第五章半导体的表面界面及接触现象

第五章半导体的表面界面及接触现象第1页，共73页。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半导体的表面第2页，共73页。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。

第3页，共73页。SiSiSiSiSiSi例如硅(111)面，在超高真空下可观察到(7×7)结构，即表面上形成以(7×7)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。第4页，共73页。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。第5页，共73页。§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＜EFEcEvEF(EF)s•+－E第6页，共73页。EoEcEv(EF)sWsWm金属(M)半导体(S)+－E(EF)m2．功函数的差异WS>WM，即(EF)S

<(EF)M，形成由金属半导体的电场如果WS<WM，即(EF)S>(EF)M半导体中的电子向金属流动，形成由半金的电场第7页，共73页。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MIS结构的电容-电压特性的影响。+++－－－－－SI－ME第8页，共73页。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。第9页，共73页。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。d金属绝缘体半导体欧姆接触MIS结构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)。第10页，共73页。－－－－－－－－－－+++++++++－MISVG空间电荷区理想的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第11页，共73页。x0V(x)VsVG＞0xV(x)0VsVG＜0规定：表面电势比内部高时，VS>0，表面电势比内部低时，VS<0。外加正偏压VG时(M为正)，电场由表面指向体内，VS>0外加反向偏压时，VG<0，电场由体内指向表面，VS<0第12页，共73页。3．能带弯曲和载流子浓度的变化(1)能带弯曲有表面势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：ECqV(x)、EvqV(x)。位于空间电荷区内的X

VG>0，VS>0时，取负号，空间电荷区的能带从体内到表面向下弯曲界面EcEiEFEvxEg半导体绝缘体表面空间电荷区内能带的弯曲第13页，共73页。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：第14页，共73页。V(x)>0，能带向下弯V(x)<0，能带向上弯V(x)>0V(x)<0第15页，共73页。表面处X=0，V(x)=Vs第16页，共73页。VG<0，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0第17页，共73页。(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。EcEv第18页，共73页。IM++++++S－－－－－－电离的受主(3)VG>0，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。EcEvEFEiqVsqVB第19页，共73页。（4）VG>>0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<ns<(p0)p强反型：ns>(p0)p表面处EF>Ei,与Ev相比EF更靠近Ec，有ns>ps界面EcEiEFEvqVsxqVqVBEg半导体绝缘体P电子第20页，共73页。电子电离受主出现强反型的临界条件：ns

=(p0)p第21页，共73页。VG变化VS变化能带弯曲电荷分布变化

VG<0,VS<0VG=0VG>0VG>>0多子堆积平带多子耗尽反型少子堆积第22页，共73页。EEcEiEFEvE=0EcEiEFEvEEvEFEiEcEEcEiEFEv下方二图相似，EF与Ei距离体现出逐渐耗尽的过程第23页，共73页。x0QAρ(x)(a)0xρ(x)(b)xxρ(x)ρ(x)00xDxDQD(d)(c)XD耗尽厚度第24页，共73页。EEcEiEFEvEEcEFEiEvρ(x)ρ(x)00xx(e)(f)深耗尽QnQDQnQDQn>>QDxDxDm第25页，共73页。1)VG>0,VS>0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。

)VG<0，VS<0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)VG<<0表面能带向上弯曲，表面处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•••••+++

电离施主++

°°°空穴EFEi第26页，共73页。Ec

Ev

Ei

EF

(a)多子堆积Ec

Ev

Ei

EF

(b)多子耗尽Ec

Ev

Ei

EF

x x x x (a)反型(b)深耗尽Ec

Ev

Ei

EF

图1由n型半导体构成的理想MIS结构在各种VG下的表面势和电荷分布第27页，共73页。§5-3MIS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表示其电场强度，显然：Qm＝－Qs第28页，共73页。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：第29页，共73页。

n型半导体MIS结构的电容－电压特性1.00.80.60.40.200+V低频高频第30页，共73页。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εrs为绝缘层的相对介电常数

∵（n0)p<<(p0)p平带时的总电容为CFB：εr0为绝缘层相对介电常数第31页，共73页。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为耗尽层的厚度在表面处：V=VS，得到x=0处的表面势：—称为F函数第32页，共73页。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，VG>0，QS为负号金属为负时，VG<0，QS为正号第33页，共73页。p型半导体VG<0∣Vs∣↑,Cs↑∵C0/Cs随∣Vs∣↑而→0，∴C/C0→1，C→C03.表面空间电荷区的电容与VG的关系0VGC/Co－+1第34页，共73页。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-----IMS°°°°°第35页，共73页。(3)VG>0，金属接+，半导体接-VS>0，表面能带下弯，是空穴的势垒第36页，共73页。VS，少子积累越多，ns，Cs，C0/CS，C/C0当VS到使C0/CS很小时，C/C0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)VG>>0

第37页，共73页。1．金属和半导体功函数的影响(EF)M>(EF)SWM<WS-qVms=Ws－Wm

Vms为半导体相对于金属的电位

Vs

=－Vms

>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VG<0。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。MS(EF)M(EF)s•+－E二、实际的MIS结构的C-V特性第38页，共73页。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Wm>Ws，形成的Vs<0，为使恢复平带状态，必须加一正向电压，VG=-Vs>0，这时C-V曲线是向右发生了移动。(1)(2)0第39页，共73页。固定离子：通常位于Si—SiO2界面附近的200Å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。Q>0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C－V曲线向左平移++++MIS------EΕ外2．绝缘层中离子的影响第40页，共73页。(1)受主表面态

在N型半导体中：使N型表面反型，VS<0,能带上弯

在P型表面：Vs<0，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VS<0，能带上弯，使C-V特性曲线向右平移。EcEvEF•••+－E--电离受主表面态++°°°°电离施主空穴3．表面态的影响---°°°°°°°电离受主表面态多子空穴第41页，共73页。存在于N型表面时：VS>0，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，Vs>0，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VS>0，能带下弯，C-V特性曲线左移EcEvEF+++++•+－(2)施主表面态第42页，共73页。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。xNNAND§5-4半导体的p-n结第43页，共73页。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、放大器及其它方面。第44页，共73页。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p→n，电子从n→p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n→p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。PN°•_____+++++EJ扩J漂二、平衡p-n结的特点第45页，共73页。2．平衡p-n结的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。PNEFqVDEcEfnEiEvpnEfp

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。第46页，共73页。假设：P区：Ec=EcpEv=Evpn0=np0p0=pp0N区：Ec=EcnEv=Evnn0=nn0p0=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越大第47页，共73页。P

电子扩散区结区空穴扩散区Nxp’xpxnxn’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区内部电子扩散流。qVDPNΕ内+－q(VD－V)第48页，共73页。JnJpxJ=

Jn+Jp-xpxn2．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。第49页，共73页。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Eg越大，Js变化越快T↑，正向J↑

Js—反向饱和电流密度,常量,与外加电压无关VJJs3．正偏下的电流密度第50页，共73页。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(

VD－V)。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J→－Js(反向饱和电流)4．反偏时的p-n结qVDq(VD－V)+-np第51页，共73页。VBR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。第52页，共73页。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212212pn+第53页，共73页。2．隧道击穿Eg小、突变结、掺杂高的缓变结是导致隧道击穿的因素。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。•EcnEcpEvp第54页，共73页。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金属中的电子势阱第55页，共73页。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，EnWsEc(EF)sEvE0半导体的能级图第56页，共73页。（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(Wm>Ws)Dx（b）间隙很大（a）接触前EvxWsx第57页，共73页。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。当金属与n型半导体接触时：若Wm>Ws，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，Vs<0，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Wm<Ws，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：第58页，共73页。(a)

p型阻挡层(Wm<Ws)

(b)p型反阻挡层(Wm>Ws)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：n型p型Wm>WsWm<Ws阻挡层反阻挡层反阻挡层阻挡层(b)EcEv(a)WmxEcEv第59页，共73页。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Wm>Ws时，能带向上弯曲，形成p型反阻挡层当Wm<Ws时，能带向下弯曲，造成空穴的势垒，形成p型阻挡层。金属--半导体肖特基接触伏安特性曲线

JSTJVJSDVJ(a)扩散理论(b)热电子理论第60页，共73页。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。第61页，共73页。{0–2.2.1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：第62页，共73页。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：

第63页，共73页。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