【正文】 ?（ ）? ?? ???????????????????????????????????????????????210021002101222121TkqVLCVqTkLQVqTkLEsDrsssDrsssDs????所以Es、 Qs、 Cs 隨表面勢 Vs 的變化關系！ 代入 Es、 Qs、 Cs （ 2）、 Es為正的，電場和 X方向一致； Qs為負 的，表明空間電荷是由電離受主雜質(zhì)形 成的負電荷。另外，由于表面反型層的厚度在納米量級， 和電子的德布羅衣波長相當，應考慮量子效應。 100～ 102s熱馳豫時間。 把 02 rsFBSDC L??? 0 0 0 0/rCd???代入 LD 中的 pp0 等于摻 雜濃度 NA 耗盡狀態(tài) VG＞ 0 qpVdCCpsrsorsroo00211?????? Gorooprsrooprss VqdpdqpV 422122220000 ?????????????把 10 2()2A r sssNqCV???式（ 8－ 41） 代入電容公式 關鍵 Vs=? ???????????????sDrsssossoGVqTkLQVCQVVV002 ??利用式 8－ 39 半導體的相對介電常數(shù)絕緣層的相對介電常數(shù)??rsro??解一元二次方程 Ap Np ?0同時利用22211oArsGoroodqNVCC??????則化簡整理后 ，得到電容和偏壓VG 的關系， VG增加， C/C0 減小，是因為空間電荷區(qū) xd 隨偏壓 增大而增大。 Why? ＭＩＳ 結(jié)構(gòu)還未連接時： Ws Ec Ev SiO2 EFs Wm Ws Ec Ev SiO2 EFm EFs Eo ＭＩＳ結(jié)構(gòu)連通后 ,且 VG=0時： Wm EFm EFs Ws Ec Ev Eo SiO2 電子將從金屬流向半 導體中，會在 p型硅的 表面形成帶 負電的空間 電荷層 ，而在金屬表面 產(chǎn)生正電荷，這些正電 荷在 SiO2和 Si表面層內(nèi) 產(chǎn)生指向半導體內(nèi)部的 電場，使得半導體表面 能帶向下彎曲 ，同時硅 內(nèi)部的費米能級相對于 金屬的費米能級要向上 提高，到達相等而 平衡 。 0 0, FBQx d VC???時（ 2）一般情況：正電荷在 SiO2中有一定的體分布 ρ (x) ? ?????od0ooFB2 dxdxρxC1V在 x與 (x+dx)間的薄層內(nèi)，單位面積上的電荷為 ρ (x)dx ? ?ooF B 2 CddxxρxdV ?對平帶電壓的 影響為： 注：如果存在 可移動 的離子，使得電荷分布發(fā)生 變化， VFB 跟著變化，導致 CV曲線的 平移 。 Na的擴散系數(shù)遠大于硼和磷，遷 移率也很大。 （ 3）電荷值不明顯地受氧化層 厚度 或硅中 雜質(zhì)類型 及濃度 的影響。 ? 分為施主界面態(tài)和受主界面態(tài)。 所以，后處理對 MOSFET的性能的穩(wěn)定是 非常重要 的。如在平帶時的表面電 導為 ? ?0? 所以： 2. 表面載流子的有效遷移率 載流子的 有效遷移率 是指其在表面層中的平均遷移率 。反型層發(fā)生在近表面處，從反型層到半導體內(nèi)部還夾著一層 耗盡層 。 ???????DiB NnqTkV ln0平帶狀態(tài) : 理想 MIS結(jié)構(gòu)，當 VG=0時， Vs=0，表 面能帶不彎曲， Qs=0， E=0。 ( ) ( )nnsnq n x x d xQ?? ??上式除以表面層內(nèi)電子形成的單位面積電荷 Qn的絕對值，則得電子的 有效遷移率 為 此外還發(fā)現(xiàn)，有效遷移率還于 溫度 有關， 主要由于： 在 較高的溫度下，反型層中電子和空穴的有效遷移率與溫度有 的關系。 表 面 電 導 及 遷 移 率 特點： 表面電導的大小應取決于表面層內(nèi)載 流子的數(shù)量及其遷移率。） 被電子占據(jù)為電中型，發(fā)出電子為正電性－ 施主 能級空著為電中性，接受電子后是負電－ 受主 起源： 理想表面態(tài)密度為 1015cm2 ，但因為硅表面附 著了氧化物薄膜后，硅表面大部分的懸掛鍵被氧所飽 和，故硅－二氧化硅的界面態(tài)密度低幾個數(shù)量級；其 次，硅的（ 111）晶面比（ 110）和（ 100）面大，故做 MOS結(jié)構(gòu)時一般選 【 100】 晶向硅單晶。 在 SiSiO2系統(tǒng)中，除了移動電荷外，還發(fā)現(xiàn)大 量的正電荷。 所以， 在一定的溫度和偏壓下，對器件的影響 最大 !100℃ 以上，在電場下可以以較大的遷移率發(fā)生漂移運動。 SiSiO2 系 統(tǒng) 的 性 質(zhì) ???????氧化物陷阱電荷快界面態(tài)固定電荷可動電荷絕緣層電荷分類硅和二氧化硅系統(tǒng)中，存在多種形式的電 荷或能量狀態(tài)，一般歸納為 四種基本類型： Na Na Na Na Na 絕緣體 半導體 金屬 界面態(tài) 固定表面電荷 Na 可動離子 電離陷阱 硅 – 二氧化硅系統(tǒng)中的電荷狀態(tài) 可動離子（主要是 Na離子） 有鈉、鉀和氫等，其中最主要而對器件穩(wěn)定性 影響最大的是鈉離子。 qVms qVi EF Ei Ec Ev SiO2 VG=0 smmsWWVq??如何恢復平帶狀況？ 加上 負柵壓 VG=Vms SiO2 Wm Ws 以抵消由于 兩者 功函數(shù) 的不同所引 起的電場和 能帶的彎曲 使能帶恢復平直的柵電壓 CFB VFB 平帶電壓 VFB qWWVV smmsFB????1實驗上，可計算出 理想狀態(tài) 時的平帶 電容值，然后在 CFB 引與電壓軸平行的 直線，和實際曲線 相交點在電壓軸上 的坐標，即 VFB 實際 How about Pt? 三、絕緣層電荷對 MIS 結(jié)構(gòu) CV特性的影響 ???????氧化物陷阱電荷快界面態(tài)固定電荷可動電荷絕緣層電荷分類一般有： 由于這些電荷的存在，將在金屬和半導體表面感 應出 相反符號 的電荷，在半導體的空間電荷層內(nèi) 產(chǎn)生電場使得能帶發(fā)生彎曲。 這時有 C/C0=1 從物理圖像上理解： 強反型層出現(xiàn)后，大量的電子聚積在半導體的 表面，絕緣層兩邊堆積了電荷，并且在低頻信 號時，少子的 產(chǎn)生 和 復合 跟得上低頻小信號得 變化。 167。 摻雜濃度 NA大， xdn小； 摻雜濃度一定，寬帶隙半導體 ni小， xdn越大。 由上式可知 ： （ 3）、把德拜長度 LD 代入 Cs中并考慮到 ppo=NA 可得： 12()2A r s osSNqCV???在耗盡狀態(tài)時，表面電容和表面勢直接相關 ―耗盡層近似 ”來處理耗盡狀態(tài)： 空間電荷層的空穴都已全耗盡，電荷全由已電 離的受主雜質(zhì)構(gòu)成。表面勢越負，能帶在表面處向上彎曲得更厲害，表面 層空穴濃度急劇增加。對應的是， Vs＞ 0 時，半導體表面積累電子，反之，積累空穴。把表面近似看成無限大的面，故可以看成一 維情況處理。 EFm EFs Ec Ev Ei ?Qs Qm x VG0 電荷分布 特征 ： 半導體表面能帶平直。 空間電荷區(qū)對 電場 、 電勢 與 能帶 的影響： 最后 ，電勢的變化，使得電子在空間電荷區(qū)的能 量改變，從而導致 能帶的彎曲 。 表面態(tài)的影響 167。 例如 ，對硅 (111)面，在超高真空下可觀察到 (7 7)結(jié)構(gòu)，即表面上形成以 (7 7)個硅原子 為單元的二維平移對稱性結(jié)構(gòu)。 72221( ) ( ) e x p e x pi k x i k xkx A u x??? ??在 x=0的兩邊，波函數(shù)是按指數(shù)關系衰減，這 表明電子的分布概率主要集中在 x=0處，電子 被局域在表面附近。 如下圖所示： Si Si Si Si Si Si 硅表面懸掛鍵示意圖 表面懸掛鍵 1015cm2 從硅表面態(tài)的 實驗測量 中，證實其表面能級由兩組組成： 一組為 施主能級 ，靠近價帶； 另一組為 受主能級 ，靠近導帶。 可以采用 不同方法 ，使得半導體表面層 內(nèi)產(chǎn)生電 場， 如： 功函數(shù)不同的金屬和半導體接觸（金 / 半接觸）、使半導體表面吸附某種帶電的離子等 一般采用金屬 /絕緣體 /半導體 (MIS)結(jié)構(gòu)研究 表面電場效應 表面電場效應： 理想 MIS結(jié)構(gòu)： （ 1） Wm=Ws； （ 2） 絕緣層內(nèi)無可移動電荷且絕緣層不導電； （ 3） 絕緣層與半導體 界面處不存在界面態(tài)。 SVSV（ 1） 多數(shù)載流子堆積狀態(tài) （ 2） 多數(shù)載流子耗盡狀態(tài) （ 3） 少數(shù)載流子反型 狀態(tài) 在 VG＝ 0時，理想半導體的能帶不發(fā)生彎曲，即 平帶狀態(tài) flatband condition，有時也稱為一種狀態(tài)。 表面勢為正，能帶下彎，價帶頂位置比費米能級 ?mQEFm EFs Ec Ev Ei VG ＞ 0 Qm Qs x 電荷分布 （ 3） VG ＞ 0 耗 盡 狀 態(tài) 低得多。這里作為一個特征長度 。 Cs～ V ? ssQV在 外 加 小 信 號 ， 假 定 跟 得 上 的 變 化sssQCV???在 的 微 分 電 容低 頻 情 況可以定量分析表面層的情況 ? ? ? ?1011200000000?????????????????????????