Semiconductor Physics 第六章 半导体界面问题概要 §1 金属半导体接触和肖特基势垒 §2 肖特基二极管及其I-V特性 §3 半导体表面电场效应 §4 理想MOS结构 §5 MOS结构的C-V特性 §6 MOS结构中的其它效应 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics §1 金属半导体接触和肖特基势垒 (1) 金属和半导体的功函数 (2) 金属-半导体接触电势差 (3) 表面态对接触势垒的影响 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics M/S接触的形成 M/S结构通常是通过在干净的半导体表面淀积金属而形成。利用金属硅化物（Silicide）技术可以优化和减小接触电阻，有助于形成低电阻欧姆接触。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 金属和半导体的功函数 功函数: W= EVAC-EF, ( EVAC --真空中静止电子的能量,亦记作E0 ) 功函数给出了固 体中EF处的电子 逃逸到真空所需 的最小能量. 图7-1 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 金属功函数Z 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 关于功函数的几点说明: ① 对金属而言, 功函数Wm可看作是固定的. 功函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度. 对半导体而言, 功函数与掺杂有关 ② 功函数与表面有关. ③ 功函数是一个统计物理量 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 对半导体,电子亲和能χ是固定的,功函数与掺杂有关。 半导体功函数与杂质浓度的关系(表7-1) ♦ n型半导体: WS=χ+(EC-EF) ♦ p型半导体: WS=χ+[Eg-(EF-EV)] 图7-3 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 热平衡情形下M/S接触的能带图 假设金属与半导体功函数差为：Wms，且一般情况下不为0。 当金属和半导体形成接触时，如果二者的功函数不同（费米能级不等），则会发生载流子浓度和电势的再分布，形成肖特基势垒。通常会出现电子从功函数小（费米能级高）的材料流向功函数大的材料，直到两材料体内各点的费米能级相同（即Ef ＝常数）为止。半导体体内载流子的再分布会形成载流子耗尽或积累，并在耗尽区或积累区发生能带弯曲，而在金属体内的载流子浓度和能带基本没有变化。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 金属和半导体接触电势差 一种典型情况: 讨论M/n型半导体, Wm>Ws(阻挡层） ①接触电势差--为了补偿两者功函数之差,金属与半导体之间产生电势差: Vms=(Ws –Wm)/e ♦当Wm>Ws , Vms<0 (金属一边低电势) （反阻挡层） ♦通常,可认为接触电势差全部降落于空间电荷区. 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics ②半导体一边的势垒高度: VD =∣Vms∣ ③表面势—半导体表面相对于体内的电势 Vs= Vms ④金属一边的势垒高度(肖特基势垒--SB): eΦSB = eΦns = Wm –χ ♦常常选择ΦSB为描述金属/半导体接触势垒的基本物理量(ΦSB几乎与外加电压无关) 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 能带 电荷分布 电场分布 2018/11/12 Semiconductor Physics
M/S接触的电势分布和Poisson方程 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics ★ 金属/半导体接触的几种情况 对M / n型半导体: ♦ Wm>Ws 能带上弯--电子势垒 空间电荷—电离施主 ♦ Wm<Ws 能带下弯--电子势阱 空间电荷—电子积累 势垒—阻挡层, 势阱—反阻挡层 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics Wm>Ws电子势垒 Wm<Ws电子势阱 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 对M / p型半导体: ♦ Wm>Ws 能带上弯--空穴势阱 空间电荷—空穴积累 ♦ Wm<Ws 能带下弯--空穴势垒 空间电荷—电离受主 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics Wm<Ws空穴势垒 Wm>Ws空穴势阱 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★镜像力对接触势垒的影响 实际测量的M/S肖特基势垒参数与理论结果不一致，为了解释实验结果，人们探讨了各种可能影响和调整肖特基势垒的因素，建立相应的理论。这些因素包括：镜像力 和 表面态 M/S中的镜像力和镜像力引起的势垒降低 如果金属和半导体功函数不同，则在形成M/S接触达到热平衡时，会发生载流子的再分布，并在半导体表面区域产生净电荷。这种净电荷会在金属中感应形成镜像电荷，二者形成镜像力，这种镜像力的作用势会引起肖特基势垒高度的降低。这种由镜像力引起的肖特基势垒降低的值约在10~20 mV范围。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 表面态对接触势垒的影响 理论上, 金属一边的势垒高度 eΦSB = eΦns = Wm –χ 实际上, ΦSB常常与金属的种类关系不太大,而主要取决于表面态(界面态)的影响: 半导体表面处, 禁带中存在表面态. 半导体与其表面态通过交换电子, 达到相互平衡 (由于表面态的存在,)半导体表面产生空间电荷区, 能带弯曲. 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 以M/n型半导体为例, 且Wm>Ws . ① 单独考虑表面态:表面态在能隙中形成一个能带. ♦设表面态的电中性能级距价带顶为eΦ0 由表面态的带电状态, 表面态可分为: ♦ 施主型表面态—被电子占据时, 呈电中性, 失去电子后,呈正电性. ♦ 受主型表面态—空态时, 呈电中性, 得到电子后,呈负电性. 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 对大多数半导体,表面态电中性能级距价带顶大约有 eΦ0 = ⅓ Eg ♦对p型半导体, 本征表面态常为施主型 ♦对n型半导体, 本征表面态常为受主型 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ②半导体与其表面态通过交换电子, 达到相互平衡, 具有统一的EF . 当表面态的密度很大, EF被表面态钉扎 (钉扎于表面态电中性能级) . ♦ 对n型半导体: eVD =Eg –eΦ0 –(Ec –EF)n ♦ 对p型半导体: eVD =eΦ0 –(EF –EV)p 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ③考虑金属/半导体: 当带有表面态的半导体与金属接触, 要考虑这三者之间的电子交换. 平衡时,金属,表面态和半导体具有统一的EF . 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 对金属/半导体接触势垒的小结: 仍以M/n-S, 势垒接触(Wm>Ws)为例: eΦSB =eVD+(Ec –EF)n ♦ 当不考虑表面态: eΦSB = Wm –χ ♦ 当表面态的密度很高: eΦSB =Eg – eΦ0 --肖特基势垒高度与金属的Wm无关. 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ♦ 一般情况下, 可介于二者之间,则有: eΦSB =( 1-S ) ( Eg – eΦ0 ) +S ( Wm –χ ) ♦ S称为界面行为因子(与半导体材料有关,与制造工艺有关) • 当表面态密度很小, S1 • 当表面态密度很大, S0 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 金属半导体肖特基势垒接触的应用 M/S接触（Contact）为金属（M）与半导体（S）接触形成的基本结构，通常形成肖特基势垒(Shottky Barrier)，称为肖特基接触。 影响肖特基势垒的因素有：金属和半导体的功函数、金属感应的镜像电荷产生的镜像势、界面的陷阱态能级及其密度等。 由此形成的结称为肖特基二极管，可作为整流结（肖特基势垒）器件使用。 在特定的条件下M/S接触也可形成欧姆型接触。 欧姆接触，可为半导体器件之间的连接提供的低阻互连。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics §2肖特基二极管的偏置及其I-V特性 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ I-V特性的定性图象 ①定性图象--阻挡层的整流作用: (仍讨论M/n-S 形成电子势垒) M/S接触是多子器件. 对M/n-S 形成的电子势垒, 其输运特性主要由电子决定. ♦ 正向偏置, 半导体一侧电子势垒降低, 可形成较大的正向电流. ♦ 反向偏置, 半导体一侧电子势垒升高, 反向电流很小. 当反向偏置加大,反向电流可趋于饱和. 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 图7-10 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 1938年，W. Schottky提出了基于整流二极管的理论，称为肖特基二极管理论。这一理论以金属和半导体功函数差为基础。 要定量讨论I-V特性,必须讨论电子是怎样越过势垒的. 两种近似模型: ♦扩散理论—势垒区较厚,制约正向电流的主要是电子在空间电荷区的扩散过程 ♦热电子发射理论—载流子的迁移率较高,电子能否通过势垒区,主要受制于势垒高度. 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics ②热电子发射 理论的结果 ♦ 其中 ♦ 有效里查孙常数 (书上,表7-4) 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics n为理想因子，I0为与不依赖电压的部分，非理想效应用n的取值来反映，n 通常取1.0-1.2 1）其中I0 通过外推得到。 2） 可以从以前的式子得到势垒高度，在分析中势垒降低必须考虑。 3）n从曲线斜率得到。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 肖特基势垒二极管(SBD) p-n结二极管 肖特基势垒二极管 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ⓐ肖特基势垒二极管是多子器件, 有优良的高频特性. 一般情况下, 不必考虑少子的注入和复合. ⓑ肖特基势垒二极管有较低的正向导通电压. 反向击穿电压较低,反向漏电较高. ⓒ肖特基势垒二极管具有制备上的优势. 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics ★欧姆接触 欧姆接触是金属-半导体接触的另一个重要应用—作为器件引线的电极接触(非整流接触). 欧姆接触的要求: 接触电阻应小到与半导体的体电阻相比可以忽略(不影响器件的电学特性). 欧姆接触的实现: 主要方法是对接触处的半导体高掺杂, 利用隧道效应, 得到很小的接触电阻 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics §3 半导体表面电场效应 (1) 表面空间电荷层和表面势 (2) 讨论几种典型情况 ①表面积累 ②表面耗尽 ③表面反型 ④表面平带 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 表面空间电荷层 空间电荷区: 半导体中呈现非电中性(出现静电荷)的区域 表面空间电荷区起因: 屏蔽外界影响产生的电场 [外电场; 表面态; 表面原子吸附或薄层覆盖; 界面] 特点: 表面空间电荷区中存在电场, 能带发生弯曲. 表面势VS—半导体表面相对于体内的电势值 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 定性图象: 设半导体表面有外电场i(以指向半导体表面为正). 半导体 i >0 (VS >0) i <0 (VS <0) n型 电子积累 表面耗尽, 表面反型 p型 表面耗尽, 空穴积累 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics p型 i >0 (VS >0) 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 对表面空间电荷区的一般讨论: 解泊松方程 (空间电荷区中电势满足的方程) 其中 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 求解方程, 可得到表面空间电荷层的基本参数: ♦表面电场强度 Es(Vs) ♦表面空间电荷面密度 Qsc(Vs) ♦单位面积的 空间电荷层电容 Csc(Vs) 应用C-V特性研究表面空间电荷层 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 我们将直接讨论各种典型情况下的空间电荷区,给出半定量或定性的结果: ♦ 当外加电场i变化(外加电压变化),表面势VS (表面空间电荷层)随之变化 ♦ 讨论表面空间电荷面密度QSC和空间电荷层电容(单位面积) CSC随表面势VS的变化 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 几种典型情况 以p型半导体表面为例 ①表面积累(多数载流子堆积状态): ♦ 当i <0 ,表面空穴积累, QSC>0 能带上弯, VS <0 ♦ 空穴积累于靠近表面的薄层, 且随表面势数值的增加而迅速增加. ♦ CSC很大 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ① ② 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ②表面耗尽: ♦ i>0 , VS >0 , 能带下弯, QSC <0 • 当 0< VS <2VB ,可应用耗尽层近似 其中, eVB = (Ei-EF)p ♦此时, -ρ(x)=eNA , 泊松方程为: 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ♦解泊松方程, 得到: 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ③表面反型(强反型): ♦当VS =2VB 耗尽层宽度达到最大 ♦ i 继续增加, VS >2VB, 表面nS>pB ♦ CSC很大 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ③ 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 图8-7 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 一维电子势阱中的2DEG ♦当VS >2VB , 半导体表面出现反型层(MOS器件中称为沟道), 即电子势阱 ♦当势阱宽度足够窄,势阱中的电子即称为一维电子势阱中的2DEG: 势阱中的电子在平行于界面(势阱壁)方向的运动, 可视作二维准自由电子的运动; 在垂直于界面(势阱壁)方向的运动, 必须考虑量子效应--能量量子化. 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ① ② ③ 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ③ ① ② 图8-6 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ④表面平带状态: ♦ VS =0, QSC =0, 但 CSC≠ 0 ♦ 泊松方程: ♦ 方程的解为: 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ♦ 平带电容 ♦ 德拜长度 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 对半导体表面空间电荷区电容的小结: ♦ 表面积累, CSC很大 ♦ 表面耗尽 ♦ 表面反型, CSC很大 ♦ 表面平带 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics §4 理想MOS结构 (1) 理想MOS结构的定义 (2) 理想MOS结构的能带图 (3) 理想MOS结构的各种状态 (4) 各种状态下的电势和电荷分布 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 理想MOS结构 金属-氧化物(SiO2)-半导体(Si) （MOS）结构是主流半导体器件CMOS的重要组成部分， 典型的结构如Al/SiO2/p-Si， 其基本的能带结构参数如下图所示。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 理想MOS结构的定义 首先讨论p-Si作为衬底的理想的MOS结构。所谓理想的MOS结构满足如下一些条件： 金属与半导体的功函数相同，即： φM = φS ♦ Vms=0 氧化层是理想的绝缘体，即电阻率无穷大，没有体电荷和缺陷态存在； ♦ Qox=0 氧化层与半导体Si界面是理想的界面，即没有界面电荷和界面态存在； 金属与氧化层界面是理想的界面，没有界面缺陷存在。 ♦ Qss=0 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 理想MOS结构的能带图 热平衡情形能带结构： 1）三种材料接触构成MOS结构，在热平衡情况下Ef =常数，正如schottky接触或P-N结二极管。 2）通过SiO2的电流为0，因此，MOS结构由靠自身结构首先由非平衡达到平衡的过程将非常漫长，或者需要通过辅助的导电路径，实现热平衡。 理想MOS的平衡能带图 对于MOS结构，重要的是了解不同偏置电压下的能带结构和电荷分布情形 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics 理想MOS结构的各种状态 在理想的情形，由于在Si中没有净的电流存在，因此，在各种栅压条件下， Si内费米能级将保持平直，这意味着在各种栅压下，半导体都可作为热平衡状态处理。 通常将Si表面电势相对于Si体内电势的变化称为表面势。 在各种栅压条件下，MOS结构的能带将会出现：积累、平带、耗尽、反型等几种情形。 需要了解不同栅压下，表面势、电荷分布的变化情况。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 理想MOS结构的各种状态 平带情形：表面势为0的情形。 积累情形：Si表面产生多子积累的情形，对P-Si来说，是空穴积累的情形，Si表面的价带将更靠近费米能级，发生能带向上弯曲的现象。 耗尽情形：半导体表面发生多子耗尽的情形。对P-Si，发生空穴耗尽，能带向下弯曲，表面势为正值。 反型情形：半导体表面发生少子浓度超过多子浓度的情形，故称为反型。此时，能带向下弯曲，并在表面处，费米能级低于本征费米能级。这种表面出现少子浓度高于多子浓度的现象是在外加场作用下发生的，称为场效应反型现象。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 各种状态下的电势和电荷分布 积累和耗尽情形 （1）在硅中费米能级依然是常数。 （2）空穴积累时，空穴浓度在硅表面处比体中大，硅表面处EV 和EF比较接近，能带向上弯曲。积累的表面空穴分布在硅表面很窄的德拜长度内，可近似看成薄层电荷，这一情形和平行板电容相似。 （3）耗尽时，Si表面出现载流子耗尽，表面电荷表现为耗尽电荷。耗尽层随栅压的增加而变宽（以增加耗尽电荷量）。 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics 反型时 达到反型后，随栅压增加，在半导体表面区域的电荷将包括耗尽电荷和反型的载流子电荷两部分；而且随栅压的增加将只有很小的电势降在半导体上，因为半导体表面很小的电势增量将使电子浓度增加很多 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics §5 MOS结构的C-V特性 (1) MOS结构的微分电容 (2) 理想MOS结构的低频C-V特性 (3) 理想MOS结构的高频C-V特性 (4) 实际MOS结构及其C-V特性 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics ★ MOS结构的微分电容 ♦ 栅压-- VG= VOX+ VS , ♦ 当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷面密度-- QS = QSC = - QG ♦ MOS结构的微分电容 C dQG/dVG 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 定义: ♦ 氧化层电容—COXdQG/dVOX =εox ε0 /dox ♦ 空间电荷区电容— CSC - dQSC/dVS , 则有: 表征MOS结构中能够存储电荷的因素包括栅氧化层和Si半导体层，其中，Si层的电荷存储能力与表面势相关 等效电路模型 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics 2、平带情形 在平带电压（VFB）情形下，Si表面将没有电荷存在，但是由于我们所讨论的电容为小信号交变电容。因此，在平带情形下，施加很小的交变电压，仍会在Si表面德拜长度范围内感应电荷的产生。将平带情形对应的MOS电容称为平带电容。由于在平带情形下，交变电压感应的电荷不会恰好在氧化层下表面产生，而是发生在距氧化层下Si表面德拜长度内，因此平带情形的Si电容与Si中感应电荷分布的德拜长度有关。 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics ★ 低频（准静态）C-V特性 总结一下低频情形下的电容随栅压变化特征，其中不考虑随栅压变化频率对Si中感应的载流子的产生和复合的影响（准静态情形）。 ① VG<0, VS<0, 表面积累 CSC很大, (C/Cox)→1, MOS结构的电容呈现为Cox。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ② VG=0, VS=0 表面平带 在平带电压（VFB）处不存在电荷，但是施加很小的电压，就会在德拜长度范围内产生电荷。换句话说，平均电荷不会恰好在氧化层下表面产生，而是在离氧化层下表面德拜长度内。因此在VFB处的电容为氧化层电容Cox和Si电容Cs的串联电容。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ③ VG>0,0<VS< 2VB 表面耗尽 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ④ VG> VT, VS> 2VB, 表面强反型, CSC很大, (C/Cox)→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] VT =VOX+VS = - (Qdm /COX )+2 VB Qdm = -eNA dm 一旦反型层（Inversion）形成，电容开始增加，Si电容逐渐开始转变为主要由反型层电荷随表面势的变化决定。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics MOS结构的C-V特性 ① ② ③ 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 图8-11 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ⑤掺杂,氧化层厚度对C-V曲线的影响: 掺杂越大, or/and 氧化层厚度dox越大 • CFB/COX越大 • VT越大—极值右移 • CdM越大—极值上移 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 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 ♦MOS结构的电容也呈现最小值不再随偏压VG呈现显著变化 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 反型层电荷主要由少数载流子决定，在低频时，它随电场的变化而变化，反型电容起重要作用。当频率高于某一频率值时，反型层电荷（少子电荷）将不能交变信号，即少子的产生复合的速度跟随不上电场频率的变化，于是反型层电荷将不随交变电场变化，这意味着与反型层电荷相关的交变电容为0。 假设少子的响应时间由少数载流子产生－复合电流决定。 在响应时间内，要能够产生足够的少子补偿耗尽层电荷的作用 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 则响应时间为： 该值的典型值为：0.1~10秒。因此，当交变电压信号的频率高于100Hz时，反型层电荷将跟不上栅压的变化，只有耗尽电荷（多子行为）能够跟随电压信号的变化而变化，于是，Si电容只由耗尽层电容决定，由此确定的最小电容值发生在发生强反型的最大耗尽层厚度情形，表达式为： 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 图8-12 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ③ ③ 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 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 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. 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ 实际MOS结构 (Ⅰ) 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 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics 非理想MOS电容的热平衡 P型硅里的空穴的平均能量比金属中空穴的平均能量要高，达到热平衡时将发生空穴从硅向金属移动，硅表面能带向下弯曲。 热平衡时，Vg=0 (1) 在材料界面处EC和EV突变 (2)在SiO2上压降大小与硅中表面势和费米能级Ef 有关，因为没有电流流过SiO2，这一电压可以维持下去。 (3)存在势垒限制载流子在金属与半导体之间运动 (4)在硅表面，EV 离EF较远，表面空穴耗尽。 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 非理想MOS电容的偏置 通过外加栅压VFB=φM −φS，可以使半导体恢复到平带，所加的电压称为平带电压。平带电压是MOS结构主要的物理参量之一，通过确定平带电容来确定。 (1)因为二氧化硅使得Si中不存在电流，所以Si中的费米能级EF是常量。 (2)EC 和EV 是平的，没有弯曲，硅中空穴和电子浓度各处相等，可知硅和二氧化硅中电场强度为零。 (3)所对应的情况称为平带情形，所加的电压称为平带电压VFB， VFB= φMS 。 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics ★ 实际MOS结构的C-V特性 --(Ⅱ)绝缘层中电荷的影响 当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics 当绝缘层中有分布电荷,则有: 其中,氧化层中总有效电荷面密度 实际MOS结构的阈值电压: VT= VT1+ VFB VT1= VOX+ VS = -(QdM/COX)+ 2VB VFB= - VMS -(QOX/COX) 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics ★ C-V特性的应用 求氧化层厚度dOX: COX → dOX 求半导体掺杂浓度NA(ND): [C’min + dOX ]→ NA(ND) 计算,或表8-12 求氧化层中总有效电荷面密度QOX: [dOX + NA ] → CFB VFB → QOX 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics §6 MOS结构中的其它效应 多晶硅功函数和耗尽效应 非平衡和栅控二极管情形的MOS特征 带带隧穿(band-to-band tunneling) 栅介质SiO2层的隧穿电流 热载流子注入（Injection of Hot Carrier） 金属栅和高K栅介质的应用 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 多晶硅功函数和耗尽效应 在集成电路技术中，传统的栅电极为重掺杂多晶硅栅。重掺杂多晶硅作为栅电极的好处是其功函数通过掺杂进行调制。 通常，将nMOS和pMOS的多晶硅栅电极的费米能级分别调至导带和价带附近，即EF=EC 或EF=EV，功函数差分别为： 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 多晶硅功函数和耗尽效应 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 多晶硅功函数和耗尽效应 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 多晶硅功函数和耗尽效应 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 非平衡和栅控二极管情形的MOS特征 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 非平衡和栅控二极管情形的MOS特征 这说明，在表面少子电子的浓度远小于体内多子浓度Na （也是耗尽层电荷密度），因此，表面仍然维持耗尽。在平衡情形下足够反型的栅压，在反向偏置下，并不能使之反型。这是因为，反向偏置降低了电子的准费米能级，在表面能带的弯曲达到平衡时强反型要求的2ψB时，相对于准电子费米能级仍不能满足强反型的要求，需要进一步增加栅压，直至其表面势达到： 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 表面电场对PN结特性的影响 场感应结FJ与冶金结MJ 对PN结反向产生电流和正向复合电流的影响 对PN结击穿特性的影响 表面钝化保护 2018/11/12 Semiconductor Physics
带带隧穿(band-to-band tunneling) 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 栅介质SiO2层的隧穿电流 2018/11/12 Semiconductor Physics
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热载流子注入（Injection of Hot Carrier） 2018/11/12 Semiconductor Physics
Semiconductor Physics 金属栅和高K栅介质的应用 2018/11/12 Semiconductor Physics
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Semiconductor Physics 本章-书上第七章部分内容 √ §7.1 金属半导体接触及其能级图 §7.2 金属半导体接触整流理论 √ 整流作用的定性描述 2. 热电子发射理论 √热电子发射理论的结果 √4. 肖特基势垒二极管 书上第八章部分内容 √ §8.2 表面电场效应 √ §8.3 MIS结构的电容-电压特性 书上第九章部分内容 2018/11/12 Semiconductor Physics