半导体物理第六章课件.ppt

1、半半 导导 体体 物物 理理第六章第六章 半导体表面及接触界面特性半导体表面及接触界面特性 华南理工大学电子与信息学院华南理工大学电子与信息学院 蔡蔡 敏敏 教授教授第六章 半导体表面及界面特性 6.1 6.1 半导体表面态半导体表面态 6.2 6.2 表面电场效应表面电场效应 6.3 6.3 空间电荷区的进一步分析空间电荷区的进一步分析 6.4 6.4 金属与半导体接触的物理特性金属与半导体接触的物理特性 6.5 6.5 金属与半导体接触的电流金属与半导体接触的电流-电压电压特性特性 6.6 MIS6.6 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性半导体表面态半导体表面态 理想表面：表面层

2、中原子排列的对称性理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。何原子或分子的半无限晶体表面。晶体自由表面的存在使其周期场在表面晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，同样也应引起附加能级。处发生中断，同样也应引起附加能级。这种能级称作达姆表面能级。这种能级称作达姆表面能级。在半导体表面，晶格不完整性使势场的周在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在禁带中形成局部状态的能期性被破坏，在禁带中形成局部状态的能级分布（产生附加能级），这些状态称为级分布（产生附加能级），这些状态称为表面态表面态或或

3、达姆能级达姆能级。达姆能级：清洁表面的表面态所引起的表达姆能级：清洁表面的表面态所引起的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的能面能级，彼此靠得很近，形成准连续的能带，分布在禁带内。带，分布在禁带内。从化学键的角度，以硅晶体为例，因晶格在从化学键的角度，以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键，与之对应的电子的键，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。能态就是表面态。表面缺陷、表面粘污、表面氧化层都可以形表面缺陷、表面粘污、表面氧化

4、层都可以形成表面能级。成表面能级。实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低。表面态密度大大降低。此外表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子此外表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态；这种表面态的数值与等原因引起的表面态；这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。表面经过的处理方法有关。由表面态（表面能级）的性质和费米能由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位置，它们可能成为施主或受主能级的位置，它们可能成为施主或受主能级，或者成为电子空穴对的复合中心。

5、级，或者成为电子空穴对的复合中心。半导体表面态为施主态时，它可能是中半导体表面态为施主态时，它可能是中性的，也可能向导带提供电子后变成正性的，也可能向导带提供电子后变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态，电荷，表面带正电；若表面态为受主态，表面带负电。则表面附近可动电荷会重表面带负电。则表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电荷区和表面势，而新分布，形成空间电荷区和表面势，而使表面层中的能带发生变化。使表面层中的能带发生变化。测量表明硅表面能级分两组，一组是施主能测量表明硅表面能级分两组，一组是施主能级，靠近价带；一组位受主能级，靠近导带。级，靠近价带；一组位受主能级，靠近导带。Si（111）

6、面上的表面态密度）面上的表面态密度81014cm-2 SiSiO2交界面处，表面态密度交界面处，表面态密度1011cm-2第六章 半导体表面及界面特性 6.1 6.1 半导体表面态半导体表面态 6.2 6.2 表面电场效应表面电场效应 6.3 6.3 空间电荷区的进一步分析空间电荷区的进一步分析 6.4 6.4 金属与半导体接触的物理特性金属与半导体接触的物理特性 6.5 6.5 金属与半导体接触的电流金属与半导体接触的电流-电压电压特性特性 6.6 MIS6.6 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性一、表面势一、表面势以以MIS（金属（金属绝缘体绝缘体半半导体）电容器为例，金属空导体

7、）电容器为例，金属空间电荷区很薄，可看成一层间电荷区很薄，可看成一层电荷，其面密度为电荷，其面密度为Qsc，则：，则：isciQ 0di为氧化层厚度；为氧化层厚度；xd为半导体空间电荷区厚度；为半导体空间电荷区厚度；Vs为表面势（即：为表面势（即：半导体表面相半导体表面相对于体内的电势对于体内的电势差差）.GVi GV xVV sVid dxxMSI0金属和半导体中电荷分布情况不同金属和半导体中电荷分布情况不同二、能带的弯曲二、能带的弯曲同同。：载载流流子子分分布布与与体体内内不不不不变变。电电势势变变化化的的区区域域保保持持恒恒定定，热热平平衡衡体体系系阱阱，空空穴穴势势垒垒；：能能带带向向

8、下下弯弯，电电子子势势垒垒，空空穴穴势势阱阱；：能能带带向向上上弯弯，电电子子势势FEsVsV00 能带弯曲能带弯曲xVeEEnn0 xVsx0 xVsx0 cEFEiEvE电子势垒电子势垒iEFEvEcE空穴势垒空穴势垒 EE seVseVN型半导体型半导体P型半导体型半导体反型层反型层表面态为受主态表面态为受主态表面态为施主态表面态为施主态三、载流子浓度的变化三、载流子浓度的变化seVcEfE0iEvE0 xN型半导体，表面态为受主态，型半导体，表面态为受主态，Vs0)(xiE)()(0 xVeEEii 非简并时：非简并时：kTEEnpkTEEnnfiiifiexpexp设内部电子、空穴浓

9、度为设内部电子、空穴浓度为n0，p0，本征费米能级为，本征费米能级为Ei0。所以，。所以，kTEEnpkTEEnnfiiifi0000expexp kTxeVnkTxeVkTEEnkTEEnnxeVEExVeEEifiifiiiii)(exp)(expexpexp)()()(0000所以所以，则，则低），则低），则级的高级的高为费米势（表示费米能为费米势（表示费米能，其中，其中设设同理同理ffifeEEkTxeVpp )()(exp00 kTxVenpkTxVennkTenpkTennfifififi expexpexpexp，00。型半导体：型半导体：；型半导体：型半导体：00ffPN 四、

10、积累层，耗尽层和反型层四、积累层，耗尽层和反型层MO型型PGVS以理想以理想MOS为例，衬底为为例，衬底为P型。型。理想理想MOS：金属与半导体不存在接触电势差（费米能级一致）；金属与半导体不存在接触电势差（费米能级一致）；氧化层中无电荷；氧化层中无电荷；半导体与氧化层中无表面态（界面态）。半导体与氧化层中无表面态（界面态）。cEiEfsEvEfME（a）平带（）平带（VG=0）型样品衬底：型样品衬底：a.平带：平带：VG=0时，能带无弯时，能带无弯曲，无空间电荷区；曲，无空间电荷区；cEiEfsEvEfME（b）积累层（）积累层（VG0）（Vs0）b.积累层：积累层：VG0时，表面处空时，表

11、面处空穴被排斥走，当空穴势垒足够穴被排斥走，当空穴势垒足够高时，表面层价带空穴极为稀高时，表面层价带空穴极为稀少，可认为该层多子空穴被耗少，可认为该层多子空穴被耗尽，称为耗尽层。尽，称为耗尽层。cEiEfsEvEfME（d）反型层（）反型层（VG0）d.反型层：若反型层：若VG足够高，足够高，使得在表面处的少子电子浓使得在表面处的少子电子浓度高于了多子空穴的浓度，度高于了多子空穴的浓度，则表面处导电类型就发生改则表面处导电类型就发生改变，称为反型层。变，称为反型层。开始出现反型层的条件：开始出现反型层的条件：cE0iEfEvEseVffisiiEEeVxVeEE 001所以，所以，)()(Fi

12、EE 表面势费米势时表面势费米势时反型层的条件：反型层的条件：fsV 强反型层出现的条件（以强反型层出现的条件（以MOS场效应晶体管的电导沟场效应晶体管的电导沟道为例）：型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。道为例）：型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。cE0iEfEvEfEisEsfiiisfisnpkTEEnpkTEEnn000expexpfsfisissiisfisiffiisfVEEeVeVEEeEEeEEEE 22120000，即：，即：，所以，所以由由强反型层条件：强反型层条件：fsV 2第六章 半导体表面及界面特性 6.1 6.1 半导体表面态半导体表面态 6.2

13、6.2 表面电场效应表面电场效应 6.3 6.3 空间电荷区的进一步分析空间电荷区的进一步分析 6.4 6.4 金属与半导体接触的物理特性金属与半导体接触的物理特性 6.5 6.5 金属与半导体接触的电流金属与半导体接触的电流-电压电压特性特性 6.6 MIS6.6 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性空间电荷区的进一步分析空间电荷区的进一步分析一、一、xd,Qsc随随Vs变化的关系变化的关系xd为空间电荷区宽度；为空间电荷区宽度；Qsc为空间电荷区密度。为空间电荷区密度。平带附近情况平带附近情况VG很小时，很小时，QscVs关系关系 全部电离，则：全部电离，则：为体内空穴浓度。杂质为

14、体内空穴浓度。杂质处空穴浓度；处空穴浓度；为为数。数。为半导体的相对介电常为半导体的相对介电常为空间电荷密度；为空间电荷密度；0022PxxPdxVdrr kTxeVePxPPxPe/00 时时当当；所以所以kTxeVxVkTPeeePkTxeV 0201 200222DrLxVxVkTPedxxVd 所以，泊松方程为所以，泊松方程为 DDLxLxrDBeAexVePkTL，所以，所以21200 知：知：时，时，；时，时，由边界条件：由边界条件：sVxVxxVx0201.为表面势为表面势sLxsVeVxVD DLxseVkTePxxVkTeP2020 所以所以LD为德拜长度，为了屏蔽外电场而形

15、成的空间电荷区厚度。为德拜长度，为了屏蔽外电场而形成的空间电荷区厚度。时，时，；：估算估算时，时，；KTcmPLVeVLxPLrDsDD3001010101317140210 sDrLDxsDrscscDDVLdxeVLdxQQcmcmLCcmVcmFL 000205621193171414108.3102.1106.11010026.010/1085.8 为为：单单位位面面积积内内的的总总电电荷荷为为几几十十至至上上千千个个原原子子层层：如：如：Vs0，则，则Qsc0；若；若Vs0;荷区电容。荷区电容。积内半导体表面空间电积内半导体表面空间电表示平带附近，单位面表示平带附近，单位面DrL 0

16、2.耗尽层近似耗尽层近似P型样品，型样品，VG0时，出现耗尽层和反型层。当为耗尽层时，出现耗尽层和反型层。当为耗尽层和弱反型层时，空穴基本全部丧失，电子增加又很少，因此可和弱反型层时，空穴基本全部丧失，电子增加又很少，因此可认为空间电荷区就等于离化了的受主负电荷，这种近似处理称认为空间电荷区就等于离化了的受主负电荷，这种近似处理称为为耗尽层近似耗尽层近似。Na为受主杂质浓度；耗尽层内全部被电离。为受主杂质浓度；耗尽层内全部被电离。0dxxGV rdaxxssxeN 0；dramdraxeNxxxeNx 000 dxxdVxdxxxVxVdxxd ；取体内电势为零，即取体内电势为零，即V（xd）

17、=0，则，则 2002xxeNdxxxeNxVdraxxdrad V，0dxxsV 2020drasxeNVV rascseNQV 022 所以所以；2102 sardVeNx 3.强反型层出现时：强反型层出现时：Vs=2f强反型层与体内之间夹着一层耗尽层，其宽度强反型层与体内之间夹着一层耗尽层，其宽度xd达到最达到最大值。大值。21021044fraBscfardeNQQeNx ；max设杂质饱和电离：设杂质饱和电离：kTEEnNpfiia00expiafififfnNekTeEEEEeln00 dadscexNxQ 2102sraVeN ；所以所以iafsnNekTVln22 210212

18、0maxln4ln4 iaraBsciaardnNekTNQQnNeNkTx ；4.出现强反型层之后出现强反型层之后半导体表面的空间电荷区半导体表面的空间电荷区=强反型沟道中的电子电荷强反型沟道中的电子电荷Qn+耗尽层中的电离受主电荷耗尽层中的电离受主电荷QBBnscQQQ宽宽度度不不变变）基基本本不不变变（空空间间电电荷荷区区，BnGQQV二、二、Vs 和和xd随随VG变化的关系变化的关系MOSQVVVVMisiG度，考虑理想度，考虑理想为金属板上的电荷面密为金属板上的电荷面密为氧化层上的压降为氧化层上的压降；scMiMiiiiMiMiiiiiiMiQQCQVdVQCQddEVQE ，000

19、1.耗尽层近似下：耗尽层近似下：2102ssascMVeNQQ sissaisiMGVVeNdVCQV 02102所以所以 020210 GsisaisVVeNdV 212021042221GisaisasVCeNCeNV 1212020212121220210202020000021GisaiiisGasiisiisdGdiiadsaGisdsasiidaiisciiMiiaisiiiGiiGsVdeNdVeNddxVxedNxeNVVVxeNVdexNdQdQVedNBdCVBCCBVV 解得解得即：即：，；2.强反型层情形强反型层情形）型时的型时的为阈值电压（开始强反为阈值电压（开始强反

20、，此时，此时，开始时，开始时，GTfiBTGiBifsVVCQVVCQVV 22ffsaiTeNCV 241210 所以所以以后，以后，VGVT；近似有：；近似有：Vs不变；不变；Vs2f，xd不变，不变，xd xdmax电荷面密度。电荷面密度。为表面反型沟道中电子为表面反型沟道中电子所以所以所以所以nTGininTfiniBGiniBiiiMnGQVVCQCQVCQCQVCQCQVVQQV 2 第六章 半导体表面及界面特性 6.1 6.1 半导体表面态半导体表面态 6.2 6.2 表面电场效应表面电场效应 6.3 6.3 空间电荷区的进一步分析空间电荷区的进一步分析 6.4 6.4 金属与半

21、导体接触的物理特性金属与半导体接触的物理特性 6.5 6.5 金属与半导体接触的电流金属与半导体接触的电流-电压电压特性特性 6.6 MIS6.6 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数 金属功函数 金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化。0mFmWEE 半导体功函数 电子亲和能 故 其中0sFsWEEcEE 0scFsnWEEEncFsEEE接触电势差接触电势差金属与n型半导体接触为例 金属和半导体间距离D远大于原子间距 随着D的减小，qWWVVVmssmmssmsmsVVqWW 若D小到可以与原子间距相比较 若WmWs，半导体表面形成正的空间

22、电荷区，电场由体内指向表面，Vs0，形成表面势垒（阻挡层）。若Wm0。形成高电导区（反阻挡层）。DsmsVVqWW表面态对接触电势的影响表面态对接触电势的影响 实验表明：不同金属的功函数虽然相差很大，但与半导体接触时形成的势垒高度却相差很小。原因：半导体表面存在表面态。表面态分为施主型和受主型。表面态在半导体表面禁带中呈现一定分布，表面处存在一个距离价带顶为q0的能级。电子正好填满q0以下所有的表面态时，表面呈电中性。若q0以下表面态为空，表面带正电，呈现施主型；q0以上表面态被电子填充，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体，q0越为禁带宽度的三分之一。若n型半导体存在表面态，费米能级高于

23、q0，表面态为受主型，表面处出现正的空间电荷区，形成电子势垒。势垒高度qVD恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。高表面态密度钉扎（pinned）存在表面态即使不与金属接触，表面也形成势垒。当半导体的表面态密度很高时，可以屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，有半导体表面性质决定。ngDEqEqV0第六章 半导体表面及界面特性 6.1 6.1 半导体表面态半导体表面态 6.2 6.2 表面电场效应表面电场效应 6.3 6.3 空间电荷区的进一步分析空间电荷区的进一步分析 6.4 6.4 金属与半导体接触的物理特性金属与半导体接触的物理特性 6.5 6.5 金属与

24、半导体接触的电流金属与半导体接触的电流-电压电压特性特性 6.6 MIS6.6 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性扩散理论扩散理论 当势垒宽度大于电子的平均自由程，电子通过势垒要经过多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。（耗尽层近似）泊松方程)(,0)0(,)(022ddrDxxxxqNdxxVd 边界条件 可得nsxxdVdxxdVxEd)0(0)()(nsdrDdrDxxxqNxVxxqNdxxdVxE)21()()()()(200 外加电压于金属，则 可得势垒宽度DnnsndVVxV),()(210002100)(2)(2DsrdDsrdqNVxqNVVx 电流密度方程 代入爱因

25、斯坦关系，并整理得)(|)(|)(dxxdnDxExnqJnn)(exp)()(exp00TkxqVxndxdqDTkxqVJn 在x=0到x=xd对上式积分，求解可得 当V0时，若qVk0T，则 1)exp(0TkqVJJsD)exp(0TkqVJJsD 当Vk0T，则 该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，如氧化亚铜。sDJJ热电子发射理论热电子发射理论 当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽度。电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数。讨论非简并半导体的

26、情况。半导体单位体积能量在EE+dE范围内的电子数dETkEEEETkEEhmdETkEEEEhmdnccFcnFcn)exp()(exp()2(4)exp()()2(40210323*021323*若v为电子运动的速率，则 带入上式，并利用vdvmdEvmEEnnc*2*21)exp(00TkEENnFcc 可得 单位体积内，速率vxvx+dvx，vyvy+dvy，vzvz+dvz范围内的电子数dvTkvmvTkmndnnn)2exp()2(402*2230*0zyxzyxnndvdvdvTkvvvmTkmnnd)2(exp()2(0222*230*0 显然单位面积而言，大小为vx的体积内，

27、上述速度范围的电子都可以达到金属和半导体界面。达到界面的电子要越过势垒，必须满足)(2102*VVqvmsxn 所需要的x方向的最小速度 若规定电流的正方向是从金属到半导体，则从半导体到金属的电子流所形成的电流密度为21*00)(2nsxmVVqv)exp()exp(002*TkqVTkqTAJnsms 其中理查逊常数 电子从金属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压而变化，所以为常量，与热平衡条件下，即V=0时的Js-m大小相等，方向相反。320*4hkqmAn 总电流密度)exp(|02*0TkqTAJJnsvsmms 1)exp(1)exp(exp(0002*TkqVJTkqVTkqTAJ

28、JJsTnssmms Ge、Si、GaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 与pn结的相同点：单向导电性。与pn结的不同点：pn结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流,有显著的电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好；肖特基二极管JsD和JsT比pn结反向饱和电流Js大得多。因此肖特基二极管由较低的正向导通电压。用途：钳位二极管(提高电路速度)等。少数载流子的注入少数载流子的注入 n型阻挡层，体内电子浓度为n0，接触面处的电子浓度是 电子的

29、阻挡层就是空穴积累层。在势垒区，空穴的浓度在表面处最大。体内空穴浓度为p0，则表面浓度为)exp()0(00TkqVnnD 加正压时，势垒降低，形成自外向内的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致。空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴浓度。)exp()0(00TkqVppD 平衡时，如果接触面处有 此时若有外加电压，p(0)将超过n0，则空穴电流的贡献就很重要了。加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数载流子的注入比，用表示。)()0(FcvFEEEE 加正电压时，势垒两边界处的电子浓度将保持平衡值，而空穴在阻挡层内界形成积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。因为平衡值p0很小，所以相

30、对的增加就很显著。对n型阻挡层而言)/(/nPPpJJJJJ欧姆接触欧姆接触 定义 不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的变化。实现 反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体材料一般都有很高的表面态密度，因此很难用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。隧道效应：重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触。接触电路：零偏压下的微分电阻 把导带底Ec选作电势能的零点，可得10)(VcVIR200)(2)(dxqNxVrD 电子的势垒为 令y=d0-x，则200

31、2)(2)(dxNqxqVrD2022)(yNqxqVrD 根据量子力学中的结论，x=d0处导带底电子通过隧道效应贯穿势垒的隧道概率为 有外加电压时，势垒宽度为d，表面势为(Vs)0+V，则隧道概率)()(4exp)()2(4exp02120*210212*0sDRndnVNhmdyyqVhmP)()(4exp)()(4exp21220*02120*VVqNhqmVVNhmPDDRnsDRn 隧道电流与隧道概率成正比 进而可得到)()(4exp21220*VVqNhqmJDDRn)(4exp212120*DDRncNVhmR第六章 半导体表面及界面特性 6.1 6.1 半导体表面态半导体表面态

32、 6.2 6.2 表面电场效应表面电场效应 6.3 6.3 空间电荷区的进一步分析空间电荷区的进一步分析 6.4 6.4 金属与半导体接触的物理特性金属与半导体接触的物理特性 6.5 6.5 金属与半导体接触的电流金属与半导体接触的电流-电压电压特性特性 6.6 MIS6.6 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性0001MOSmGGisGismmmmmiiiiiiimiiiiidQCdVdVdVdVVVVCdQdQdQQQEVE dddQCdVdC Q在理想的系统中，绝缘层中电场是均匀的，电场强度为：可见是一个不随外电场变化的常数。11111mssssisisisiisdQdQCdVdVCCCCCCCCCCCC 再令：则有：归一化电容：Thank you for listening