理想MOS结构的表面空间电荷区

反型层中单位面积的可动电荷，又称沟道电荷。 对于P型半导体，QI就是反型层中单位面积的感 生电子电荷。
S
i
1. 载流子的积累
当紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓 度时，称为载流子积累。
当金属电极上加负电压时，在半导体表面形成负表面电势 S ，
表面空间电荷区中能带向上弯曲，由于费米能级EF保持常数， 能带向上弯曲使接近表面处有更大的Ei-EF，与体内相比，在表 面处有更高的空穴浓度和更低的电子浓度，使空穴在表面积累，
三 载流子的积累、耗尽和反型
空间电荷区静电势 (x) 的出现改变了空间电荷区中的能带
图。根据VG极性和大小，有可能实现三种不同的表面情况： ① 载流子积累； ② 载流子耗尽； ③ 半导体表面反型。
设半导体体内本征费米能级为Ei0，则空间电荷区内：
Ei (x) Ei0 q(x)
在半导体表面处有：
表面存在“悬挂键”，对电子有受主的性质，存在 一些可以容纳电子的能量状态，称为“表面能级”或“ 表面态”。
表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准连续。
表面势
空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到零，其 各点电势也要发生变化，这样表面相对体内就产生电势差，并伴随 能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差为表面势ΨS。
强反型层，这称为强反型条件 ，令ns=p0，可得：
Si 2f 强反型条件
强反型时的表面势
n n e[s f ]/VT
s
i
p0
p ef /VT i
实现强反型之后，如果继续增加偏 压VG，能带弯曲并不显著增加。
因为：导带电子在很薄的强反型层 中迅速增加以屏蔽外电场，从而使 空间电荷区的势垒高度、固定的受 主负电荷以及空间电荷区的宽度基 本保持不变。
强反型时相应的感生PN结耗尽层宽度为：
xdm
2 s Si
qNa
4 sf
qNa
强反型时空间电荷区的宽度
电离受主QB为：
S
qNa xd2
2 s
Si 2f
QB qNa xdm 2qs NaSi 4qs Naf
超过强反型以后，表面区内的空间电荷由以下条件确定：
QS QI QB QI qNa xdm
表面感应电荷为QS=－QM。在外电场的作用下，在半导体表面 形成具有相当厚度（μｍ）的空间电荷区，它对电场起到屏蔽 作用。空间电荷区的形成是由于自由载流子的过剩或欠缺以 及杂质能级上电子浓度的变化引起的。
电场 ℰ 从半导体表面到内部逐渐减弱，直到空间电荷区内边界
上基本全部被屏蔽而为零。则每个极板上的感应电荷与电场之 间满足如下关系：
理想MOS结构的 表面空间电荷区
1.结构与工作原理 2.半导体表面空间电荷区 3.载流子的积累、耗尽和反型 4.反型和强反型的条件
前言：
半导体器件的特性与半导体表面特征性质有特 别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展的今 天，半导体器件的制造相当多是在很薄的一层表面 内完成的（几个微米甚至更小），因而，如何有效 控制和完善半导体的表面质量，从而进一步利用半 导体表面效应，可用来制造例如MOS（金属-氧化 物-半导体）器件、CCD（电荷耦合器件）、LED （发光二极管）、LCD（液晶显示）、半导体激光 等表面发光器件，以及太阳能电池等表面感应器件。
一 结构
MOSFET结构示意图
源极、衬底和漏极构成两个背靠背的二极管。在不加栅压 时，只能有很小的反向饱和电流通过源漏极。当栅压足够 大时，栅极下面半导体会反型。
衬底N型半导体－P型反型层－P沟道MOSFET 衬底P型半导体－N型反型层－N沟道MOSFET
反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电 子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本上不再增加。
单位面积下的总电荷QS为:
QS QB qNa xd 采用耗尽近似，根据泊松方程有：
QB: 半 导 体 空 间 电 荷 区 中 单 位 面积下的受主离子总电荷
表面势
s
qNa xd2
2 s
xd
2 ss
qNa
(x)
s (1
x xd
)2
d2
d2x
qNa
s
载流子耗尽
3. 载流子反型
在耗尽基础上进一步增加偏压VG，MOS系统半导体表面空间 电荷区中的能带进一步下弯。大的能带弯曲使硅表面及其附近 的禁带中央能量Ei超越恒定的费米能级，即来到费术能级EF的 下面。
n
n e(EF Ei i
)/
KT
p
p e(Ei EF ) / KT i
Eis Ei0 qs
令：
f
(Ei0 EF ) q
为半导体内的费米势
可以得到：
n n e(EF Ei0 ) / KT
0
i
p p e(Ei0EF ) / KT
0
i
n
n e(EF Ei i
)/
KT
p
p e(Ei EF ) / KT i
半导体表面层的载流子分布：
Ei (x) Ei0 q(x)
f
(Ei0 EF ) q
n(x) n0e(x)/VT
nS
n eS /VT 0
OR
n0 nief /VT
n(x)
n e[ ( x)f i
] / VT
n n e[S f ]/VT
S
i
n n e(EF Ei0 ) / KT
0
i
p p e(Ei0EF ) / KT
增加表面的电导率。
表面电荷为：
QS
q
xd [ p(x)
0
p0 ]dx
QS
q
xd [ p(x)
0
p0 ]dx
载流子积累
2. 载流子耗尽
当金属电极上施加正偏压VG时，表面势 S 为正，空间电荷区 中能带向下弯曲，准费米能级能级Ei靠近费米能级EF, (Ei –EF) 值减小，表面空穴浓度低于体内热平衡值，造成多数载流子空 穴的耗尽，少数载流子电子有所增加。当由于平衡少子数目极 小，因此，少子数目仍然可以忽略。 空间电荷由没有空穴中和的、固定的受主离子构成。
理想表面（清洁表面）
原子完全有规则排列所终止的一个平面。
表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形成共价键， 但由于表面价键处于所谓“悬挂键”的空置状态，其状 态极其不稳定，表面很容易吸附一些其他原子例如空气 中的氧原子而形成氧化层。
真实表面
用物理或化学方法形成的半导体表面，暴露在 空气中，存在氧化层或吸附其他原子。
s f
反型条件
n n e[s f ]/VT
s
i
当表面势等于体内费米势时，半导体表面开始反型
但除非EiS低于EF很多，否则电子浓度很低，这种现象叫做弱 反型；对于大多数MOSFET运用来说，希望确定一种条件， 在超过它之后，反型层中的电子电荷浓度相当高，规定当表
面电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时，半导体表面形成
使得：少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度，而多数载流 子空穴的浓度低于本征载流子浓度。这一层半导体由P型变成 N型，称为反型层，即载流子反型。
n nie(EF Ei ) / KT
p
p e(Ei EF ) / KT i
载流子反型
四 反型和强反型的条件
当nS=ni时，半导体表面呈现本征状态，此后，再增加 S，半 导体表面就会发生反型，则有：
二 半导体表面空间电荷区
理想MOS结构假设：
① 在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷 ② 金属和半导体之间的功函数差为零 ③ SiO2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过
因此：
即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，使得 整个表面空间电荷区中费米能级为常数。
ℰ0为SiO2层的内建电场，QM为金属极板上的电荷，则半导体
QM QS 0 ssE
εsE：半导体表面电场 在空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体内之间产生电位 差，半导体表面的电势，称为表面势 S 。在加上电压VG时，外 加电压VG为跨越氧化层的电压V0和表面势 S 所分摊，即有：
VG V0 S
金属-氧比物和P型半导体的电EF Ei i
)/
KT
p
p e(Ei EF ) / KT i
半导体表面层的载流子分布：
Ei (x) Ei0 q(x)
f
(Ei0 EF ) q
p(x)
p e ( x) /VT 0
ps
p eS /VT 0
OR
p0
p ef /VT i
p(x) nie[f ( x)]/VT
p n e(f S ) /VT