半导体mis结构ppt

达姆在1932年用量子力学严格证明，晶体的自由 表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断， 引起附加能级，电子被局域在表面附近，这种电 子状态称为表面态，所对应的能级为表面能级。 每个表面原子对应一个能级，组成表面能带
从化学键方面分析，在晶体最外层的原子存在未 配对的电子，即未饱和的键－－悬挂键，与之对 应的电子能态就是表面态。
表面势为零，表面处能带不产生弯曲，即所谓 平带状态。
EFm
VG=0
Ec Ei
EFs Ev
特征：半导体表面能带平直。
（3）VG ＞ 0 耗 尽 状 态
表面势为正，能带下弯，价带顶位置比费米能级
VG ＞ 0
低得多。
①表面能带向下弯
EFm

Ec EEFi s
曲； ②表面上的多子浓
Ev
度比体内少得多，
QQmm
在VG＝0时，理想半导体的能带不发生弯 曲，即平带状态flat-band condition，有时也 称为一种状态。
一般情况讨论,以p型半导体为例： VG=0时,理想MIS结构的能带图
EFm
Eci
Ec Ei EFs Ev
Evi
在金属和P型半导体间加上电压，则将会 在半导体的表面层中产生空间电荷区，
•VG ＜0时，多子积累状态； •VG ＝0时，平带状态；
••VVGG＞00时时，，多少子子耗反尽型状状态态；；
下面分别加以说明（对P型半导体）：
考虑热平衡下的情况，此时半导体体内的费米能级 保持定值
（1）VG<0 多子空穴的积累
在热平衡时，半导体内的费米能级保持定值
EFm

Qm
VG<0
Ec Ei EFs
硅表面7× 7重构的原子照片

exp

qVs k0T

qVs k0T
1
LD
F

qVs k0T
,
np0 pp0

np0 / pp0 0, exp(Vs / kt) 0
rs0
1
LD
1/ 2

qVs 2k0T

代入LD表达式，同时考虑受主杂质电离饱和时pp0=NA，则Cs变为：
8.1 表面态：成因与特点
主要成因：理想晶体结构是无限延伸的格子，势场是周期性
连续的。实际晶体具有表面，晶格在表面处不完整，周期性
遭到破坏。
其他成因：晶体缺陷，吸附原子等。
理想表面的悬挂键
表面层
(Surface)
体材料 (bulk)
8.1 表面态：理想表面态的理论计算与密度
• 达姆表面能级：1932年达姆首先提出晶体自由表面的存在 使其周期场在表面处发生中断，同样引起附加能级，这种 能级称为达姆表面能级。
价带顶降低远离费米能级，价带内
空穴密度减小。
表面层空穴比体内空穴浓度低很多，VG>0 表面负电荷浓度基本等于电离受主 杂质浓度。
空间电荷区分布，金属侧QG正电
ρ(x)
荷，半导体侧少量负电荷。
p
外加电场E Ec Ei EF Ev
QG xd
8.2 表面电场效应：p型MIS反型状态
宏观分析：VG>>0，外加电场宏
,
np0 pp0


2r0
LD

k0T q
1/ 2 (Vs )1/ 2
结论：Es和Qs正比于(Vs)1/2，特性参见图8-6
讨论 (3)耗尽状态：空间电容

1. 空间电荷区电容Cs 空间电荷区电势满足泊松方程
d 2V dx2
(x) rs0
总的空间电荷(x)=q(nD+-PA-+Pp-np)
nD+电离施主,PA-电离受主，Pp，np为x点空穴、电子浓度
qV np np0 exp( k0T )
qV pp pp0 exp( k0T )
2 rs 0
( xd

x)2
在表面，X=0， 表面电势
V

qN A
2 rs 0
xd 2
代入耗尽电容 公式中
Cs

( N Aq rs 0 )1/ 2
2Vs

rs 0
xd
Cs

rs 0
xd
相当于一个平行板电容器的电容，表面势Vs增加， 耗尽层宽度加宽。
半导体空间电荷层中单位面积的电量为 Qs=-qNAxd

dQs C0
dVs
则MIS电容 为
C dQM dQs
dVG
dVG
将dVG代入，得
C



dQs dQs C0
dVs
Cs
dQs dVs

dQs dVs
C dQs
1

dQs C0
dVs
1 dQs C0 dVs
设Cs
dQs dVs

dQs dVs
表面能级：由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏， 在禁带中引入附加能级。
达姆表面能级：晶体自由表面 周期势场发生中断或破坏引入 的附加能级。
悬挂键：晶体自由表面的最外 层原子中有一个未配对的电子， 即未饱和的键。

≥0
n po ⎞ ∂ψ 2kT ⎛ ⎟ E=− F ⎜ βψ , =± ⎜ ⎟ qLD p ∂x po ⎠ ⎝
令ψ = ψS ,可确定表面处的电场： +： ψ > 0 - : ψ<0
n po ⎞ 2kT ⎛ ⎟ Es = ± F ⎜ βψ s , ⎜ ⎟ qLD p po ⎠ ⎝
产生该电场所需的单位面积空间电荷 ：
1. 1 理想 M I S 结构的能带图象:
V=0时的能带图 绝缘体电子亲合势 金属与绝缘体 之间的势垒
n 型半导体
(4)
p 型半导体
理想 M I S 二极管定义： 1）在零偏置下，金属功函数和半导体功函数之间的差为零。
n 型半导体： φ ms
≡ φm − (χ + ≡ φm − (χ +
Eg 2q Eg 2q
第四章 M I S 结构 和场效应晶体管
4-1 MIS 结构
金属-绝缘体-半导体结构
主要内容： 1。理想的MIS 结构 2。Si-SiO2 MOS 结构
(2)
金属-绝缘体-半导体(MIS)二极管结构 约定： 金属对欧姆接触正向偏置Æ电压V为正 金属对欧姆接触负向偏置Æ电压V为负
(3)
1。理想的MIS结构
∫
0
∂ψ ⎛ ∂ψ ⎞ q d⎜ ⎟=− ∂x ⎝ ∂x ⎠ εs
2
∫ [p
ψ
0
− βψ βψ ( e − 1 ) − n ( e − 1) d ψ po po
]
得到电场 E 与电势 ψ 的关系：
⎛ 2kT ⎞ Ε =⎜ ⎜ q ⎟ ⎟ ⎝ ⎠
2
⎛ qp po β ⎜ ⎜ 2ε s ⎝
⎤ n p o βψ ⎞ ⎡ − βψ ⎟ + βψ − 1) + (e − βψ − 1)⎥ ⎟ ⎢( e p po ⎥ ⎠⎢ ⎣ ⎦