1、第六章：固体表面及界面接触现象第六章：固体表面及界面接触现象 前几张的讨论中假设晶体是无限的，采用周期性边界条件，忽略是实际边界的真实影响。 实际晶体总是存在边界的，且固体必须通过边界面与周围环境作用。 固体的表面效应和体内效应有许多不同的特性。 接触面及界面附近的物理效应支配着器件的特性，尤其对器件的稳定性和可靠性有直接的影响。6.1 6.1 表面态表面态6.1.1 理想表面和实际表面 表面：固体与真空之间的分界面。 界面：不同相或不同类的物质之间的分界面。 理想表面：设想在无限晶体中插进一个平面，然后将其分成两部分，这分界面称为理想表面。 理想表面的原子排列对称性与体内原子完全相同，且表面
2、不附着任何原子或分子。理想表面实际上不存在。 实际表面：分为清洁表面和真实表面。 清洁表面：没有杂质吸附和氧化层的实际表面。 实际表面：日常接触到的实际表面，哪怕经过严格的清洗，看起来是清洁的，实际上由于环境的影响，表面往往生成氧化物或其他化合物，还有可能有物理吸附层，甚至还有与表面接触过的各种物体留下的痕迹。6.1.2 表面态 每个Si原子的4个价电子与最近邻的4个Si原子的各一个价电子组成共价键。 晶体表面，晶格突然断裂，最外层的Si原子出现未配对电子，即存在一个未饱和的键，称为悬挂键。 悬挂键上的电子对应的能量状态称为表面态。 从能量高低的角度考虑，表面态的能量高于价带中的电子能量（体内
3、配对价键上的电子能量）低于导带中的电子能量（晶格空间的准自由电子的能量状态），因此它的能量值必定在禁带范围内。一个悬挂键提供一个表面态表面能带（表面能带中每个表面能级对应1个悬挂键上的的电子能量状态）悬挂键的密度很高键与键之间有较强的相互作用考虑到表面处的电子能量小于真空能量V0，电子波函数必须满足有限单值连续的条件，可以得到电子能级：电子的波函数： 根据表面态被电子占据后所带电性的不同，可以分为类施主态和类受主态： 在z=0处的两边，随着与表面之间距离的增大，波函数都是按照指数规律衰减的，这表明电子的分布概率主要集中在z=0处，电子被局限在表面附近，这些电子状态即表面态。对应的能级为表面能级
4、，处于禁带内。 根据表面态和体内交换电子的速率，可以分为快态和慢态： 快态电子交换时间为毫秒或更短。主要处于Si与表面氧化层之间。 慢态电子交换时间为毫秒以上甚至数小时或者更长。主要处于Si表面天然氧化层的外表面，或Si/SiO2界面附近的结构缺陷或杂质所形成的表面态。 少子产生和复合中心，多子散射，形成表面电场6.1.3 表面态密度 受环境影响，表面往往生成氧化物或其他化合物。如Si表面生长SiO2，表面大量悬挂键被氧原子饱和，表面态密度大为降低，实验测得的表面态密度往往在1010-1012cm-2之间，比理论值低很多。6.2 6.2 表面电场效应表面电场效应6.2.1 外电场对半导体表面的
5、影响首先讨论理想情形下，外加电场作用于半导体表面发生的现象。 理想情形：热平衡状态的半导体表面不存在任何表面态电荷。在一块与半导体表面平行的平板金属与半导体之间加外加电压V，就会有电场E0。相当于金属与半导体之间形成平板电容器。半导体表面电荷密度 。00SQE 金属和半导体的表面存在一定的电荷分布。空间电荷区 空间电荷区的存在可以屏蔽外电场，使其不能深入半导体内部（空间电荷区存在内建电场）。由于表面层内存在电场，必然存在势能。附加了电势能后，半导体表面层内的能带必然发生变化。下面以P型半导体为例分析。外加电场：电场方向由半导体表面指向半导体内部。电势：半导体表面与体内之间的电势差称为半导体的表
6、面势。( )( )dV xE xdx ( )qV x电子电势：空穴电势的变化情况与电子相反。 空间电荷区出现附加的静电势能，使电子在半导体内部和表面层的势能不相同，则相应的能带发生变化。 这种半导体表面空间电荷区中多数载流子势能陡起的情形称为表面势垒。势垒高度DSqVqV达到稳定时，半导体表面层内的电场变化与相应的电荷分布联系在一起的。分析半导体表面空间电荷区的性质定量求电场和电势的分布求得面电荷密度和表面微分电容泊松方程采用一维近似处理方法，以P型半导体为例，泊松方程6.2.2 表面空间电荷区的电场、面电荷密度和电容其中：讨论非简并情况，满足玻尔兹曼分布，则其中np0和pp0分别表示半导体内
7、部热平衡电子浓度和热平衡空穴浓度。BB外电场垂直作用于热平衡P型半导体表面层所满足的泊松方程。BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB令：F函数在多数情况下都可以简化，6.2.3 6.2.3 各种表面层状态各种表面层状态作用于半导体表面的外电场方向和场强不相同，往往会导致不同的表面层状态。以非简并P型半导体为例，对出现的几种不同状态进行定性讨论。外电场背向P型半导体，表面势Vs小于零，半导体表面处能带向上弯曲，多数载流子空穴受外电场吸引堆积在半导体表面层带正电荷。这样在半导体表面形成多数载流子的堆积层。表面状态的微分电容为：表面势的绝对值|Vs|越大，能带在表面处向上弯曲得越厉害，表
8、面层空穴的浓度越高，表面微分电容也就越大。理想的自由半导体表面，没有任何外界作用因素，表面能带不发生弯曲，半导体表面处于平带状态。无外电场时，即：微分电容依然存在：半导体的微分电容决定于半导体的性质以及多数载流子的浓度。半导体表面处于平带时的微分电容为平带电容 外电场指向P型半导体，表面势Vs大于零，半导体表面处能带向下弯曲，形成多数载流子空穴的势垒。越靠近表面，价带顶的能量位置离EF越远，空穴浓度越低。 假设外电场作用使半导体表面势垒高到足以使表面层的多数载流子几乎丧失完，表面层的电荷密度基本上等于电离杂质的浓度，这样的半导体表面层称为多数载流子的耗尽状态。耗尽状态下表面微分电容表示式为：表
9、面处的费米能级接近禁带中央。泊松方程：边界条件：得出电场分布：得出电势分布：X=0处表面势为：耗尽层中单位面积微分电容CS相当于一个距离为xd的平板电容器的单位面积电容。表面势增加，耗尽层宽度增加，电容减小。 在多数载流子耗尽的情形下，外电场进一步增大，表面能带进一步向下弯曲，出现费米能级高于禁带中央能量位置的情形。这表明表面处的少数载流子浓度超过该处的多数载流子浓度，形成与原半导体衬底导电类型相反的表面层，称为少数载流子的反型层。 表面层出现反型可以分为弱反型和强反型两种状态。弱反型和强反型的条件由表面处的少数载流子浓度和多数载流子浓度相比较而定。以P型半导体为例：表面处电子浓度ns（x），
10、表面处空穴浓度ps（x）。此时表面处费米能级到导带底的距离小于到价带顶的距离，即：弱反型条件为：此时表面处费米能级到表面导带底的距离小于到内部价带顶的距离，即：即强反型条件为：强反型条件又可写为：衬底杂质浓度越高，出现强反型所需要的Vs值越大，越难以达到强反型。BB 这是因为反型层中积累电子屏蔽了外场的作用，当电压继续增大时，积累的少数载流子呈指数增多，而不必使耗尽层向半导体内部继续延伸。 最大耗尽宽度由半导体材料的性质和掺杂浓度来决定： NA或ND越大，最大耗尽宽度越小； 相同的掺杂情况下，Eg越宽的材料，ni值越小，最大耗尽宽度越小。 反型载流子分布在表面很窄、势能最低的薄层内，把这一反型
11、导电的薄层称为导电沟道。导电沟道与半导体内部之间是近乎绝缘的耗尽层。（P型半导体形成N型沟道，N型半导体形成P型沟道）平衡态 前面四种都是平衡态。 表面电场不随时间变化，或随时间变化的足够缓慢，使得表面空间电荷层中载流子的变化跟得上表面电场的变化。非平衡态 表面电场振幅大，变化快（脉冲电场）。 空间电荷层中少子的产生速率赶不上电压的变化，反型层来不及建立，为了保持和金属板上的电荷平衡，只能依靠将耗尽层向半导体内部继续推进而产生更多的电离受主。 空间电荷区的电荷全部由电离受主提供，耗尽层的宽度可超过最大宽度xdm，且随电压的增大而增大，称为深耗尽状态。 如果电场在阶跃后不再变化，则耗尽层中将不断
12、产生电子空穴对，电子向表面漂移形成反型层，空穴向体内漂移和耗尽区边界处的电离受主中和，使耗尽层宽度减小，最后达到平衡的强反型状态，即表面处出现反型层，耗尽宽度达最大值xdm 。6.2.4 6.2.4 表面电导表面电导 半导体表面层电势分布使载流子电势能发生变化，因而载流子浓度也发生变化。单位面积的表面层中空穴的改变量（与内部比较）为：用dx=-dV/E带入上式，得到： 同理可得单位面积的表面层中电子的改变量为： 半导体表面的载流子浓度与体内的载流子浓度很不相同。 电导率与载流子浓度相关，因此半导体体内和表面的电导率有明显差别。 迁移率与电导率密切相关，因受电场的影响体内和表面的迁移率有很大不同
13、。表面附加电导： 表面薄层电导与半导体的表面势VS密切相关，也与半导体的表面状况及所处外界气氛有关。 当半导体表面状况及外界气氛一定后，表面薄层电导即受外加电压的直接控制。 这种半导体表面薄层电导受栅极所加电压调制的效应称为表面电场效应。这一效应是MIS器件的基本理论依据。6.3 6.3 金属与半导体的接触金属与半导体的接触6.3.1 金属和半导体的功函数灯丝加热热阴极产生热电子热电子产生电流 T0K的任何温度下，所有金属都会产生热电子。 Wm称为金属的功函数。 Wm越大，热电子发射越困难，电子被金属束缚的越强。 T=0K时，金属中费米能级以下的能级完全被电子填满，而费米能级以上的能级为全空。
14、 T0K时，费米能级以下的电子可以跃迁到费米能级以上的能级中，甚至有少量电子可以完全挣脱金属对它的束缚而逸出体外。E0：真空中静止电子的能量；EFm：金属的费米能级。其中：受外电场作用，能带在表面处发生弯曲，电子势能改变，半导体的功函数会受到外加表面电场的影响。功函数的改变：6.3.2 接触电势差和接触势垒 设想置于真空中的一块金属M和一块半导体S，具有相同的真空静止电子能级，且金属功函数大于半导体功函数，即：接触前接触前，半导体的费米能，半导体的费米能级高于金属（相对于真空级高于金属（相对于真空能级），所以半导体导带能级），所以半导体导带的电子有向金属流动的的电子有向金属流动的可可能能接触后
15、接触后，金属和半导体的费，金属和半导体的费米能级应该在同一水平，半米能级应该在同一水平，半导体的导带电子导体的导带电子必然必然要流向要流向金属，而达到统一的费米能金属，而达到统一的费米能 电子的流动使金属带负电荷，电势降低，电子静电势能升高；半导体带正电荷，电势升高，电子静电势能降低。 两者的电势差完全补偿电子费米能级的差别时，达到动态平衡。 两物体间相互接触产生的电势差称为接触电势差。smmsmsWWVVVq达到动态平衡后，金属和半导体之间的接触电势差为：金属电势半导体电势半导体功函数功函数金属 金属和半导体之间存在着远大于原子间距的宏观距离情形。由于电荷的趋肤效应，金属和半导体所带电荷分布
16、在物体表面，两物体间的异种电荷不发生相互吸引作用。 金属和半导体之间距离减小，异种电荷之间相互吸引。电荷聚集在两物体相互靠近的表面，金属和半导体之间相当于有一个外电场作用于半导体表面，而且电场方向由半导体指向金属，半导体表面出现正的空间电荷区，形成电子势垒。这种因金属和半导体接触而产生的半导体表面势垒称为接触势垒。半导体表面存在接触势垒时的功函数：动态平衡时，金属和半导体间的静电势能差：产生接触势垒的表面势得到：反应了金属和半导体间因存在宏观距离而存在的电势差。#式说明，接触电势差一部分降在两物体之间，一部分降在半导体表面层内 。 如果两物体之间的距离小到可以与原子间距离相比较，这时Vms很小
17、，接触电势差绝大部分落在空间电荷区的表面层内。现在考虑忽略间隙中的电势差时的现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限极限情形情形：以后的讨论均限完全接触的极限情形。以后的讨论均限完全接触的极限情形。 忽略两物体间的电势差，半导体的表面势为： 半导体一边的势垒高度为：半导体一边的势垒高度为：DsmsqVqVWW 金属一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEW 金属和半导体完全接触时的接触势垒高度等于金属和半导体功函数之差。所以：所以： 金属与金属与N N型型半导体接触半导体接触时，时，若若WmWm WsWs，即，即半导体的半导体的费米能级费米能级高于金属高于金属
18、，接触电场背向半导体表面，接触电场背向半导体表面Vs0Vs0Vs0, , 能带向下弯曲能带向下弯曲。在表面的空间电荷区，电子浓度高于在表面的空间电荷区，电子浓度高于体内（多子堆积），体内（多子堆积），高电导区，称为高电导区，称为反阻挡层反阻挡层。 金属与金属与N N型型半导体接触半导体接触时，时，若若WmWm WsWs，即，即半导体的半导体的费米能费米能级高于级高于金属。金属。金属金属N N型型半导体半导体接触接触金属金属P P型型半导体半导体接触接触 金属与金属与P P型型半导体接触时，若半导体接触时，若W Wm m W Ws s，即金属的费米，即金属的费米能级比半导体的费米能级低，半导体的
19、电子流向金能级比半导体的费米能级低，半导体的电子流向金属，使得金属表面带负电，半导体表面带属，使得金属表面带负电，半导体表面带正电正电，半，半导体表面能带导体表面能带向上弯曲向上弯曲。在半导体表面的多子（空。在半导体表面的多子（空穴）浓度较大，高电导区，形成穴）浓度较大，高电导区，形成反阻挡层反阻挡层。金属金属半导体接触的半导体接触的阻挡层阻挡层所谓所谓阻挡层阻挡层，在半导体的势垒区，形成的，在半导体的势垒区，形成的空间电荷区空间电荷区，它主要由，它主要由正的电离施主杂正的电离施主杂质或负的电离质或负的电离受主受主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多，是
20、，是一个高阻区域，一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下在这个区域能带向上或向下弯曲弯曲形成电子或空穴的阻挡。形成电子或空穴的阻挡。金属与金属与N N型半导体，型半导体，W Wm m W Ws s金属与金属与P P型半导体型半导体, , W Wm m Ws时，半导体接触表面能带向上弯曲，形成N型阻挡层，接触势垒的表面势(Vs)00,势垒高度-q(Vs)0。不加外电压时，从半导体流向金属的电子与从金属流向半导体的电子数量相等，处于动态平衡，没有净电子电流流过阻挡层。 加外电压时，阻挡层是高阻区，外电压主要降落在阻挡层上，阻挡层的表面电势变为(Vs)0+V，电子势垒的高度变为：qVD=-q(Vs)
21、0+V外加外加电压电压V方向与接触表面势方向与接触表面势( (V Vs s) )0 0方向相反，势垒方向相反，势垒高度下降，电子可以更顺利地流过降低了的势垒。高度下降，电子可以更顺利地流过降低了的势垒。smJmsJJ电流为：电流为： 从半导体流向金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成一股从金属流向半导体的正向电流。 外加电压越高，势垒高度下降越多，正向电流越大。 金属和半导体之间不再处于相互平衡状态，两者没有统一的费米能级，半导体和金属的费米能级之差等于因外加电压所引起的静电势能之差。加上加上反向反向电压（电压（金属一边为负金属一边为负）时：）时：外加外加电压电压V方向与接触表面势方向
22、与接触表面势( (V Vs s) )0 0方向相同，势垒方向相同，势垒高度上升，从半导体流向金属的电子数目减少，而高度上升，从半导体流向金属的电子数目减少，而从金属流向半导体的电子数目占优势，形成一股从从金属流向半导体的电子数目占优势，形成一股从半导体流向金属的反向电流。半导体流向金属的反向电流。msJsmJJ电流为：电流为：由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在阻挡层上。金属一侧的势垒高度没有阻挡层上。金属一侧的势垒高度没有变化，从金属变化，从金属流向半导体的电流基本恒定。流向半导体的电流基本恒定。 反向电压继续增大，半导体一边势垒高度进一步
23、增大，从半导体流向金属的电流可以忽略不计。金属流向半导体的反向电流趋于饱和。 对P型阻挡层的分析类似。接触表面势大于零。金属接电源负极，半导体接正极，形成半导体流向金属的正向电流；金属接电源正极，半导体接负极，形成反向电流。对于所有的阻挡层，正向电流都是半导体中的多数载流子从半导体流到金属中形成。6.3.4 欧姆接触定义定义：金：金/半接触的半接触的非整流接触非整流接触，即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。衡载流子浓度发生明显的改变。应用：应用：半导体器件中利用半导体器件中利用电极电极进行电流的输入和进行电流的输入
24、和输出就输出就要求金属和半要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触导体接触形成良好的欧姆接触。半导体需要金属与之接触再由导线引。半导体需要金属与之接触再由导线引出。在超高频出。在超高频和大功率的器件中，和大功率的器件中，欧姆接触是设计欧姆接触是设计和制造的和制造的关键关键。实现：实现：不考虑表面态的影响，金半接触形成不考虑表面态的影响，金半接触形成反阻挡层反阻挡层，金属和，金属和N型半导体型半导体WmWs接触，形成高电导层，就接触，形成高电导层，就可以实现欧姆接触。实可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态际中，由于有很高的表面态，形成多数载流子势垒。主要，形成多数载流子势垒。主要用用隧道效
25、应实现隧道效应实现半导体半导体制造的欧姆接触。制造的欧姆接触。 目前实际中实现欧姆接触的方法有：高掺杂接触和高复合接触。高掺杂接触 在半导体上制作一层同型的重掺杂区，金属与重掺杂区接触，形成欧姆接触。这种接触利用隧道效应实现欧姆接触。 重掺杂区的杂质浓度很高，接触势垒就会变得很薄，贯穿系数就会很大，出现强大的隧穿电流，成为流经阻挡层的主要成分。 这一电流与外加电压的方向无关，且与电压大小成正比，是一个好的欧姆接触。高复合接触 在金属和半导体接触阻挡层中掺入高密度的复合中心杂质，近似有线性对称的电流电压关系，接触电阻较小，形成良好的欧姆接触。 加正向电压时，势垒降低，复合中心俘获半导体中的多数载
26、流子，与金属中的少子复合形成电流。 加反向电压时，势垒升高，被俘获的电子空穴对又可以发射电子与空穴形成电流。 这一电流与接触势垒的高度关系不大。6.4 MIS6.4 MIS结构的电容结构的电容- -电压特性电压特性6.4.1 理想MIS结构电容 MIS结构是MOS（金属-氧化物-半导体）晶体管，电荷耦合器件等重要器件的基本组成部分，具有实际应用价值的结构。 理想MIS结构满足下列条件：（1）金属和半导体的功函数差为零。（2）在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电。（3）绝缘层与半导体界面处不存在任何界面。 理想MIS结构的金属和半导体之间加电压VG（栅极电压）。一部分电压降在绝缘层上V0 ，
27、另一部分降在半导体表面层上，如同一个外电场作用于半导体表面，形成表面势VS。 绝缘层电压V0为： 绝缘层电容： 由于Qm=-Qs，则 电压VG与空间电荷区特性相联系的表示式：当有小信号电压dVG作用于MIS结构时，QS和VS将发生改变：MIS结构的微分电容可表示为：则有：MIS结构的电容相当于绝缘层电容C0和半导体空间电荷层电容Cs的串联。其中，CS是随外加电压而改变的，如同一个可变电容。归一化电容：6.4.2 理想MIS结构的C-V特性 以P型半导体为例讨论理想MIS结构的C-V特性。将各种表面层状态下CS的表达式代入归一化的MIS结构电容公式。 1. 1. 多子多子堆积状态堆积状态 VG0
28、，Vs0微分电容表示式：2. 2. 平带状态平带状态 VG=0时，表面势时，表面势Vs=0,表面处表面处能带不发生能带不发生弯曲，弯曲，称做称做平带平带状态状态。 氧化层厚度一定时，掺杂浓度NA越高，堆积层厚度越薄，电容CFB越大。 氧化层厚度d0越大时，C0越小，电容CFB/C0越大。3.3.多子耗尽状态多子耗尽状态 VG为正：大小不足使表面处禁带中央能量为正：大小不足使表面处禁带中央能量Ei弯曲到费米能级以下，表面未反弯曲到费米能级以下，表面未反型，空间电荷区处于多子耗尽状态。型，空间电荷区处于多子耗尽状态。外加外加正电压正电压VG增大，表面处禁带中央能增大，表面处禁带中央能值值Ei可降到
29、可降到EF下，出现反型层。下，出现反型层。以表面处少子浓度以表面处少子浓度ns是否超过体内多子是否超过体内多子浓度浓度pp0为标志。为标志。4. 4. 反型状态反型状态 此时耗尽层厚度保持极大值，强反型状态下的表面微分电容为： 这是因为出现强反型之后，表面处的少数载流子浓度随Vs的增加而增加，大量少数载流子聚集在半导体表面，呈导通状态，相当于电荷在绝缘层两侧积累，类似只有绝缘层电容。 半导体表面出现强反型后，电容达到极小值，不随外加偏压VG而改变，如GH段。 反型层中的少子与多子复合的过程需要一定的弛豫时间，当频率足够大时，反型层中的少子数量不能随高频信号频率的变化而变化，对电容没有贡献。因此
30、空间电荷区电容仍然由耗尽层中多子的变化决定。MISMIS结构电容与频率有关结构电容与频率有关不同不同频率下频率下C-V特性曲线变化特性曲线变化大。大。在开始强反型时，低频信号测在开始强反型时，低频信号测得的电容得的电容值接近绝缘层值接近绝缘层的电容的电容C0。 温度一定， 是绝缘层厚度d0及衬底杂质浓度NA的函数。 d0一定，NA越大， 越大。min01/2000012(1ln()rrsArsAiCCk TNqdNn P P型半导体的型半导体的C-VC-V特性特性6.4.3 功函数差及绝缘层中电荷对C-V特性的影响WsWm，电子从金属流向半导体中。，电子从金属流向半导体中。在在p硅表面层内形成
31、带负电的空间电荷层，在硅表面层内形成带负电的空间电荷层，在金属金属表表面产生正电荷。面产生正电荷。实际实际MIS结构：结构：Al-SiO2-Si (p-type)意义：分析实验分析实验C-V曲线，曲线，可监控可监控集成电路集成电路生产制造生产制造工艺，以及对工艺，以及对MIS晶体管晶体管、可靠性可靠性物理及失效机理作物理及失效机理作基本基本分析。分析。 由于功函数差而产生的接触电势差部分降落在绝缘层，部分降落在半导体表面层，使能带在表面处发生弯曲。 在无偏压的情况下（VG=0），半导体表面层也不 是处于平带状态。 要要恢复平带状态，恢复平带状态，须在须在金属与金属与P P型半导体间型半导体间加
32、一加一定负电压，定负电压，抵消两者功函数不同引起的电场和抵消两者功函数不同引起的电场和能带弯曲。能带弯曲。恢复平带状态所需加的电压叫恢复平带状态所需加的电压叫平带电压，平带电压，以以V VFBFB表示。表示。 平带电压平带电压实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性VFB理想理想 实际实际C/C00VG功函数功函数和和绝缘层电荷绝缘层电荷的影响的影响考虑金属和半导体函数差时，MIS结构的C-V特性与理想的MIS结构相比较，只是平带点发生了变化。由原来的VG=0平行移动到VG=VFB。整个曲线的形状不变。实验测C-V曲线理想C-V曲线可以求出平带电容电压VFB归一化平带电容CFB/C
33、0另一另一种常见的实际情况是，种常见的实际情况是，MISMIS结构中绝缘层内存在电荷。结构中绝缘层内存在电荷。 面电荷分布：面电荷分布：假设在假设在SiO2中有一薄层正电荷，离中有一薄层正电荷，离Al表面距离为表面距离为x，单位面积上，单位面积上电量为电量为Q。AlP-SiSiO2EFE感生负电荷感生负电荷感生电场作用于半导体表面能带向下弯曲为了恢复平带状态，需要加一个负向偏压。 随着负向偏压的增大，由+Q电荷在半导体一边感生的负电荷完全消失，绝缘层电荷产生的电场完全出现在+Q电荷与金属的-Q电荷之间，而+Q电荷与半导体之间的电场为零，半导体恢复平带状态。 半导体恢复平带所加的电压就是半导体恢
34、复平带状态时，绝缘层+Q电荷与金属之间的电压。由高斯定理，金属与薄层电荷之间的电位移由高斯定理，金属与薄层电荷之间的电位移D等于电荷面密度等于电荷面密度Q，而，而D= r0 0 E ，有：有：Q=r0 0 E ，代入代入式式V FB=- E x中，则得中，则得VFB=-Ex，E金属与薄层电荷间电场强度。金属与薄层电荷间电场强度。 绝缘层单位面积电容绝缘层单位面积电容r00=C0d0，代入上式，代入上式，得得薄层电荷贴近半导体薄层电荷贴近半导体（x=d0），），上式有最大值，即上式有最大值，即贴近金属表面时贴近金属表面时（x=0）,VFB=0。平带电压与电荷在绝缘层的位置有关。结论：结论： 绝缘
35、层中电荷越接近半导体表面，对绝缘层中电荷越接近半导体表面，对C-V特性特性的影响越大的影响越大； 位于金属与绝缘层界面处时，对位于金属与绝缘层界面处时，对C-V特性没有特性没有影响。影响。 绝缘层中若存在非薄层电荷，而是某种体电荷分布。绝缘层中若存在非薄层电荷，而是某种体电荷分布。可分成无数层薄层电荷，由积分求出平带电压。可分成无数层薄层电荷，由积分求出平带电压。 体电荷分布：体电荷分布：设电荷密度为设电荷密度为 (x)，dx薄层内，薄层内，单位面积单位面积上电荷上电荷(x)dx。抵消这薄层电荷影响所加的平带电压为抵消这薄层电荷影响所加的平带电压为 为抵消整个绝缘层内电荷影响所需加的平带电压为
36、抵消整个绝缘层内电荷影响所需加的平带电压VFB为：为：VFB1理想理想绝缘层电荷绝缘层电荷C/C00VG功函数功函数VFB2 以上分析可知，当MIS结构绝缘层中存在电荷时，同样可以把理想的C-V特性曲线沿电压轴平移VFB的电压，得到实际的C-V特性曲线。 如果MIS结构既存在金属和半导体间的功函数差，又存在绝缘层中的电荷，那么C-V曲线所平移的平带电压时两种因素所产生的平带电压的综合结果。6.5 6.5 异质结异质结 同质结：在同一种半导体材料通过不同类型的掺杂而获得的PN结。 异质结：由两种不同半导体单晶材料构成的结。 异质结与同质结相比有许多不同的光电性质。一、根据导电类型分：（1）反型异
37、质结，PN结或NP结（2）同型异质结，NN结或PP结二、根据过渡区域的宽窄分：（1）突变异质结（2）缓变异质结6.5.1 异质结的分类：6.5.2 突变异质结的能带图： 异质结的能带图主要取决于：两种材料的电子亲和能、禁带宽度、导电类型以及界面态等多种因素。1 1、PNPN突变反型异质结的能带图（理想）突变反型异质结的能带图（理想） 导带阶： 价带阶：载流子堆积费米能级不同内建电场电子、空穴势能改变电子空穴移动 介电常数不同，内建电场在界面处不连续，势能不连续，能带在界面不连续。 平衡时，导带阶和价带阶仍然存在，且数值不变。2 2、其他几种突变异质结的能带图（理想）、其他几种突变异质结的能带图
38、（理想） 不同类型突变异质结的能带图中都存在“尖峰”和“凹口”。 不同的导电类型，“尖峰”和“凹口”的位置不同，对载流子的影响也不同。 组成异质结的两种半导体掺杂浓度不同时，“尖峰”和“凹口”的形状不同，也会影响载流子的运动。 同型的两种不同半导体结合成为异质结时，禁带宽度大的半导体一侧表面形成多子的耗尽，禁带宽度小的一侧表面形成多子积累。 反型异质结两侧均形成多子的耗尽。1.NP型2.NN型3.PP型3 3、界面态对能带图的影响、界面态对能带图的影响界面态的存在会影响异质结的能带图并进而影响异质结的电学性质。界面态产生的原因：晶格失配、异质结中两种半导体中的元素互相扩散。6.5.3 突变异质
39、结的电流电压特性不能用简单的模型讨论电流输运机制，必须根据界面处的情况跟别讨论。 在PN突变异质结中，当电子从N型半导体向P型半导体运动时，会受到尖峰势垒的阻挡。 尖峰不太高，I-V曲线与同质结类似。 尖峰较高，则I-V曲线发生明显变化。 通过异质结的电流主要为电子电流。 在正向偏压下，异质结具有更大的电流放大倍数。6.5.4 半导体超晶格 半导体超晶格是由交替生长的两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程的人造材料。 制造半导体超晶格的方法有：分子束外延MBE，金属有机化合物气相沉积MOCVD 半导体超晶格的分类： 1.成分超晶格：周期性改变薄层的成分。 2.掺杂超晶格：在同一块半导体材料中，周期性地改变各薄层的掺杂类型而形成的超晶格。 应用：量子阱激光器、量子阱光电探测器、调制掺杂场效应管等。 作业：
