半导体第八章思维导图

1）绝缘层中有一薄层电荷，其单位面积上的电量为Q,离金属表面的距离为x，无外加电压时，分别在金属表面和半导体表面感应出相反符号的电荷，由于这些电荷的存在，半导体表面带电，能带发生弯曲，图中情况为半导体表面带负电。

半导体表面与MIS结构

• 表面态
  • 理想表面特性
    • 表面层中原子排列对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子、其它分子和氧化膜
  • 达姆表面能级
    • x＝0处两边，波函数按指数关系衰减，电子的分布几率集中在x＝0处，电子被局限在表面附近，这种电子状态称做表面态，对应的能级为表面能级
  • 实际表面特性
    • 表面往往通过吸附原子或表面重构降低能量
    • 利用钝化层中和表面悬挂键，是降低表面态的主要手段，SiO2是最常用的钝化层材料
    • 近表面几个原子厚度的表面层中，晶体固有的三维平移对称性在表面受到破坏，实际观察半导体表面发生再构现象，表面形成新的原子排列，沿表面的二维平移对称性
    • 实际晶体存在微氧化膜或附着着其它分子和原子，表面复杂表面覆盖二氧化硅后，悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子饱和表面态浓度大大降低，实测值远小于理论值，在10^10－10^12cm－2
  • 构成
    • 未饱和的悬挂键
    • 晶体缺陷
    • 吸附原子
• 表面电场效应
  • 概念
    • 电场作用下，半导体的表面特征
  • 表面电场的产生方法
    • 功函数不同的金属（半导体）和半导体接触
    • 表面态
    • 半导体表面吸附带电离子
    • MIS结构，在金属和半导体之间加电压
  • 理想MIS结构
    • 金属和半导体之间功函数差为零
    • 在绝缘体内没有任何电荷且绝缘层完全不导电
    • 绝缘体与半导体的界面处不存在任何界面态
  • 表面电场效应的五种类型（以P型为例）
    • 多子积累状态（能带向上弯曲)
      • 表面电场表达式
      • 表面电荷密度表达式
      • 表面微分电容表达式
      • 表面电荷大小与表面势的关系
    • 平带状态
      • 表面电场表达式
      • 表面电荷密度表达式
      • 表面微分电容表达式
      • 表面电荷大小与表面势的关系
    • 耗尽状态
      • 表面电场表达式
      • 表面电荷密度表达式
      • 表面微分电容表达式
      • 表面电荷大小与表面势的关系
    • 表面本征
      • 表面电场表达式
      • 表面电荷密度表达式
      • 表面电荷大小与表面势的关系
    • 反型
      • 弱反型(2VB>Vs>VB)
      • 临界强反型(Vs＝2VB)
      • 强反型(Vs>2VB)
  • 耗尽层宽度最大值
• MIS 结构的电容－电压特性 (C-V)
  • 理想MIS结构的电容－电压特性
    • 归一化电容
      • 积累区
      • 平带
      • 耗尽
      • 强反型
    • 低频C-V曲线
      • 积累区
      • 平带
      • 耗尽
      • 强反型
  • 金属半导体功函数差对MIS结构C-V特性得影响 （非理想因素）
    • 以金属铝－SiO2－p型Si为例，WAl<WSi电子从金属一侧向半导体流动，半导体Si表面层形成带负电的空间电荷层，半导体表面能带向下弯曲。
  • 绝缘层中电荷对C-V特性的影响
    • 1）绝缘层中有一薄层电荷，其单位面积上的电量为Q,离金属表面的距离为x，无外加电压时，分别在金属表面和半导体表面感应出相反符号的电荷，由于这些电荷的存在，半导体表面带电，能带发生弯曲，图中情况为半导体表面带负电，能带向金属加一逐渐增加的负电压，金属板上的负电荷增加，由薄层电荷发出的电力线更多终止于金属表面，半导体表面层中负电荷减小，能带弯曲渐渐减小，到平带
  • 影响MIS结构C-V特性的因素
• 硅－二氧化硅系统的性质
  • 二氧化硅中的可动离子
    • 硅表面生长的二氧化硅薄膜呈无定型玻璃状结构，近程有序,网络状结构。钠、钾间隙式杂质，使网络结构变形，消弱网络结构使二氧化硅呈多孔性，导致杂质原子易于在其中迁移或扩散，钠的扩散系数大于其它杂质，迁移率大。
    • 偏压－温度实验（B-T实验）可测量MOS工艺中钠离子沾 污的程度，曲线1和曲线2的平带电压之差求单位面积钠 离子电荷量
  • 二氧化硅中的固定电荷
    • 特点
      • 面密度固定，为Qfc，不明显受氧化层厚度、硅中杂质类型及浓度的影响
      • 位于硅－二氧化硅界面20nm以内
      • Qfc与氧化及退火条件及硅晶体的取向有显著关系晶体取向为[111]、[110]及[100]，硅表面固定电荷密度之比约为3：2：1
    • 测量不同氧化层厚度的MOS电容器的平带电压来确定金属和半导体功函数差及固定电荷密度
  • 在硅－二氧化硅界面处的快界面态
    • 存在于硅－二氧化硅界面处，能值位于硅禁带中的一些分立的或连续的电子能态。
    • 施主型界面态
    • 受主型界面态
  • 二氧化硅的陷阱电荷
    • 在辐射作用下，氧化层中产生的电子和空对，在电场作用，电子发生移动，而空穴很 难移动，从而陷入陷阱成为正的空间电荷；辐照空间电荷可以通过高温退火很快消除；
• 表面电导及迁移率
  • 表面电导
    • 定义：半导体表面层内沿平行于表面方向的电导，大小取决于表面层内载流子的数量及其迁移率。表面层载流子的数目随表面势大小变化，表面电导随之改变，垂直于表面的电场对表面电导有控制作用。
  • 表面载流子的有效迁移率
    • 表面迁移率的数值比相应的体内迁移率约低一半。
  • 表面钝化
    • 各种因素对半导体表面特性产生重大影响，在采用平面工艺的器件中，使用二氧化硅膜保护为了提高半导体表面稳定性，除了尽量减小各种沾污，发展了种种技术稳定半导体表面性质