半导体物理第八章.ppt

⒉平带状态，VG=0, VS=0 归一化平带电容（把LD代入后） 由MIS结构的参数εrs、εr0、NA、d0，就可以 估算出平带电容的大小。 1）若绝缘厚度一定，NA越大比值越大。这是因为空间电荷层随NA增大而变薄。 2）绝缘层厚度越大，C0越小，比值越大。 第六十二页，共88页 第三十页，共88页 第三十一页，共88页 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 p型半导体 VG0 VG0 VG0 第三十二页，共88页 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 VG0 VG0 VG0 第三十三页，共88页 二、表面空间电荷层的电场、电势和电容 为了深入地分析表面空间电荷层的性质，可以通过解泊松方程，定量地求出表面层中电场强度E和电势V的分布，分析电容的变化规律。 取x轴垂直于表面指向半导体内部，规定表面处为 x轴的原点。鉴于表面线度远比空间电荷层厚度要 大。把表面近似看成无限大的面，故可以看成一 维情况处理。 x semi metal isolator Space charge 第三十四页，共88页 p型硅中，|QS| 与表面势Vs的关系 求解泊松方程 表面层中电场强度Es、电势 高斯定理 表面空间电荷层 Vs向负值方向增大，Qs急剧增加 Es＝0，Qs＝0， C（平带电容） Es，Qs正比于(Vs)1/2 弱反和强反变化不同 第三十五页，共88页 规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表面处为x轴原点。 采用一维近似处理方法,空间电荷层中电势满足泊松方程 第三十六页，共88页 设半导体表面层仍可以使用经典分布，则在电势为V的x点（半导体内部电势为0），电子和空穴的浓度分别为 其中 电离施主浓度 电离受主浓度 坐标x点空穴浓度 坐标x点电子浓度 体内平衡电子浓度 体内平衡空穴浓度 第三十七页，共88页 在半导体内部，电中性条件成立，故 即 带入泊松方程可得 第三十八页，共88页 上式两边乘以dV并积分，得到 将上式两边积分，并根据 得 令 称为德拜长度 F函数 第三十九页，共88页 德拜长度 F函数 德拜在研究电介质表面极化时提出的正离子电场可能影响到电子的最远距离。这里作为一个特征长度。pp0为体内平衡时的空穴浓度。 F函数是表征半导体空间电荷层性质的一个重要 参数。通过F函数的引入，可以表达空间电荷层的其他基本参数。 第四十页，共88页 在表面处V=Vs，半导体表面处电场强度 则 式中当V大于0时，取“+”号；V小于0时，取“-”号。 根据高斯定理，表面处电荷面密度Qs与表面处的电场强度有如下关系 负号是因为规定电场强度指向半导体内部时为正。 第四十一页，共88页 带入可得 当金属电极为正，即Vs0，Qs用负号；反之Qs用正号。可以看出，表面空间电荷层的电荷面密度QS随表面势VS变化，正体现出MIS结构的电容特性。 第四十二页，共88页 在单位表面积的表面层中空穴的改变量为 因为 第四十三页，共88页 考虑到x=0，V=Vs和x=∞，V=0，则得 同理可得 第四十四页，共88页 表面处单位面积微分电容 单位F/m2。 （8-27） 下面以P型半导体构成的MIS结构，讨论三种类型时的电场、电荷面密度及电容情况。 第四十五页，共88页 8.2.3 各种表面层状态下的电容情况 （1）多数载流子堆积状态（积累层） 当VG0时，表面势VS及表面层内的电势V都是负值，对于足够小的VS和V，F函数里只有负指数项起主要作用。表面电荷QS随表面势的绝对值增大而按指数增长，表面电场、电荷密度及单位面积微分电容为： 第四十六页，共88页 （2）平带状态 VS=0时，半导体表面无空间电荷区，能带不弯曲，此时 QS =0，F=0 当VS→0时，平带电容为 第四十七页，共88页 （3）耗尽状态（耗尽层） 当VG0时，但其大小还不足以使表面出现反型状态时，空间电荷区为空穴的耗尽层。F函数中起主要作用为 ，此时： V和Vs都大于零，且np0/pp01 代入LD 第四十八页，共88页 代入泊松方程求解，得到： 电势分布 令x=0表面势 其中的xd为空间电荷区宽度，若已知表面势VS，可求出电荷区宽度为 电荷面密度 单位面积电容 对于耗尽状态，空间电荷区也可以用“耗尽层近似”来处理，即假设空间电荷区内所有负电荷全部由电离受主提供，对于均匀掺杂的半导体，电荷密度为： 第四十九页，共88页 （4）少数载流子反型状态（反型层， VG＞0 ） ①弱反型：如能带图所示，表面开始出现反型