半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析8.1表面態(tài)；8.2表面電場(chǎng)效應(yīng)；8.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性；半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析表面態(tài)半導(dǎo)體的表面特性與半導(dǎo)體器件的特性有很密切的聯(lián)系。許多半導(dǎo)體器件，如MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)器件、電荷耦合器件、表面發(fā)光器件，都是利用半導(dǎo)體的表面效應(yīng)制成的。

本章主要討論表面態(tài)、表面電場(chǎng)效應(yīng)、硅-二氧化硅系統(tǒng)、MIS結(jié)構(gòu)(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性等意義：改善器件性能，提高器件穩(wěn)定性；探索、研發(fā)新型器件；提高集成電路的可靠性與穩(wěn)定性。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析表面的特殊性：1.表面處晶體的周期場(chǎng)中斷；2.表面往往易受到損傷、氧化和沾污，從而影響器件的穩(wěn)定性；3.表面往往需要特殊保護(hù)措施，如鈍化等4.表面是器件制備的基礎(chǔ)，如MOSFET等半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析表面能級(jí)：由于晶格的不完整性使勢(shì)場(chǎng)的周期性受到破壞，在禁帶中引入附加能級(jí)。達(dá)姆表面能級(jí)：晶體自由表面周期勢(shì)場(chǎng)發(fā)生中斷或破壞引入的附加能級(jí)。懸掛鍵：晶體自由表面的最外層原子中有一個(gè)未配對(duì)的電子，即未飽和的鍵。表面態(tài)：懸掛鍵所對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析理想表面：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(wú)限表面。理想表面實(shí)際上是不存在的。實(shí)際密度：1010~1012cm-2懸掛鍵特點(diǎn)：與體內(nèi)交換電子或空穴。硅表面被氧化后，表面形成一層致密的二氧化硅保護(hù)層，大部分懸掛鍵被氧原子所飽和，表面態(tài)密度大大降低。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析表面電場(chǎng)效應(yīng)在金屬-半導(dǎo)體間加電壓即可產(chǎn)生表面電場(chǎng),在理想情況下，MIS結(jié)構(gòu)中滿足以下條件：以MIS結(jié)構(gòu)(金屬-絕緣層-半導(dǎo)體)為例金屬-半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零；在絕緣層內(nèi)沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電。絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何電荷。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析8.2.1空間電荷層及表面勢(shì)MIS結(jié)構(gòu)加電壓后，金屬-半導(dǎo)體間充電，相當(dāng)于一個(gè)電容。電荷分布：金屬中，自由電子密度很高。半導(dǎo)體中自由電子密度低，電荷分布在一定厚度的表面層內(nèi)。這個(gè)帶電的表面層稱作空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)電場(chǎng)：從表面到內(nèi)部逐漸減弱。在空間電荷區(qū)的另一端，減小為零?？臻g電荷區(qū)電勢(shì)：隨距離逐漸變化。表面發(fā)生能帶向下彎曲現(xiàn)象。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析多數(shù)載流子堆積狀態(tài)(P型半導(dǎo)體為例)

金屬-半導(dǎo)體加反向電壓(金屬端負(fù))，表面勢(shì)為負(fù)，能帶向上彎曲。

熱平衡下，半導(dǎo)體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)不變。接近表面，價(jià)帶頂向上彎曲甚至超過(guò)費(fèi)米能級(jí)，價(jià)帶中空穴濃度隨之增加，表面層出現(xiàn)空穴堆積現(xiàn)象。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析靠近表面區(qū)域，價(jià)帶頂離費(fèi)米能級(jí)低得多。表面空穴濃度比體內(nèi)低得多，這種狀態(tài)稱為耗盡。2.多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)金屬-半導(dǎo)體加正向電壓(金屬端正)，表面勢(shì)為正，能帶向下彎曲。價(jià)帶中空穴濃度隨之減少。以p型半導(dǎo)體為例半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析表面處費(fèi)米能級(jí)高于禁帶中央能級(jí)Ei,使費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂，靠近導(dǎo)帶底，意味著表面處電子濃度將超過(guò)空穴濃度。反型層位于表面，與半導(dǎo)體內(nèi)部還夾著一層耗盡層。3.少數(shù)載流子反型狀態(tài)當(dāng)金屬-半導(dǎo)體間的正向電壓進(jìn)一步加大，表面能帶進(jìn)一步向下彎曲。形成與原來(lái)半導(dǎo)體襯底的導(dǎo)電類型相反的一層導(dǎo)電層，稱為反型層。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析8.2.2表面空間電荷層的電場(chǎng)、電勢(shì)和電容MIS結(jié)構(gòu)的電容=絕緣層的電容C0+空間電荷區(qū)電容Cs1.空間電荷區(qū)電容Cs空間電荷區(qū)電勢(shì)滿足泊松方程總的空間電荷(x)=q(nD+-PA-+Pp-np)nD+電離施主,PA-電離受主，Pp，np為x點(diǎn)空穴、電子濃度半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析半導(dǎo)體內(nèi)部，電中性條件成立(x)=0nD+-PA-=

np–

Pp0)

將np0、pp代入在半導(dǎo)體表面處，V=Vs在半導(dǎo)體表面面電荷密度，Qs=-rs0Es半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析半導(dǎo)體表面的電容Cs=-dQs/dVs電荷密度Qs隨表面勢(shì)Vs變化而變化當(dāng)金屬電極為正，VS〉0，Qs用負(fù)號(hào)；當(dāng)金屬電極為負(fù)，VS<0，Qs用正號(hào)；半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析1.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)以p型半導(dǎo)體為例當(dāng)外加偏壓VG<0時(shí)，V和VS<0,F函數(shù)中exp[qV/k0T]<<exp[qV/k0T]另外，np0/pp0<<1,半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析2.平帶狀態(tài)當(dāng)VG=0,表面勢(shì)Vs=0,表面能帶不彎曲，稱為平帶狀態(tài)。ES=0,Qs=0，由于Vs=0代入電容表達(dá)式(8.31)將給出不定式，所以由接近平帶時(shí)Vs趨于0時(shí)的電容為：對(duì)p型半導(dǎo)體，np0<<pp0電容為：半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析3.耗盡狀態(tài)當(dāng)VG為正,但還不足以使Ei

彎曲到EF以下，空間電荷區(qū)處于空穴耗盡狀態(tài)。V、Vs都大于零。Np0/pp0<<1將pp0=NA,LD關(guān)系代如，得Qs為負(fù)，為電離受主形成的負(fù)電荷。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析耗盡狀態(tài)時(shí)，空間電荷層的空穴已全部耗盡，電荷由電離受主雜質(zhì)構(gòu)成，所以，耗盡狀態(tài)也可通過(guò)泊松方程解，變?yōu)檫吔鐥l件：X=xd,dV/dx=0設(shè)體內(nèi)電勢(shì)為零，X=xd,V=0,再積分在表面，X=0，表面電勢(shì)代入耗盡電容公式中半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析相當(dāng)于一個(gè)平行板電容器的電容，表面勢(shì)Vs增加，耗盡層寬度加寬。半導(dǎo)體空間電荷層中單位面積的電量為

Qs=-qNAxd半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析4.反型狀態(tài)隨VG為正增大,使Ei彎曲到EF以下，出現(xiàn)反型狀態(tài)。分強(qiáng)反型、弱反型兩種根據(jù)玻耳茲曼分布表面處少子濃度當(dāng)表面處少子濃度ns=pp0時(shí)得到強(qiáng)反型的臨界條件VS2VBqVB=Ei-EF,半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析得強(qiáng)反型條件：襯底摻雜濃度越大，Vs越大，越不容易達(dá)到強(qiáng)反型。Vs=2VB稱為開(kāi)啟電壓。此時(shí)，VG=VT半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析臨界反型時(shí)當(dāng)Vs>>2VB時(shí)達(dá)到強(qiáng)反型,Qs隨Vs指數(shù)式增大Cs也隨ns增大而增大強(qiáng)反型后，耗盡層寬度達(dá)到極大值xdm,不隨外加電壓增大而增大半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析8.3MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性MIS結(jié)構(gòu)是組成MOS晶體管等表面器件的基本部分。MIS結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)平行板電容器。對(duì)MIS結(jié)構(gòu)加某一電壓VG,VG一部分V0降落在絕緣層上，一部分Vs降落在半導(dǎo)體表面層VG=V0+Vs8.3.1理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性絕緣層中無(wú)電荷，絕緣層中電場(chǎng)均勻V0=E0d0介質(zhì)中的電位移矢量的大小D=0r0E0金屬中的面電荷密度QM=等于介質(zhì)中的電位移矢量DV0=E0d0=

QMd0

/

0r0E0r0為絕緣層介電常數(shù)半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析考慮到QM=-Qs如果MIS上所加電壓變化dVG將dVG代入，得則MIS電容為半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析表明MIS的電容相當(dāng)于絕緣層的電容和半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容相串聯(lián)。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析則C=C0,MIS結(jié)構(gòu)的電容不隨VG變化，總電容等于絕緣層電容，說(shuō)明半導(dǎo)體內(nèi)部到表面是導(dǎo)通的。如圖AB段所示當(dāng)偏壓VG為負(fù)時(shí)，半導(dǎo)體表面處于堆積狀態(tài)，將表面空間電荷區(qū)的電容Cs若加較大的負(fù)電壓，代入半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析若絕緣層厚度d0一定，NA越大，表面空間電荷層越薄CFB/C0也越大。若加較小的負(fù)電壓，指數(shù)項(xiàng)不能略去，C/C0隨|VS|的減小而減小(如圖BC段所示)當(dāng)VG=0時(shí)，理想的MIS結(jié)構(gòu)，VS=0，平帶電容為若絕緣層厚度d0越大，C0越小，CFB/C0也越大。利用C-V特性測(cè)量表面參數(shù)時(shí)，常需計(jì)算CFB/C0半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析當(dāng)Vg為正，空間電荷區(qū)處于耗盡時(shí)，半導(dǎo)體電容為VG=V0+VsV0=-Qs/C0V0+Vs-VG=Vs–VG-(QS/C0)=0耗盡時(shí)，表面空間電荷厚度xd隨偏壓VG增大而增大。Xd越大，則Cs越小，C/C0也減小。如圖CD段所示電容隨表面勢(shì)發(fā)生變化半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析反型狀態(tài)：當(dāng)外加正向偏壓(Vs>2VB時(shí))，耗盡層寬度保持在最大xdm反型時(shí)，表面空間電容由于qVS>2qVB>>k0T,分母中第二項(xiàng)很快趨于零。MIS電容又增大，并達(dá)到C=C0（相當(dāng)于EF段）（適于信號(hào)較低情況）。原因：大量電子在半導(dǎo)體表面積累，絕緣層兩邊堆積電荷，相當(dāng)于平行板電容器。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析高頻時(shí)，反型層中的電子的產(chǎn)生與復(fù)合跟不上高頻信號(hào)的變化，即反型層中的電子數(shù)量不能隨高頻信號(hào)的變化而變化。反型時(shí)，xdm達(dá)到最大值，并不隨VG變化，耗盡區(qū)電容達(dá)到極小值并保持不變,反型層中電子對(duì)電容沒(méi)有貢獻(xiàn)，空間電荷區(qū)的電容仍有耗盡層的變化決定。所以，C/C0=C’min/C0,并保持不隨VG變化.如圖GH段半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析對(duì)同一種半導(dǎo)體，當(dāng)溫度一定時(shí)，C’min/C0為絕緣層厚度d0及襯底摻雜濃度NA的函數(shù)。MIS結(jié)構(gòu)的電容與頻率有關(guān)。當(dāng)d0也一定時(shí)，NA越大，C’min/C0值就越大。利用C’min/C0值，可測(cè)定半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度。MIS結(jié)構(gòu)電容-電壓特性開(kāi)始強(qiáng)反型時(shí)，低頻信號(hào)下的電容接近C0半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析8.3.2金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性理想MIS結(jié)構(gòu)沒(méi)有考慮金屬和半導(dǎo)體的公函數(shù)差的影響。實(shí)際中，金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性會(huì)產(chǎn)生顯著影響。以鋁-二氧化硅-p-硅組成的MOS結(jié)構(gòu)為例由于Wsi〉WAl，電子從金屬流向半導(dǎo)體因此，在p-硅表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)，金屬表面形成正電荷。產(chǎn)生指向半導(dǎo)體的電場(chǎng)，使硅表面層內(nèi)部向下彎曲。半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)解析半導(dǎo)體中電子的電勢(shì)能相對(duì)于金屬的接觸電勢(shì)差

qVms=Ws-Wm這是由于金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的不同，雖然外加偏壓為零，半導(dǎo)體表面并不處于平帶。為了使半導(dǎo)體處于平帶，需加一個(gè)負(fù)電壓。以抵消兩邊功函數(shù)不同引起的電場(chǎng)和能帶彎曲。所加的電壓稱為平帶電壓。使理想MIS結(jié)構(gòu)的C-