半导体表面和MIS结构
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半导体表面与MIS结构
28照x射线射线电子射线等原因感应出空间电荷生成曲线2是加正偏加温处理后钠离子移到靠近半导体表面处对cv影响最大cv曲线向左移动到2处再加负偏压下在一定t下退火后钠离子又移到靠近铝和二氧化硅交界处但二氧化硅中保留部分残余钠离子cv特性部分恢复如曲线3所示测出图中1及2平带电压差vfb即可算出二氧化硅中每单位面积上的钠离子电荷量qnac0vfb882c0单位面积二氧化硅电容可算单位面积钠离子数结论高频mos电容电压特性测试时研究mos器件半导体界面特性的重要方法可测试
表面层电势为V的x点（取半导体内电势为零），电子
和 空穴的浓度分别为
EC(x)=EC0-qV(x)
np
NC
exp[
( EC 0
qV (x)) k0T
EF
]
VG>0
多子耗尽
qV
EC
n p0 exp( k0T ) (8 17)
Ei EEFV
qV p p p p0 exp( k0T )
(8 18)
反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还夹 着一层耗尽层。 此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成， 一是耗尽层中已电离的受主负电荷， 一是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区。
EC Ei EEF V VG>>0
少子反型
归纳：
MI
S
VG<0
多子堆积
VG>0
多子耗尽
第八章 半导体表面与MIS结构
表面态。
Si Si Si
悬挂键的存在，表面可 与体内交换电子和空穴
Si Si Si
获得电子—带负电 获得空穴—带正电
硅表面悬挂键示意图
硅表面原子密度∽1015cm-2,悬挂键密度也应为∽ 1015cm-
表面层电势为V的x点（取半导体内电势为零），电子
和 空穴的浓度分别为
EC(x)=EC0-qV(x)
np
NC
exp[
( EC 0
qV (x)) k0T
EF
]
VG>0
多子耗尽
qV
EC
n p0 exp( k0T ) (8 17)
Ei EEFV
qV p p p p0 exp( k0T )
(8 18)
反型层发生在近表面，从反型层到半导体内部还夹 着一层耗尽层。 此时半导体空间电荷层内负电荷由两部分组成， 一是耗尽层中已电离的受主负电荷， 一是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区。
EC Ei EEF V VG>>0
少子反型
归纳：
MI
S
VG<0
多子堆积
VG>0
多子耗尽
第八章 半导体表面与MIS结构
表面态。
Si Si Si
悬挂键的存在，表面可 与体内交换电子和空穴
Si Si Si
获得电子—带负电 获得空穴—带正电
硅表面悬挂键示意图
硅表面原子密度∽1015cm-2,悬挂键密度也应为∽ 1015cm-
半导体表面与MIS结构
P区
VG N+区
SiO2层
VI
栅控二极管结构示意图
VD为p-n结内建电势
当 Vs~2VB(VG=VT)时，若忽略x方向电势降 qVs~2qVB~VD
• VI = VR < 0（p-n结处于反偏状态）
① VG = 0时
② VG > 0时
• 开启电压VT • 感应结最大
耗尽层宽度
VG=0
栅电极（金属层）
（4）半导体表面氧化层中的陷阱电荷
都对半导体个表面特性产生重大影响。若氧化层中电荷过大， 导致p-n结击穿特性不好而出现低击穿
为了提高器件性能，除去不稳定性，发明种种技术来稳 定 表面性质，这一过程称为表面钝化
（1）在SiO2薄膜上再淀积一层对钠离子有阻挡作用的 钝化膜，
例如磷硅玻璃、氧化铝、氮化硅薄膜等。
界面态分类：一般分为施主（能级被电子占据时呈电 中性，施放电子后呈正电性）和受主（能级空时为电中性， 接受电子后带负电）两种
电子占据施主截面态的分布函数为
fsA( EsA)
1
1
1 exp( EF
EsA )
g
k 0T
单位面积上界面态上的电子数目为
积分后得
n( EsD)
Ns[ 1
1
1 exp( EsD
正常P-n结的反偏电流：为空间电荷区域的激发复合电流 而表面电场作用下，处此之外亦有表面反型层电子所形成 的电流
冶金结耗尽层区的产生电流：
IgM qGMJxDAMJ
场感应结耗尽层区的产生电流：
IgF qGFJxdmAs
当表面耗尽而未反型时表面耗尽区贡献的产生电流：
Igs qGsAs
半导体表面与MIS结构..
② 对多数载流子起散射作用，降低表面迁移率，影响表面电导。 ③ 产生垂直半导体表面的电场，引起表面电场效应。
补充：金属半导体接触及其能级图（复习）
金属和半导体的功函数
功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它 足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数
E0为真空电子能级
金属中的电子势阱
Wm = E0 - (EF)m
表面驰豫：沿垂直表面方向偏离平衡位置 清洁表面
表面重构：沿平行表面方向偏离平衡位置
硅理想表面示意图
表面能级示意图
一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级
2.表面态
体内：周期性势场因晶体的不完整性（杂质原子或晶格缺陷） 的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级。
表面：在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性
绝缘层 外表面吸附的离子 ④ MOS或MIS 结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时 ⑤ 离子晶体的表面和晶粒间界
2.空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）
外加表面电场
空间电荷层
表面势
空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度
的“空间电荷层”或叫“空间电荷区”，其宽度从零点几微米到几个微
米。
MIS结构
表面空间电荷区内能带的弯曲
假设：金半接触的功函数差为零；绝缘层内无电荷； 绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。
金属中自由电 荷密度高，电 荷分布在一个 原子层的厚度
自由载流子密度要低得多
注意研究的区域
表面电场和表面势
表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生 相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发 生弯曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。
补充：金属半导体接触及其能级图（复习）
金属和半导体的功函数
功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它 足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数
E0为真空电子能级
金属中的电子势阱
Wm = E0 - (EF)m
表面驰豫：沿垂直表面方向偏离平衡位置 清洁表面
表面重构：沿平行表面方向偏离平衡位置
硅理想表面示意图
表面能级示意图
一定条件下，每个表面原子在禁带中对应一个表面能级
2.表面态
体内：周期性势场因晶体的不完整性（杂质原子或晶格缺陷） 的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级。
表面：在垂直表面的方向上破坏了原来三维无限晶格的周期性
绝缘层 外表面吸附的离子 ④ MOS或MIS 结构中，在金属栅极和半导体间施加电压时 ⑤ 离子晶体的表面和晶粒间界
2.空间电荷层和表面势（金属与半导体间加电压）
外加表面电场
空间电荷层
表面势
空间电荷层：为了屏蔽表面电场的作用，半导体表面所形成有一定宽度
的“空间电荷层”或叫“空间电荷区”，其宽度从零点几微米到几个微
米。
MIS结构
表面空间电荷区内能带的弯曲
假设：金半接触的功函数差为零；绝缘层内无电荷； 绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态。
金属中自由电 荷密度高，电 荷分布在一个 原子层的厚度
自由载流子密度要低得多
注意研究的区域
表面电场和表面势
表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生 相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发 生弯曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。
半导体物理第八章
dx2
ρx =−
εrε0
=
−
q εrε0
⎡⎣
pp0
e−qV /k0T −1
− np0
eqV /k0T −1 ⎤⎦
(5)
上式两边乘dV并积分，可得
∫ ∫ [ ( ) ( )] dV dx
dV
d⎜⎛ dV
⎟⎞
=
−
q
0 dx ⎝ dx ⎠ ε rε0
V 0
p p0 e−qV / k0T −1 − n p0 eqV / k0T −1 dV
3、VG > 0,表面处Ei与EF重合，表面本征型
E VG > 0
MI S
Ec Ei
++++++++++
EF
Ev
nS = ni exp[(ESF − Ei )/ kT] pS = pi exp[(Ei − ESF )/ kT]
表面处于本征型, VS >0.
pS = nS = ni
4、VG >>0，表面反型
VG-VT 由绝缘层承受。 ¾应用：MOSFET(MOS场效应晶体管)
¾ 前面讨论的是空间电荷区的平衡态，VG不变或者变化 速率很慢，空间电荷区载流子浓度能跟上VG的变化。
¾ 以下讨论非平衡状态-深耗尽状态， VG为高频信号或 者阶跃脉冲，空间电荷区少子来不及产生和输运。
5、VG >>0，加高频或脉冲电压，表面深耗尽。
¾深耗尽和反型是同一条件下不同时间内的表面状况 ¾深耗尽状态的应用：制备CCD等。
6、平带VS=0
对理想MIS结构VS=0时，处于平带。
8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容
ρx =−
εrε0
=
−
q εrε0
⎡⎣
pp0
e−qV /k0T −1
− np0
eqV /k0T −1 ⎤⎦
(5)
上式两边乘dV并积分，可得
∫ ∫ [ ( ) ( )] dV dx
dV
d⎜⎛ dV
⎟⎞
=
−
q
0 dx ⎝ dx ⎠ ε rε0
V 0
p p0 e−qV / k0T −1 − n p0 eqV / k0T −1 dV
3、VG > 0,表面处Ei与EF重合，表面本征型
E VG > 0
MI S
Ec Ei
++++++++++
EF
Ev
nS = ni exp[(ESF − Ei )/ kT] pS = pi exp[(Ei − ESF )/ kT]
表面处于本征型, VS >0.
pS = nS = ni
4、VG >>0，表面反型
VG-VT 由绝缘层承受。 ¾应用：MOSFET(MOS场效应晶体管)
¾ 前面讨论的是空间电荷区的平衡态，VG不变或者变化 速率很慢，空间电荷区载流子浓度能跟上VG的变化。
¾ 以下讨论非平衡状态-深耗尽状态， VG为高频信号或 者阶跃脉冲，空间电荷区少子来不及产生和输运。
5、VG >>0，加高频或脉冲电压，表面深耗尽。
¾深耗尽和反型是同一条件下不同时间内的表面状况 ¾深耗尽状态的应用：制备CCD等。
6、平带VS=0
对理想MIS结构VS=0时，处于平带。
8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容
半导体物理学第八章知识点
第8章 半导体表面与MIS 结构许多半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切关系，例如，晶体管和集成电路的工作参数及其稳定性在很大程度上受半导体表面状态的影响；而MOS 器件、电荷耦合器件和表面发光器件等，本就是利用半导体表面效应制成的。
因此．研究半导体表面现象，发展相关理论，对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及开发新型器件等都有着十分重要的意义。
§8.1 半导体表面与表面态在第2章中曾指出，由于晶格不完整而使势场的周期性受到破坏时，禁带中将产生附加能级。
达姆在1932年首先提出：晶体自由表面的存在使其周期场中断，也会在禁带中引入附加能级。
实际晶体的表面原子排列往往与体内不同，而且还存在微氧化膜或附着有其他分子和原子，这使表面情况变得更加复杂。
因此这里先就理想情形，即晶体表面无缺陷和附着物的情形进行讨论。
一、理想一维晶体表面模型及其解达姆采用图8-l 所示的半无限克龙尼克—潘纳模型描述具有单一表面的一维晶体。
图中x ＝0处为晶体表面；x ≥0的区域为晶体内部，其势场以a 为周期随x 变化；x ≤0的区域表示晶体之外，其中的势能V 0为一常数。
在此半无限周期场中，电子波函数满足的薛定谔方程为)0(20202≤=+-x E V dx d m φφφη (8-1))0()(2202≥=+-x E x V dx d m φφφη (8-2)式中V (x)为周期场势能函数，满足V (x +a )=V(x )。
对能量E ＜V 0的电子，求解方程(8-1)得出这些电子在x ≤0区域的波函数为 ])(2ex p[)(001x E V m A x η-=φ (8-3) 求解方程(8-2)，得出这些电子在x ≥0区域中波函数的一般解为kx i k kx i k e x u A e x u A x ππφ22212)()()(--+= (8-4)当k 取实数时，式中A 1和A 2可以同时不为零，即方程(8-2)满足边界条件φ1(0)=φ2(0)和φ1'(0)=φ2'(0)的解也就是一维无限周期势场的解，这些解所描述的就是电子在导带和价带中的允许状态。
半导体物理刘恩科8半导体表面与MIS结构
理想表面就是指表面居中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且 表面上不附着任何原子成分子的半无限晶体表面。因晶格在表面处突 然终止，在表面外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未 饱和的键，这个键称作悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态；
表面有大量的原子键被断开而需要大量的能量，形成表面能； 为降低表面能，表面和近表面的原子层间距发生变化而出现表面弛豫
ei( k )a ei( k )a
1 1
考虑x=0处函数连续得到的系数方程组
eika sin(a) cos(a)
6
如同体内讨论相似，同样可表达为： P sin(a) cos(a) 1 a
满足此方程的E解构成能带，不满足此方程的解构成禁带。在半导体表面
得到的上方程右边为实数，为保证左边也为实数，k只能取(n为整数):
称为德拜长度，引入了F函数
F (x, y) [ex x 1) y(e x x 1)]1/ 2
是表征半导体空间电荷层性质的一个重要参数
16
半导体表面处的电场强度为
Es
2k0T qDL
F( qVs k0T
,
np0 ) pp0
表面的电荷面密度：根据高斯定理得到 Qs r 0 Es
式中的负号是因为规定电场强度指向半导体内部时为正
电荷全由已电离的受主杂质构成，若半导体接杂是均匀的．则空间
电荷层的电荷密度ρ(x)＝一qNA，泊松方程为
d 2V qN A
dx2 r 0
设xd为耗尽层宽度，因半导体内部电场强度为零，由此得边界xd处dV/dx
＝0，上式积分，得
dV dx
qN A r 0
( xd
x)
取半导体内部电势为零，xd处V＝0， V
表面有大量的原子键被断开而需要大量的能量，形成表面能； 为降低表面能，表面和近表面的原子层间距发生变化而出现表面弛豫
ei( k )a ei( k )a
1 1
考虑x=0处函数连续得到的系数方程组
eika sin(a) cos(a)
6
如同体内讨论相似，同样可表达为： P sin(a) cos(a) 1 a
满足此方程的E解构成能带，不满足此方程的解构成禁带。在半导体表面
得到的上方程右边为实数，为保证左边也为实数，k只能取(n为整数):
称为德拜长度，引入了F函数
F (x, y) [ex x 1) y(e x x 1)]1/ 2
是表征半导体空间电荷层性质的一个重要参数
16
半导体表面处的电场强度为
Es
2k0T qDL
F( qVs k0T
,
np0 ) pp0
表面的电荷面密度：根据高斯定理得到 Qs r 0 Es
式中的负号是因为规定电场强度指向半导体内部时为正
电荷全由已电离的受主杂质构成，若半导体接杂是均匀的．则空间
电荷层的电荷密度ρ(x)＝一qNA，泊松方程为
d 2V qN A
dx2 r 0
设xd为耗尽层宽度，因半导体内部电场强度为零，由此得边界xd处dV/dx
＝0，上式积分，得
dV dx
qN A r 0
( xd
x)
取半导体内部电势为零，xd处V＝0， V
《半导体物理》习题答案第八章
第8章 半导体表面与MIS 结构2.对于电阻率为8cm Ω⋅的n 型硅，求当表面势0.24s V V =-时耗尽层的宽度。
解：当8cm ρ=Ω⋅时：由图4-15查得1435.810D N cm -=⨯∵22D d s rs qN x V εε=-，∴1022()rs s d D V x qN εε=-代入数据：11141352219145211.68.85100.24 4.9210()()7.3101.610 5.8109.2710d x cm -----⨯⨯⨯⨯⨯==⨯⨯⨯⨯⨯3.对由电阻率为5cm Ω⋅的n 型硅和厚度为100nm 的二氧化硅膜组成的MOS 电容，计算其室温（27℃）下的平带电容0/FB C C 。
解：当5cm ρ=Ω⋅时，由图4-15查得143910D N cm -=⨯；室温下0.026eV kT =，0 3.84r ε=（SiO 2的相对介电系数） 代入数据，得：1141/20002197722110.693.84(11.68.85100.026)11()11.6 1.61010010310FBr rs rs A C C kT q N d εεεε---===⨯⨯⨯+⋅+⨯⨯⨯⨯⨯此结果与图8-11中浓度为1⨯1015/cm 3的曲线在d 0=100nm 的值非常接近。
4. 导出理想MIS 结构的开启电压随温度变化的表示式。
解：按定义，开启电压U T 定义为半导体表面临界强反型时加在MOS 结构上的电压，而MOS结构上的电压由绝缘层上的压降U o 和半导体表面空间电荷区中的压降U S （表面势）两部分构成，即oST S Q U U C =-+ 式中，Q S 表示在半导体表面的单位面积空间电荷区中强反型时的电荷总数，C o 单位面积绝缘层的电容，U S 为表面在强反型时的压降。
U S 和Q S 都是温度的函数。
以p 型半导体为例，强反型时空间电荷区中的电荷虽由电离受主和反型电子两部分组成，且电子密度与受主杂质浓度N A 相当，但反型层极薄，反型电子总数远低于电离受主总数，因而在Q S 中只考虑电离受主。
半导体物理西交课件-半导体表面和MSI结构
2
u 'k (0) + i 2π k uk (0)
2
（8-14）
k为复数时波函数特点：
1/ 2 m V E 2 − ( ) 0 0 x ; ( x ≤ 0) A exp h ψ ( x) = i 2π k ' x −2π k " x A u ( x ) e e ;( x ≥ 0) 1 k
x→∞
1/ 2 2m0 (V0 − E ) ψ ( x ) = A exp 波函数有限： 1 h
x （8-4）
x （8-3）
表面态
( x ≥ 0)区域的波函数：
ψ 2 ( x) = A1uk ( x)ei 2π kx + A2u− k ( x)e − i 2π kx
表面电场效应
从理想的MIS结构出发，讨论外加电场作用下， 半导体表面层内发生的现象。 理想MIS结构： 金属与半导体间功函数差为零 绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电 绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态
表面电场效应
MIS结构的一般性静电特性
表面电场效应
表面电场效应
整体电中性： 绝缘层中电场均匀：
但是表面处Ei仍位于费米能级以上：
此时：V、Vs>0，又np0/pp0<<1， np0/pp0和e-qV/k0T均可略去
qVs n p 0 qVs F , = kT p p0 k0T 0
2 k0T 1/ 2 Es = V s LD q
qVs 2ε rsε 0 k0T Qs = exp − qLD 2 k T 0 qVs ε rsε 0 Cs = exp − LD 2k0T
u 'k (0) + i 2π k uk (0)
2
（8-14）
k为复数时波函数特点：
1/ 2 m V E 2 − ( ) 0 0 x ; ( x ≤ 0) A exp h ψ ( x) = i 2π k ' x −2π k " x A u ( x ) e e ;( x ≥ 0) 1 k
x→∞
1/ 2 2m0 (V0 − E ) ψ ( x ) = A exp 波函数有限： 1 h
x （8-4）
x （8-3）
表面态
( x ≥ 0)区域的波函数：
ψ 2 ( x) = A1uk ( x)ei 2π kx + A2u− k ( x)e − i 2π kx
表面电场效应
从理想的MIS结构出发，讨论外加电场作用下， 半导体表面层内发生的现象。 理想MIS结构： 金属与半导体间功函数差为零 绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电 绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态
表面电场效应
MIS结构的一般性静电特性
表面电场效应
表面电场效应
整体电中性： 绝缘层中电场均匀：
但是表面处Ei仍位于费米能级以上：
此时：V、Vs>0，又np0/pp0<<1， np0/pp0和e-qV/k0T均可略去
qVs n p 0 qVs F , = kT p p0 k0T 0
2 k0T 1/ 2 Es = V s LD q
qVs 2ε rsε 0 k0T Qs = exp − qLD 2 k T 0 qVs ε rsε 0 Cs = exp − LD 2k0T
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平带电压
VFB Q fc C0
单位表面积的固定 正电荷数目 Q fc N fc q
8.4.3在Si-SiO2界面处的快界面态
Si-SiO2系统中位于两者界面处的界面态就是来 自于悬挂键，即所谓塔姆能级。
硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密 度，同样引入界面态。 在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态，这 些界面态位于Si-SiO2界面处，所以可以迅速地 和Si半导体内导带或价带交换电荷，故此称为 “快态”。
理想MIS结构:
金属的功函数与半导体相同（Vms=0） 绝缘层中没有电荷存在且绝缘层不导电（Qo=0） 半导体与绝缘层接触界面没有表面态（Qss=0）
M I S
VG
i
MIS结构的微分电容公式:
C 1 CO 1 CO CS
① VG<0 VS<0 表面积累, CS很大, (C/Co)→1, MIS结构的电容呈现为Co
当表面处于深耗尽--随VG增加, d增加 (>dM), MOS结构的电容不再呈现为最小 值.
C 1 CO 1 ro d rs dO
8.3.4 实际MIS结构的C-V特性
(1) 功函数差异的影响 平带电压 ——为了恢复半导体表面平带状态需要 加的电压. 考虑功函数差异的影响: VFB= - Vms
第8章 半导体表面和MIS结构
本章内容： 表面态概念 表面电场效应 MIS结构电容-电压特性 硅-二氧化硅系统性质
8.1表面态
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，且表面不附着任何原子或分子 的半无限晶体表面。 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级分布 （产生附加能级），这些状态称为表面态或达 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，形成准连续的能带，分布在禁带内。
MIS结构的电容-电压特性
MIS结构的微分电容 理想MIS结构的低频C-V特性 理想MIS结构的高频C-V特性 实际MIS结构的C-V特性
8.3.1 MIS结构的微分电容
栅压——VG= VO+ VS 当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷 面密度 —— QS = - QG MIS结构的微分电容——C dQG/dVG
2VB
Qm qN Adm
1
1/ 2
归一化电容
C CO
L 1 ro D rs d 0
np0 qVs exp p k T p0 0
8.3.3理想MIS结构的高频C-V特性
♦ 表面积累,表面耗尽,高低频特性一样 ♦ VG> VT， VS> 2VB, 表面强反型 高频时,反型层中电子的增减跟不上频率 的变化,空间电荷区电容呈现的是耗尽层电 容最小值 rs 0 CdM dM
C CO
1
ro 2 ro 0Vs 1 rs do N A q
1 2
④ V G> VT, VS> 2VB 表面强反型, CS很大, (C/Co)→1 阈值电压(开启电压)[半导体表面刚达到强反 型时所加的栅压]
Qm VT VO VS COX
Cs
rs 0
xd
8.2.2 各种表面层状态
（4）少数载流子反型状态（反型层， VG＞0 ）
①开始出现反型层的条件：
Ec Ei 0 Ef Ev
Ei EF
Ei Ei 0 (q)V ( x) 1 所以， Vs Ei 0 EF f q
表面势＝费米势时 反型层的条件： Vs f
C CO
1 qVs 1 exp rs 0 2k0T CO LD
② VG=0, VS=0 平带状态，归一化平带电容
CFB CO 1
ro rs 0 k0T 1 2 2 rs 0 q N A d0
1/ 2
③ VG>0, 0<VS< 2VB 表面耗尽
E f Eis Ei 0 E f q f
Ei 0 Eis 2q f
1 由Eis Ei 0 qVs，所以 Vs Ei 0 Eis 2 f ，即： Vs 2 f q
2k0T N A 强反型层条件： Vs 2 f q ln n i
8.2.2 各种表面层状态
（1）多数载流子堆积状态（积累层）
Ec
E fM
Ei E fs Ev
VG<0时，电场由体内指向表
（1）积累层（VG＜0） （Vs<0）
面，能带向上弯曲，形成空 穴势阱，多子空穴被吸引至 表面附近，因而表面空穴浓 度高于体内，形成多子积累， 成为积累层。
表面微分电容
Cs
减少界面态的方法 合理地选择面原子密度小的晶面，如 （100）晶面上生长SiO2，会减小未饱和的 悬挂键的密度，从而使界面态密度下降 通过选择在适当的条件和气氛下对SiSiO2系统进行退火，来降低表面态的密度
8.4.4 SiO2中的陷阱电荷
Si－SiO2系统在器件工艺，测试或应用中常常 会受高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时，可 以在氧化层中产生电子－空穴对。在偏压作用 下，电子－空穴对中的电子容易运动至外加偏臵 电路形成电流，而空穴即被SiO2层中的陷阱陷落 而运动不到电极中去，那么氧化层就带上了正电 荷，这就是陷阱电荷。 Si－SiO2系统C-V特性向负偏压方向平移而出 现平带电压 陷阱电荷在惰性气体中，在 300度以上进行低 温退火，可以很快消除
♦ MIS结构的电容也呈现最小值
——不再随偏压VG呈现显著变化
Cmin 1 1 CO 1 CO 1 ro d M CdM rs dOX
深耗尽状态
当偏压VG的变化十分迅速, 且其正向幅 度大于VT,则: 即使表面势VS>2VB ,反型层也来不及建 立, 耗尽层宽度随偏压幅度的增大而增 大--深耗尽状态
作偏压–温度实验，可以测量二氧化 硅中单位面积上的Na离子电荷量：
QNa Co VFB
单位面积钠离子电荷数：
N Na
QNa q
可动钠离子对器件的稳定性影响最大 （1）漏电增加，击穿性能变坏 （2）平带电压增加 如何解决钠离子玷污的问题 （1）把好清洁关 （2）磷蒸汽处理
8.4.2 二氧化硅中的固定表面 电荷
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 子能态就是表面态。 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，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。
8.2.2 各种表面层状态
p型半导体
金属与半导体间加负压，多子堆积
金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽
金属与半导体间加高正压，少子反型
8.2.2 各种表面层状态
n 型半导体
金属与半导体间加正压，多子堆积
金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽
金属与半导体间加高负压，少子反型
§8.3
1 dVG dVO dVS C dQG dQG dQG
定义 氧化层电容——
dQG ro 0 CO dVO do
空间电荷区电容——
dQS CS dVS
则有
1 1 1 C CO CS
C 1 CO 1 CO CS
8.3.2 理想MIS结构的低频C-V特性
eVs
8.2.2 各种表面层状态
②强反型层出现的条件：Ｐ型衬底表面处的电子密度等于体内 的空穴浓度时。
Ec
Ei 0 Ef Ev
Ef Eis
E f Eis ns ni exp kT E Ef p0 ni exp i 0 kT p0 n s
1.外加电场 表面空间电荷区的形成： 2.接触电势差 3.表面态
外加电场作用于半导体表面
8.2表面电场效应 8.2.1空间电荷层及表面势
电场
电势
电子势能
表面能带
8.2表面电场效应 8.2.1空间电荷层及表面势
表面势：空间电荷层两端的电势差为表 面势，以 Vs 表示之，规定表面电势比内 部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。 三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子 反型。
二氧化硅层中固定电荷有如下特征 电荷面密度是固定的 这些电荷位于Si-SiO2界面200Å 范围以内 固定表面电荷面密度的数值不明显地受 氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的 影响 固定电荷面密度与氧化和退火条件，以 及硅晶体的取向有很显著的关系
过剩硅离子是固定正电荷的来源
这些电荷出现在Si-SiO2界面200Å范围以内，这个区 域是SiO2与硅结合的地方，极易出现SiO2层中的缺陷及 氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子 实验证明，若在硅晶体取向分别为[111]、[110]和 [100]三个方向生长SiO2时，他们的硅–二氧化硅结构中 的固定表面电荷密度之比约为3:2:1。 将氧离子注入Si-SiO2系统界面处，在450度进行处 理，发现固定表面电荷密度有所下降 将MOS结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度 高出钠离子漂移温度（127度）时，这些固定的表面电荷密 度有所增加。
二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧 原子组成的四面体，Na离子存在于四面 体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从而 导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩 散。 由于Na的扩散系数远远大于其它杂质。 根据爱因斯坦关系，扩散系数跟迁移率 成正比，故Na离子在二氧化硅中的迁移 率也特别大。