1、第五章 半导体的表面、界面及接触现象,半导体表面与MIS结构 1、表面电场效应 2、理想与非理想MIS结构的C-V特性 半导体 半导体接触金 属 半导体接触1、阻挡层与反阻挡层的形成2、欧姆接触的特性,一、理想表面和实际表面理想表面：表面处的原子和电子状态同晶体内部的原子和电子状态一样。即表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。实际表面又分为：清洁表面：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化的实际表面。真实表面：表面原子生成氧化物或其它化合物 。,5-1 半导体的表面,二、表面态,求解薛定谔方程 在x=0处，出现新的本征值 附加的电子能态 表面态清洁
2、表面的电子态，称为本征表面态。真实表面：吸附原子或 其它不完整性，产生表面 电子态，称为外诱表面态。表面态可分为施主型表 面态和受主型表面态。,例如硅(111)面，在超高真空下可观察到(77)结构，即表面上形成以(77)个硅原子为单元的二维平移对称性结构硅表面悬挂键示意图由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。N型硅表面带负电。,从硅表面态的实验测量中证实：其表面能级由两组组成：一组为施主能级，另一组为受主能级，靠近导带。此外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态：其特点是，其数值与表面经过的处理方法有关，而达姆表面态对给定晶体在“洁净”表面时为一定值。表面态对半导体各
3、中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。,5-2 半导体的表面电场,一、形成表面电场的因素 1表面态的影响 由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。(EF)s表面费米能级 (EF)s EF如果 (EF)s EF,2功函数的差异,WSWM，即(EF)S (EF)M 半导体中的电子 向金属流动， 形成由半 金的电场,3氧化层中的杂质离子 4外加偏压引入表面态的概念，说明表面态的来源。 热平衡状态下理想MIS结构中半导体的表面电场效应，包括表面势，表面空间电荷区的电场、电势和电容。 理想MIS结构的电容-电压特性，并讨论金属和半导体功函数差、绝缘层电荷对M
4、IS结构的电容-电压特性的影响。,二、表面电场效应,研究在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。 1.表面态 晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，即表面态。 表面态可看作表面最外层的原子未饱和键（悬挂键）所对应得电子能态，另外表面处还有由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。 表面态改变了晶体周期性势场，它和半导体内部交换电子和空穴，半导体表面状况会严重影响半导体器件和集成电路的电学特性，尤其是稳定性和可靠性。,2空间电荷区和表面势,在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围内；而在半导体中，自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一定厚度的表
5、面层内；这个带电的表面层称做空间电荷区。 在空间电荷区内，从表面到内部电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，场强减小到零。,MIS结构是一个电容，在金属与半导体之间加电压后，金属与半导体相对的两个面上就会被充电。(M、S所带电荷符号相反)。,理想的MIS结构：M、S之间功函数差0；IS界面处不存在其它界面态；绝缘层中无电荷流动，I层不导电。 空间电荷层两端的电势差称为表面势，即表面与体内的电势差，用VS表示。 金属与半导体间所加的电压为VG,规定： 表面电势比内部高时，VS0，表面电势比内部低时，VS0外加反向偏压时，VG0，电场由体内指向表面，VS0,3能带弯曲和载流子浓度的变化,(1) 能带
6、弯曲有表面势Vs存在时，空间电荷区内的电子受到一个附加电势的作用，电子的能量变为：EC qV(x)、Ev qV(x) 。位于空间电荷区内的XVG0，VS0时， 取负号，空间 电荷区的能带 从体内到表面 向下弯曲,空间电荷区的电势随距离逐渐变化，半导体表面相对体内就产生电势差，同时能带也发生弯曲。 表面势及空间区内电荷的分布随金属与半导体间所加的电压VG而变化，可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。对于p型半导体，有三种情况： 1） 多数载流子堆积状态 2） 多数载流子耗尽状态3） 少数载流子反型状态(2) 载流子浓度体内：EC，Ev空间电荷区 ：,V(x)0，能带向下弯V(x)0，能带向上弯,表面
7、处X=0 ， V(x)=Vs,VG0，金属接负，半导体接正VS为负，能带上弯 将这种多子浓度高于体内平衡浓度的表面层叫多子堆积层，称此时的表面空间电荷层处于多子堆积状态。,4. P型半导体表面空间电荷层的四种基本态,(2) VG=0，VS=0，能带是平坦的表面电荷为0，称这种状态为平带状态。,(3) VG0，金属接+,半导体接负,VB是体内势 ：ps(p0)p，空间电荷区的负电荷绝大部分为过剩的电离的受主，这种状态称为耗尽状态，空间电荷区为耗尽层。,（4）VG0,表面空间电荷区内能带的强烈弯曲，形成与原半导体导电类型相反的一层，称这个状态为反型状态。弱反型：ps(p0)p 表面处EFEi ,与
8、Ev相比EF更靠近Ec，有nsps,出现强反型的临界条件：ns =(p0)p,VG变化 VS变化 能带弯曲 电荷分布变化 VG0 VG0 多子堆积 平带 多子耗尽 反型少子堆积,下方二图相似，EF与Ei距离体现出逐渐耗尽的过程,XD耗尽厚度,1) VG0 , VS0 表面处能带下弯，表面多子电子浓度增加，表面层内出现电子堆积 2) VG=0，VS=0 平带。理想MIS结构，表面能带不弯曲，此时Qs=0，E=0。 ) VG0，VS0 表面处能带向上弯，越接近表面，Ec离EF越远，导带中电子浓度越低，表面多子耗尽，正电荷浓度近似为电离施主浓度。电子势垒多子耗尽 4) VG0 表面能带向上弯曲，表面
9、处EF低于Ei，空穴浓度超过电子浓度，表面处形成了p型材料，导电类型与体内相反，叫反型层。反型层发生在近表面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。半导体空间电荷层内的正电荷由两部分组成，一部分是耗尽层中已电离的施主正电荷，一部分是反型层中的空穴。,5. N型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,5-3 MIS结构的C-V特性,一、理想的MIS结构的C-V特性 1总电容C在MIS结构的金属和半导体间加电压VG后，电压VG的一部分V0降在绝缘层上，另一部分降在半导体表面层中，形成表面势Vs，即： VG =V0 +VS 理想MIS结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电场是均匀的，以E0表示其电场强
10、度，显然：QmQs,Qs表面的电荷面密度 C0绝缘层电容，Cs为半导体空间电荷区电容上式表明MIS结构电容相 当于绝缘层电容和半导体 空间电荷层电容的串联， 由此可得MIS结构的等效 电路：,n 型半导体MIS结构的电容电压特性,2表面空间电荷区的电场和电容,表面空间电荷区的电场：其中： 称为德拜长度 rs为绝缘层的相对介电常数（n0)p(p0)p 平带时的总电容为CFB：r0为绝缘层相对介电常数,对于均匀掺杂的p型半导体，假设空间电荷区的空穴已全部耗尽，处于耗尽状态，空间电荷层的电荷全由已电离的受主杂质NA构成。半导体的掺杂是均匀的，则空间电荷区的电荷密度： (x)=- qNA 设xd为耗尽
11、层的厚度 在表面处：V=VS，得到x=0处的表面势： 称为F函数,表面的电荷面密度Qs与表面处电场强度的关系：金属为正时，VG0，QS为负号 金属为负时，VG0，QS为正号,p型半导体 VG0 Vs ,Cs C0/Cs随Vs而0， C/C01，CC0,3. 表面空间电荷区的电容与VG的关系,随|VG|积累的空穴越来越少，CS，C/C0 (2) VG=0，平带情况VS=0 Es=0，QS=0随VG，VS，xd，CS， 总容量C，C/C0,(3) VG0，金属接+，半导体接-VS0，表面能带下弯，是空穴的势垒,VS，少子积累越多，ns，Cs，C0/CS，C/C0 当VS到使C0/CS很小时，C/C
12、0的分母中的第二项又可以忽略。 C/C01。 高频信号时，反型层中的电子对电容没有贡献，此时空间电荷区的电容仍由耗尽层的电荷变化决定。N型半导体组成的MIS结构具有相似的规律。,(4) VG0,1金属和半导体功函数的影响(EF )M (EF )S WM 0 能带下弯VFB为达到平带状态所需加的电压(平带电压) 理想情况的平带电容CFB/C0对应于VG= 0；实际情况的平带电容CFB/C0对应于VG0。 必须外加一负电压，VG =-Vs，抵消由于两者功函数的不同引起的电场和能带的弯曲，才能达到平带状态。,二、实际的MIS结构的C-V特性,功函数差异对C-V曲线的影响理想MIS结构的C-V曲线金属
13、与半导体存在功函数差 时的C-V曲线 曲线1平行与电压轴平移VFB距离如果WmWs，形成的Vs0，这时C-V曲线是向右发生了移动。,固定离子：通常位于SiSiO2界面附近的200范围内 可动离子：Na+，K+或H+绝缘层中有一薄层电荷(面密度为Q)，无外加电压时，薄层电荷分别在金属和半导体表面层中感应出相反符号的电荷。因此在半导体空间电荷层内产生电场，能带发生弯曲。即未加外电压时，由于绝缘层内电荷的作用使半导体表面层离开了平带状态。为了恢复平带状态，须在金属板上加一定偏压。 Q0时，M和S表面层感应出负电荷，空间电荷层的能带向下弯曲，故金属板上加负偏压抵消掉半导体表面层内由Q产生的电场。相当于
14、CV曲线向左平移,2绝缘层中离子的影响,(1) 受主表面态在N型半导体中：使N型表面反型，VS0,能带上弯 在P型表面 ： Vs0，能带上弯, 表面积累更多空穴，为强p型材料只要表面有受主态存在，都会形成由体内向外的电场，使VS0，能带上弯，使C-V特性曲线向右平移。,3表面态的影响,存在于N型表面时： VS0，能带下弯，在表面形成强N型正电荷：电离的施主表面态 负电荷：多子积累P型材料：表面出现反型层 ，Vs0，能带下弯 正电荷：电离施主表面态 负电荷： 反型层中少子电子 耗尽层中电离的受主只要有施主表面态，总要形成指向内部的电场，在没加电场时，在表面就有电场VS0，能带下弯，C-V特性曲线
15、左移,(2) 施主表面态,一、p-n结的形成和种类 1合金法 用合金法制备的p-n结一般为突变结2扩散法 用扩散法制备的p-n结一般为缓变结，杂质浓度从p区到n区逐渐变化。,5- 4 半导体的p-n结,pn结的作用和用途,pn结中由于空间电荷区的作用，形成对电子运动有阻碍的势垒，载流子通过这个势垒时，按照其运动方向而难易不同，利用这种现象可制成二极管。 当光照射pn结时，由于自建电场的作用，使光照产生的电子空穴对定向运动形成光电流。利用这种现象的器件有太阳能电池、放射线、红外探测器等。 利用pn结电容与偏压有关，可制成变容二极管。 利用高掺杂浓度制成隧道二极管，利用其独特的负阻特性可用于振荡器
16、、放大器及其它方面。,1平衡p-n结的形成P型材料的多子用pp0表示，少子为np0n型材料的多子用nn0表示，少子为pn0单独的n型、P型半导体是电中性的 形成p-n结后，由于载流子的浓度梯度， 导致了空穴从pn，电子从np的扩散运动P区中的空穴离开后留下不可动的带负电的电离受主，没有正电荷与之保持电中性，因此结附近靠近p区一侧出现负电荷区。同理，结附近靠近n区一侧出现由电离施主构成的正电荷区。形成由np区，从正电荷指向负电荷的恒定电场，称为内建场，它存在于结区。内建场起阻碍电子和空穴扩散的作用。 平衡后： J扩 =J漂 处于热平衡状态的结称为平衡结。,二、平衡p-n结的特点,2平衡p-n结的
17、能带及势垒,能带相对移动的原因 空间电荷区的内建电场的结果。随着nP的电场的增强，V(x)由nP不断降低，而电子的电势能qV(x)由nP不断升高。p区能带相对n区上移，n区能带相对p区下移，直到EF处处相等， p-n结平衡。p-n结中的EF处处相等标志了每一种载流子的J扩和J漂互相抵消，没有净电流通过p-n结。,二者接触后，电子由nP, 空穴由Pn, 导致(EF)n，(EF)p.直到(EF)n =(EF)p =EF ， p-n结平衡，J扩=J漂，形成恒定电场E,方向由nP。,假设： P区：Ec=Ecp Ev=Evp n0=np0 p0=pp0 N区：Ec=Ecn Ev=Evn n0=nn0 p
18、0=pn0 同质p-n结:平衡时：qVD=EFn -EFp饱和区，全电离：pp0=NA , nn0=NDVD与p-n结二边的掺杂浓度、温度及Eg有关：Eg越大，ni越小，VD越大,三、非平衡p-n结,1. 正偏p-n结的能带正偏时，势垒区内载流子浓度减小，电阻很大；势垒区外载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正偏压落在势垒区正偏压在势垒区产生了与内建电场相反的电场，因而减弱了势垒区的电场强度，表面空间电荷相应减少。故势垒区宽度减小，势垒高度从qVD下降为q(VD-V)势垒区电场减弱，破坏了载流子的运动平衡，漂移运动减弱，J扩J漂。电子通过势垒区扩散 入p区，电子在xp处积累，形 成向p区内部电子
19、扩散流。,2正偏时载流子的运动和电流成分,P： J= JpN： J= Jn结：J= Jp结 + Jn结扩：J= Jp(x) + Jn(x)正偏时，n区中电子向nn漂移，越过势垒区，经pp进入p区，构成进入p区的电子J扩；进入p区后继续向内部扩散，形成电子扩散电流。扩散过程中，电子与从p区内部向pp漂移来的空穴复合，电子电流不断转化为空穴电流，直到注入的电子全部复合，电子电流全部转化为空穴电流为止。,单向导电性正偏下，J随偏压呈指数关系增大，正偏与反偏时的J-V曲线不对称(整流效应) 例如室温：KT=0.026ev 当V=0.26v:温度对J影响很大：Js-T主要由 决定，T,Js迅速增大，且E
20、g越大，Js变化越快T，正向JJs反向饱和电流密度,常量,与外加电压无关,3正偏下的电流密度,反偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，势垒区的电场增强，势垒区变宽，势垒高度qVD增大为q( VDV)。势垒区电场增强，破坏了载流子扩散运动和漂移运动的原有平衡，漂移运动增强，J漂 J扩。当|V|, ，J ,最后JJs(反向饱和电流),4反偏时的p-n结,四、p-n结的击穿特性,反向电压使结区电场达到105v/cm，反向饱和电流不再恒定，而是突然增加，这种现象称为p-n结的击穿，对应的电压称为击穿电压，用VBR表示。击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加。,
21、1雪崩击穿一般发生在缓变结中，且掺杂浓度比较低 反向偏压下，流过p-n结的反向电流，主要是p区扩散到势垒区的电子电流和由n区扩散到势垒区的空穴电流反偏很大时，势垒区的电场很强，区内的电子和空穴受到强电场的漂移作用有很大动能，它们与晶格原子发生碰撞，把价键上的电子碰撞出来成为导电电子，同时产生一个空穴。即高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子空穴对一个电子碰撞出一个电子和一个空穴，即一个载流子变成了三个载流子，如此继续碰撞，载流子大量增加，通过载流子的倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生击穿,2隧道击穿Eg小、突变结、掺杂高的缓变结是导致隧道击
22、穿的因素。在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带的击穿现象。一般杂质浓度，雪崩击穿是主要的；在杂质浓度高，反向偏压不高时，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，隧道击穿占主要。3热击穿容易发生的条件是Eg小，散热不好的器件。当p-n结上施加反向电压时，反向电流会引起热损耗，反向电压逐渐增大，对应的反向电流所损耗的功率也增大，将产生大量热能。如果散热条件不好，热能无法及时传递，结温度会上升。反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，结温,Js迅速上升，产生的热能也迅速增大，如此循环而发生击穿。,一、金属半导体接触及能级图 1. 金属和半导体的功函数 金属中的电子绝大多数所处
23、的能级都低于体外能级。 功函数的定义是E0与EF能量之差，用WM表示，即表示一个起始能量等于EF的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。,5-5 金属和半导体的接触,2. 接触电势差,半导体中，导带底Ec和价带顶 Ev一般都比E0低几个电子伏。 半导体的功函数可以写成：金属半导体接触，由于Wm和Ws不同，会产生接触电势差Vms。同时半导体能带发生弯曲，使其表面和内部存在电势差Vs，即表面势Vs，因而紧密接触时，,（c）紧密接触 （d）忽略间隙 图(a) (d)为金属n型半导体接触能带图 (WmWs),一类是整流接触，形成阻挡层，即肖特基接触； 一类是非整流接触，形成反阻挡层，即欧姆接触。
24、 当金属与n型半导体接触时： 若WmWs ，则在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方向由体内指向表面，Vs0，它使半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形成表面势垒。在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。若 WmWs ，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成的空间电荷区。,典型金属半导体接触有两类：,(a) p型阻挡层(WmWs)金属p型半导体接触能带图 形成n型和p型阻挡层的条件：,金属和p型半导体接触时：,形成阻挡层的条件与n型的相反 当WmWs时，能带向上弯曲，形成p型反阻挡层 当WmWs时，能带向下弯曲
25、，造成空穴的势垒，形成p型阻挡层。,二、金属半导体接触的整流理论,2.1 金属半导体接触的整流特性 在金属半导体接触中，金属一侧势垒高度不随外加电压而变，半导体一侧势垒高度与外加电压相关。因此，当外加电压使半导体一侧势垒高度降低时，形成从半导体流向金属的净离子流密度，且随外加电压而变化；反之，则是从金属到半导体的离子流密度，该电流较小。且与外加电压几乎无关。这就是金属半导体接触整流特性。,2.2.1 扩散理论,对于n型阻挡层，当势垒宽度比电子的平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层厚阻挡层。当势垒高度远大于k0T时，势垒区可近似为一个耗尽层在耗尽层中，载流子极为稀少，它
26、们对空间电荷的贡献可忽略；杂质全部电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。若半导体是均匀掺杂的，则耗尽层中的电荷密度也是均匀的，且等于qND，ND是施主浓度。这时泊松方程是：,2.2.2 热电子发射理论 计算超越势垒的载流子数目就是热电子发射理论电子从MS所面临的势垒高度不随外加电压变化。从金属到半导体的电子流所形成的电流密度Jms是个常量，它应与热平衡条件下，即V=0时的大小相等，方向相反。因此：由上式得到总电流密度为：,Ge、Si、GaAs具有较高的载流子迁移率，即有较大的平均自由程，因而在室温下，这些半导体材料的肖特基势垒中的电流输运机构主要是热电子发射。 2.2.3 肖特基势垒二极管肖
27、特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的，此二极管将有较低的正向导通电压，一般为0.3V左右。,三、欧姆接触 欧姆接触：不产生明显的附近阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，形成非整流接触，这是另一类重要的M-S接触。重掺杂的P-N结可以产生显著的隧道电流。M-S接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时， 其接触电阻很小，可以用 作欧姆接触。N型阻挡层的势垒贯穿,欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧道效应制造。 实
28、际生产中，主要利用隧道效应在半导体上制造欧姆接触。 欧姆接触的I-V特性曲线：,一、表面态、表面电场效应P型半导体表面空间电荷层的四种基本状态 VG变化VS变化 能带弯曲电荷分布变化 VG0 VG0多子堆积 平带 多子耗尽 反型少子堆积N型半导体表面空间电荷层的四种基本状态,第五章 小 结,二、理想的MIS结构的C-V特性,三、实际的MIS结构的C-V特性1. 功函数差的影响2. 表面态的影响3. 绝缘层中离子的影响四、半导体p -n结1. 平衡p-n结及能带2. 非平衡p -n结、偏置下的能带及电流密度3. p -n结的击穿4. 隧道结的能带及伏安特性五、金属半导体的接触1. 接触电势差及M-S接触的整流理论2. 欧姆接触,五、隧道结(了解 ),重掺杂1019/cm3，这种强p型、强n型材料形成的p+n+结称为隧道结。 1隧道结的能带结构,2隧道结的伏安特性,(1) 平衡隧道结,(2) 加正偏，电压0VVp,(3) 当V=Vp，(EF)p=Ecn,(4) 正偏继续，(EF)nEvp，(EF)pEcn,(5) 当V=VV时，Ecn=Evp,(6) V再，与普通的p-n结一样 (7) 加反向电压，势垒加高,
