第8章 半导体表面与MIS结构分析.ppt

第八章 半导体表面与MIS结构 (2)、VG0 多子空穴的积累 开启电压(阈值电压)VT：使半导体表面达到强反型时加在金属电极上的栅电压就是开启电压(VG=VT). 此时，表面势:VS=2VB 3、耗尽状态 VG＞0 4、强反型后，即VS＞2VB ： B、高频时： qVms ＝Ws － Wm 如何恢复平带状态？ （1）假设在SiO2中距离金属/SiO2的界面x处有一层电荷，且为正电荷 二、实际MIS结构C-V特性 实际MIS结构中，存在一些因素影响着MIS的C-V特性，如：金属和半导体间的功函数差、绝缘层中的电荷等。 以Al/SiO2/P-Si 的MOS结构为例： P型硅的功函数一般较铝大， 当WmWs时，将导致C-V特性向负栅压方向移动。(开启电压变小) 1、金属与半导体功函数差Wms对MIS结构C-V特性的影响 Wm EFm EFs Ws Ec Ev Eo SiO2 E Ws Ec Ev SiO2 EFs Wm Ws Ec Ev SiO2 EFm EFs E0 MIS结构还未连接时： MIS结构连通后,且VG=0时： 电子将从金属流向半导体中，在p型硅的表面形成带负电的空间电荷层，在金属表面产生正电荷，在SiO2和Si表面层内产生指向半导体内部的电场，使得半导体表面能带向下弯曲，同时硅内部的费米能级相对于金属的费米能级要向上提高，到达相等而平衡。 所以，在偏压VG=0时，半导体的表面层不处于平带状态。 qVms qVi EF Ei Ec Ev SiO2 VG=0 半导体中电子势能相对于金属提高： E 加上负栅压 VG=VFB= -Vms SiO2 Wm Ws 平带电压VFB：使能带恢复平直的栅电压 How about Pt? 实验上，可计算出理想状态时的平带电容值，然后在CFB引与电压轴平行的直线，和实际曲线相交点在电压轴上的坐标，即VFB CFB VFB 实际 2、绝缘层电荷对MIS结构C-V特性的影响 由于这些电荷的存在，将在金属和半导体表面感 应出相反符号的电荷，在半导体的空间电荷层内 产生电场使得能带发生弯曲。即没有偏压，也 可使得半导体表面层离开平带状态。 假定半导体和金属的功函数相同，Wm=Ws 金属 半导体 Ec 半导体表面能带下弯 半导体 绝缘层 金属 do VG 恢复平带 平带电压VFB2： E为金属与薄层电荷之间的电场 由高斯定律: 显然，当薄层电荷贴近半导体时平带电压最大。而位于金属和绝缘体界面处对C-V特征没有影响。 在x与(x+dx)间的薄层内，单位面积上的电荷为ρ(x)dx 对平带电压的影响为： 注：如果存在可移动的离子，使得电荷分布发生变化，VFB 跟着变化，导致C-V曲线的平移。 （2）一般情况：正电荷在SiO2中有一定体分布ρ(x) （3）Vms与Q因素同时存在： C～V曲线： 平带电压由2个因素影响叠加： Note: 实际MIS结构出现强反型时开启电压要加上平带电压的影响： 例：试计算下列情况的平带电压的变化： （1）氧化层中均匀分布着正电荷 （2）三角形电荷分布，金属附近高，硅附近为零 （3）三角形电荷分布，硅附近高，金属附近为零 解：绝缘层内电荷引起的平带电压变化 单位表面积总离子数1012/cm3，氧化层厚度0.2mm，介电常数3.9 （1）电荷均匀分布 x ρ 0 （2）三角形电荷分布，金属附近高，硅附近为零 x ρ 0 （3）三角形电荷分布，硅附近高，金属附近为零 x ρ 0 §7.3 Si-SiO2 系统的性质 硅和二氧化硅系统中，存在多种形式的电荷或能量状态，一般归纳为四种基本类型： 界面态 固定表面电荷 可动离子 电离陷阱 × ＋ Na ＋ 绝缘体 半导体 金属 × × × × Na ＋ Na ＋ Na ＋ Na ＋ Na ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 1、可动离子（主要是Na离子） 来源：有钠、钾和氢等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是钠离子。来源于化学试剂、玻璃仪器等，易于在SiO2中移动。 SiO2是近程有序的网络结构，基本单元是硅氧四面体，Si在中心，而O在四个角顶。Na离子可存在于四面体之间，使得网络变型。并且易和氧结合，形成金属氧化物键，使得SiO2网络结构呈现多孔结构，导致杂质原子的扩散和迁移变得容易。Na的扩散系数远大于硼和磷，迁移率也很大。D: 5.0 cm2/s。 在一定的温度和偏压下，对器件的影响最大! 100℃以上，在电场下可以较大的迁移率发生漂移运动 特点：带正电，热激活。 温度－偏压（B-T)实验: 通过B-T实验可以可移动电荷的密度 开始时，钠离子聚积在铝和二氧化硅间，对C-V没有影响，曲线靠近纵坐标； 把样品加正向的10V的偏压并且在127℃ 退火，钠离子移动到半导体表面处，对C-V特性影响最大，产生平移，测定平带电压之差