠大于其它雜質(zhì)。擴散系數(shù)與遷移率成正比，故Na+在SiO2中的遷移率也特別大。2.Na+在SiO2中的遷移性質(zhì)雜質(zhì)在Si72(二)Na+的漂移對MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響

MOS結(jié)構(gòu)：Al-SiO2-Si(二)Na+的漂移對MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響73曲線1為原始C-V特性曲線：即初始情況，Na+聚集在Al與SiO2間。對C-V特性沒有影響；曲線2是加正10V偏壓，在127℃下退火30min后測得的C-V特性曲線。此時，Na+移到靠近半導體表面處，對C-V特性影響最大，使曲線向左移動；曲線3是加負10V偏壓，在127℃下退火30min后測得的C-V特性曲線。此時，Na+又移到靠近Al與SiO2交界處，但在SiO2中保留了一些殘余的Na+，因此C-V特性不能完全恢復到原始情形，而只是部分地被恢復；這種實驗一般稱為溫度-偏壓實驗，簡稱B-T實驗；B-T實驗的應(yīng)用：可測量MOS工藝中Na+沾污的程度；可檢查各種降低Na+沾污措施的效果，其方法如下：曲線1為原始C-V特性曲線：即初始情況，Na+聚集在Al與S74求出曲線1、曲線2平帶電壓之差ΔVFB，由下式計算SiO2中單位面積的Na+電荷量：SiO2層單位面積的電容故可得單位面積的Na+數(shù)為：求出曲線1、曲線2平帶電壓之差ΔVFB，由下式計算75三、SiO2中的固定表面電荷電荷面密度(Qfc)是固定的，即電荷不能進行充放電；位于Si-SiO2界面的20nm范圍以內(nèi)；Qfc不明顯地受氧化層厚度或Si中雜質(zhì)類型與濃度的影響；Qfc與氧化和退火條件，Si晶體的取向有顯著的關(guān)系；晶體取向的影響：分別為[111]、[110]、[100]方向的Si表面的Qfc之比為3:2:1；該結(jié)果有助于分析固定表面電荷的起因。目前一致認為，在Si-SiO2界面附近存在過剩硅離子是固定表面正電荷產(chǎn)生的原因。(一)特征三、SiO2中的固定表面電荷電荷面密度(Qfc)是固定的，即76(二)固定表面正電荷對MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響引起半導體表面層能帶向下彎曲，故需加一負偏壓恢復平帶情況。(二)固定表面正電荷對MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響77若氧化層厚度遠大于20nm，可近似地認為這些電荷分布在界面處，故平帶電壓為：考慮功函數(shù)差單位面積固定電荷數(shù)目若氧化層厚度遠大于20nm，可近似地認為這些78四、在Si-SiO2界面處的快界面態(tài)在Si-SiO2界面處位于禁帶中的能級或能帶。稱為快界面態(tài)的原因：在很短的時間內(nèi)與襯底半導體交換電荷；用來區(qū)別由吸附于SiO2外表面的分子、原子等引起的外表面態(tài)(它們位于空氣和氧化物的界面上，與半導體交換電荷時，電子必須穿過絕緣的氧化層，需要較長的時間才能進行電荷交換，故稱其為“慢態(tài)”)。界面態(tài)分為兩種：若能級被電子占據(jù)時呈電中性，施放電子后呈正電性，稱為施主型表面態(tài)；若能級空著時呈電中性，接受電子后呈負電性，稱為受主型表面態(tài)；四、在Si-SiO2界面處的快界面態(tài)在Si-S79(一)界面態(tài)的分布函數(shù)1.電子占據(jù)施主界面態(tài)的分布函數(shù)施主界面態(tài)能值基態(tài)簡并度等于2(一)界面態(tài)的分布函數(shù)1.電子占據(jù)施主界面態(tài)的分布函數(shù)施80單位面積上的界面態(tài)數(shù)若界面能值為EsD，則單位面積界面態(tài)上的電子數(shù)為：單位面積上的界面態(tài)數(shù)若界面能值為EsD，則單81若界面態(tài)能級在禁帶中連續(xù)分布，在能值E處單位能量間隔內(nèi)單位面積上的界面態(tài)數(shù)為Nss(E)，則單位面積界面態(tài)上的電子數(shù)為：若界面態(tài)能級在禁帶中連續(xù)分布，在能值822.電子占據(jù)受主界面態(tài)的分布函數(shù)受主界面態(tài)能值基態(tài)簡并度等于4受主界面態(tài)中的空穴數(shù)的計算方法同上。2.電子占據(jù)受主界面態(tài)的分布函數(shù)受主界面基態(tài)簡并83(二)界面態(tài)電荷隨外加偏壓VG的變化由于某些原因(如溫度的變化，外加偏壓的變化)使半導體的費米能級相對于界面態(tài)能級的位置變化時，界面態(tài)上電子填充的概率將隨之變化，因而界面態(tài)電荷也發(fā)生變化。以外加偏、壓VG變化的情形來說明。當外加偏壓VG變化時，由于能帶彎曲程度隨之變比，引起EF相對于界面態(tài)能級的位置發(fā)生變化。以p型硅為例：VG<0時，表面層能帶向上彎曲，表面處的施主和受主界面態(tài)能級相對于費米能級向上移動：當靠近價帶的施主態(tài)的位置移動到EF以上時，大部分施主態(tài)未被電子占據(jù)，將顯示正電性，因此出現(xiàn)正的界面態(tài)附加電荷；該正電荷將補償部分金屬電極上負電荷的作用，削弱表面(二)界面態(tài)電荷隨外加偏壓VG的變化由于某84半導體物理講義85層中能帶的彎曲與空穴的堆積；VG>0時，表面層能帶向下彎曲(如下圖)，表面處的施主和受主界面態(tài)能級相對于費米能級向下移動：當靠近導帶的受主態(tài)向下移動到EF處時，由于電子占據(jù)受主界面態(tài)，表面出現(xiàn)負的界面態(tài)附加電荷；該負電荷也是削弱能帶彎曲程度和表面層中的負電荷；隨VG變化，界面態(tài)中的電荷隨之改變，即界面態(tài)發(fā)生充放電效應(yīng)。層中能帶的彎曲與空穴的堆積；86半導體物理講義87(三)界面態(tài)密度在禁帶中呈“U”形連續(xù)分布在禁帶中部，界面態(tài)密度較低；在靠近導帶底和價帶頂處，界面態(tài)密度迅速增加，不再下降。(三)界面態(tài)密度在禁帶中呈“U”形連續(xù)分布88(四)界面態(tài)密度隨晶體取向而變化對于硅晶體，界面態(tài)密度由大到小排列的晶面依次為(111)、(110)、(100)晶面，故在制造MOS器件時，為了減少固定表面電荷和界面態(tài)的影響，常選用(100)晶向硅單晶。(四)界面態(tài)密度隨晶體取向而變化對于硅晶體，89未飽和的懸掛鍵；由于表面存在晶體缺陷、微氧化膜，或附著其它分子和原子等原因可引入表面態(tài)；退火可有效地降低界面態(tài)密度。(五)界面態(tài)的起源未飽和的懸掛鍵；(五)界面態(tài)的起源90在Si-SiO2界面附近，存在一些載流子陷阱，由于輻照等原因，可在其中感應(yīng)出空間電荷：當x射線、γ射線、電子射線等能產(chǎn)生電離的輻射線通過氧化層時，可在SiO2中產(chǎn)生電子-空穴對；如果氧化物中沒有電場，電子和空穴將復合掉，不會產(chǎn)生凈電荷；如果氧化層中存在電場，如存在由正柵壓引起的電場時，電子在SiO2中移動而被拉向柵極；空穴在SiO2中很難移動，可能陷入陷阱中。這些被陷阱捕獲的空穴表現(xiàn)為正的空間電荷；該電荷在300℃以上進行退火可很快地消去。五、SiO2中的陷阱電荷在Si-SiO