第6章半導體表面6.1表面態和表面空間電荷區6.2表面電場效應6.3自旋積累、耗盡和反型6.4理想MOS電容6.5實際MOS電容的C-V特點1《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
6.1表面態和表面空間電荷區教學要求1．了解概念：懸掛鍵、表面基態、表面態、施主態、受主態。2．了解產生表面態的緣由及其影響。2《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
達姆基態（表面基態）、懸掛鍵、表面態在理想半導體表面，晶格不完整性使勢場的周期性被破壞，在禁帶中產生局部狀態的基態分布(形成附加基態)，這種基態稱為達姆基態。達姆證明：一定條件下，每位表面原子在禁帶中對應一個表面基態，稱作達姆基態。從物理鍵的角度來說，以硅晶體為例，因晶格在表面處忽然中止，在表面最內層的每位硅原子將有一個未配對的電子，即有一個未飽和的鍵，這個鍵稱為懸掛鍵，與之對應的電子能態就是表面態。3《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
道友態、受主態按照表面基態的性質和費米基態的位置，表面基態可能成為道友基態、受主基態，或則成為電子-空穴對的復合中心基態。與道友基態和受主基態相對應的量子態分別名為道友態和受主態。?半導體表面態為道友態時，它可能是中性的，也可能向導帶提供電子(故稱為道友態)，之后弄成正電荷，因而使表面帶正電；?若表面態為受主態半導體物理課件，則可接受電子(故稱為受主態)，弄成負電荷，因而使表面帶負電。于是，表面態就能在半導體表面層造成空間電荷，電場和電勢以及能帶的彎曲。4《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
6.2表面電場效應教學要求1．了解理想MIS結構的基本假定及其意義。2．解釋半導體表面空間電荷區的產生。3．解釋半導體表面空間電荷區內能帶的彎曲。5《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
理想MIS結構理想MIS結構基于以下基本假定：（1）金屬和半導體之間不存在功函數差；（2）絕緣體內部及絕緣體和半導體界面不存在電荷；（3）絕緣體是良好的，即不短路。6?基本假定（1）、（2）意味著，在零展寬時，金屬和半導體的費米基態相等。?基本假定（3）意味著即便加有直流展寬，MIS結構也沒有電壓通過。因而在穩定狀態，從半導體表面到體內費米基態是恒定的。《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
金屬、絕緣體和P型半導體構成的理想MIS結構熱平衡情況下的能帶圖圖中E0表示電子的真空(自由電子)基態。和分別是金屬和半導體的功函數。功函數的意義是把一個電子從費米基態移到真空中所須要做的功，即E0-EF。和具有電勢的量綱，稱作功函數電勢。7《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
半導體表面空間電荷、空間電荷區假定金屬極板和半導體之間加展寬VG>0(金屬接電源負極，半導體接正極)。在展寬作用下金屬極板將帶正電荷，半導體相對金屬的表面層將帶負電荷。半導體表面層的負電荷是喪失空穴中和的電離受主和被電場吸引到表面層來的自由電子，這種電荷稱為半導體表面空間電荷。空間電荷存在的區域稱作空間電荷區。8《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
很薄，約在小0.1nm的于-Fermi屏蔽長
度內，單位面積下的電荷
記QM。為?半導體表面
單位面積下的電荷記為QS，分布在
長度為xd的薄S。電中性要求Q層內=-QM。因為半導體的
雜質含量遠遠高于金屬的電子度濃，因而與金屬表面空間電荷區相
比，半導體表面下
方的空間電荷區相對地要多得厚，xd通常
要達到微化學數目級。9《半導體米學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
空間電荷區電荷關系?金屬的空間電荷區
磁場邊界條件，可以得到如關系的電荷與電場下(6.2-1)式
QQ=-==eeEE
中，為絕緣體的介電常數，為半導體的介電常
數，為絕緣體內的電場硬度，為半導體表面附
近的電場強導體10《半度。數學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
空間電荷區電荷與電場關系依照電
建電勢差、表面勢、勢壘高半度導體表面空間電荷區中電場的出
現電半導體體內與半導體表面之間形成一個使勢差。這個電勢差稱作空間電荷區的內
建電勢差，記的。半導體表面做電勢，被稱為表面勢。通
常取半導體體內(中性把)區為電勢參考點
，半導體表面勢記做。顯內表面勢與然建電勢差具有
如內(6.2-2)半導體體下關系的自旋來到半導體表面須要
VV=-
Ds
克服電勢能，
常稱為勢壘高。11度《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
內
氧化層和半導體空間電荷分辨
攤(6.2-3)其中為
VVV=+
Goxs
氧2層電流，為半導體表面勢。1化《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
金屬-絕緣體和P型半導體的電勢分布外加電流由
獲得附加電勢能(6.2-4)因為是位置x的函數，附加電勢能也是x的函數。這個附加電勢能與晶體中的周期性勢場相
D=-qVxEx()()
比是的常微弱非。附加電勢能
疊加到各個基態上半導體物理課件，使各基態發生變化。
例如本征費米基態弄成這
)()()(=+D=-
里表示半導體體內本征在費基態。米非簡并情況下，
諸基態相互平行《半13。導體數學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
附加電勢能在空間電荷區，電勢為處的電子
)()()(=+D=-
現意味著，在空間電荷區內半導體的能帶將
發生彎曲。?假如
>0，則，空間電荷區內能帶將相對于體內向上彎曲。?假如
0時的電場分布、電勢分布和能帶彎曲的示意圖，圖6.4(d)中
阱、勢壘、阻擋層、反抵擋層從圖6.4(d)可以
看，對于P出型半導體，展寬>0使能帶向上彎曲。?因為電子帶有負電荷，因而，電子從半導體體內來到表面，是從電勢能
高的地方能來到電勢低的地方
。結果使表面附近電子含量小于體內電子濃，?空穴帶有正電荷度。為此，空穴從半導體體內到半導體表面，是從電勢能
低的地方能來到電勢高的地方
，須要跨越勢壘表。所以，半導體面空間電荷區產生電子的勢
阱和空穴的勢
壘。因為電子和空穴帶電符號相反，電子的勢壘就是空穴的勢
阱，電子的勢阱就是空穴的勢壘。自旋的勢
壘區又稱為自旋的抵擋勢。反之，層阱區被稱為反
抵擋化學。16《半導體層學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
勢
把握概念：自旋積累、耗盡和反型。2．導入
式(6.3-8)和(式6.3-12)3．正
確畫累自旋積出、耗盡、反型和強反型四種帶圖。況下的能情4．導入
發生串擾反型和強件型條反[見式(6.3-23)和
式(6.3-25)]。17《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
6.3自旋積累、耗盡和反型教學要求1．
征設米基態費半導體體內本
征米基態為，則在空間電荷區內費18《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
Ex()
=+DEEx
()
i0
=-EqVx()
i0
空間電荷區本
濃令度(6.3-3)稱為半導體的體費米勢。由能帶圖不
f=-()/EEq
fi0F
難看，P型半導體出>0，N型半導體0)在用盡區，由和，有(6.4-20)于是求
氧化層電容，，代入到(6.2-2)中有式(6.4-23)把
VV=-+
Gs
式(6.3-15)和(6.3-21)代入式(6.4-23)解出式(6.4-24)代入式(6.4-22)，
ox
ee2V
ssG
xC=++1
dox
CCqNe
得到
-1/2
-1/2
(6.4-25)在用盡區，
22
??
????
22Ce
oxox
=+=+11VV
??
??
??
GG
CqNe
qNxe
oxAs
??
????oxAs
??
歸容一化MS電O隨外加展寬的降低而小減。54《半導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
3．用盡區(VG>0)對于
現，型層之后反非常是在接強近反型時，表面電荷則由
兩部分組層：一部份是反型成中的電子電荷，它是由
少子的降低導致的；另是部份一用盡層中的電離受主電荷，它是因為
多子空穴的喪導致的：表面電容為失(6.4-26)等
QQQ=+
sIB
IB
C=-=--
sss
一側式的兩項表示分別和對的貢獻巨等55《半導體化學學簡明教程》孟慶。編繪.電子工業出版社3．反型區(VG>0)
在出
析電容與檢測頻度要間的之系，需關考慮是如何
積累上去的。?例
如，當MOS上的電流降低時，反型層中的電子數
目要增多型。P襯底中的電子是少子，由襯底流到表面的電子
極其少數為此，反型，中電子層目的增多
主要借助穴盡層中電子-空耗對的形成。這個過程的
弛豫時間由非載衡平流子的壽命所決，定通常比較長。為此，在反型層中實
現子的積累是需電要一個過程的。?同樣
，當MOS上的電流增大時，反型層中的電子要
減輕。電子數量的降低主要借助電子和空穴在用盡層中的復合來實
程，這個過的現豫弛時間也是由非
平衡自旋的壽命所決《半的。56定導體化學學簡明教程》孟慶巨等編繪.電子工業出版社
4．反型區(VG>0)為了分
情況
量電容的訊號頻度比較高子-空穴，用盡層中電對的形成和復合過程
跟不上訊號
