半導(dǎo)體物理基本概況本章主要內(nèi)容：MIS結(jié)構(gòu)中的表面電場效應(yīng)MIS結(jié)構(gòu)電容-電壓特性硅-二氧化硅系統(tǒng)性質(zhì)表面電場對pn結(jié)特性的影響半導(dǎo)體物理基本概況我們通過一個(gè)MIS結(jié)構(gòu)來討論在外加電場作用下半導(dǎo)體表面層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，并假設(shè)考慮的理想的MIS結(jié)構(gòu)滿足以下條件：⑴金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)相等；⑵絕緣層內(nèi)無電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；⑶絕緣層與半導(dǎo)體交界面處不存在任何界面態(tài)。半導(dǎo)體物理基本概況MIS結(jié)構(gòu)示意圖及理想MIS的能帶圖半導(dǎo)體物理基本概況外加電場作用于該MIS結(jié)構(gòu)，金屬接高電位，即VG>0MIS結(jié)構(gòu)由于絕緣層的存在不能導(dǎo)電，實(shí)際就是一個(gè)電容器，金屬與半導(dǎo)體相對的兩個(gè)面上被充電，結(jié)果金屬一層的邊界有正電荷積累，而在P型半導(dǎo)體表面形成一定寬度的帶負(fù)電荷的空間電荷區(qū)。半導(dǎo)體物理基本概況在空間電荷區(qū)內(nèi)，電場的方向由半導(dǎo)體與絕緣層的交界面（半導(dǎo)體表面）指向半導(dǎo)體內(nèi)部，同時(shí)空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢也隨距離而變化，這樣半導(dǎo)體表面相對體內(nèi)產(chǎn)生了電勢差，同時(shí)能帶在空間電荷區(qū)內(nèi)發(fā)生了彎曲。│E│半導(dǎo)體物理基本概況表面勢Vs：稱空間電荷層兩端的電勢差為表面勢，以Vs表示之，規(guī)定表面電勢比內(nèi)部高時(shí)，Vs取正值；反之Vs取負(fù)值。表面勢及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG而變化，基本上可歸納為三種情況：多子堆積、多子耗盡和少子反型。分析要點(diǎn)：①表面空間電荷區(qū)電場方向和表面勢；②半導(dǎo)體表面能帶彎曲情況;③表面空間電荷區(qū)電荷組成；④名稱由來。半導(dǎo)體物理基本概況⑴多數(shù)載流子堆積狀態(tài)：電場由半導(dǎo)體內(nèi)部指向表面，表面勢為負(fù)值，表面處能帶越靠近表面向上彎曲。越接近半導(dǎo)體表面，價(jià)帶頂越移近費(fèi)米能級甚至高過費(fèi)米能級，同時(shí)價(jià)帶中空穴濃度也隨之增加，即表面空間電荷層為空穴的堆積而帶正電荷，且越接近表面空穴濃度越高——多子堆積狀態(tài)。MISε半導(dǎo)體物理基本概況⑵多數(shù)載流子的耗盡狀態(tài)電場由半導(dǎo)體表面指向體內(nèi)，表面勢為正值，表面處能帶越靠近表面向下彎曲。越接近表面，半導(dǎo)體價(jià)帶頂離費(fèi)米能級越遠(yuǎn)，價(jià)帶頂處的空穴濃度隨之降低。表面處空穴濃度較體內(nèi)空穴濃度低得多，表面層的負(fù)電荷基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度——多子的耗盡狀態(tài)（耗盡層）。ε半導(dǎo)體物理基本概況⑶少數(shù)載流子的反型狀態(tài)當(dāng)空間電荷區(qū)內(nèi)能帶進(jìn)一步向下彎曲使費(fèi)米能級位置高于禁帶中線，意味著表面處出現(xiàn)了一個(gè)與襯底導(dǎo)電類型相反的一層，叫做反型層。反型層發(fā)生在緊靠在半導(dǎo)體表面處，從反型層到半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾著一個(gè)耗盡層。此時(shí)，表面空間電荷區(qū)由兩部分組成，一部分是耗盡層中的電離受主，另一部分是反型層中的電子，后者主要堆積在近表面區(qū)ε——少子反型狀態(tài)半導(dǎo)體物理基本概況金屬與半導(dǎo)體間加負(fù)壓，多子堆積金屬與半導(dǎo)體間加不太高的正壓，多子耗盡金屬與半導(dǎo)體間加高正壓，少子反型p型半導(dǎo)體VG<0VG>0VG>>0半導(dǎo)體物理基本概況n型半導(dǎo)體金屬與半導(dǎo)體間加正壓，多子堆積金屬與半導(dǎo)體間加不太高的負(fù)壓，多子耗盡金屬與半導(dǎo)體間加高負(fù)壓，少子反型VG>0VG<0VG<<0半導(dǎo)體物理基本概況8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容規(guī)定x軸垂直于表面指向半導(dǎo)體內(nèi)部，表面處為x軸原點(diǎn)。采用一維近似處理方法,空間電荷層中電勢滿足泊松方程半導(dǎo)體物理基本概況其中設(shè)半導(dǎo)體表面層仍可以使用經(jīng)典分布，則在電勢為V的x點(diǎn)（半導(dǎo)體內(nèi)部電勢為0），電子和空穴的濃度分別為8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況在半導(dǎo)體內(nèi)部，電中性條件成立，故即帶入可得8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況上式兩邊乘以dV并積分，得到將上式兩邊積分，并根據(jù)8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況得令1

2

3

48.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況分別稱為德拜長度，F(xiàn)函數(shù)。

則式中當(dāng)V大于0時(shí)，取“+”號；V小于0時(shí)，取“-”號。8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況在表面處V=Vs，半導(dǎo)體表面處電場強(qiáng)度根據(jù)高斯定理，表面處電荷面密度Qs與表面處的電場強(qiáng)度有如下關(guān)系，8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況帶入可得表面處電荷面密度當(dāng)金屬電極為正，即Vs>0，Qs用負(fù)號；反之Qs用正號。可以看出，表面空間電荷層的電荷面密度QS隨表面勢VS變化，正體現(xiàn)出MIS結(jié)構(gòu)的電容特性。8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況在單位表面積的表面層中空穴的改變量為因?yàn)?.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況考慮到x=0，V=Vs和x=∞，V=0，則得同理可得8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況半導(dǎo)體表面處單位面積微分電容單位F/m2。下面以P型半導(dǎo)體構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)，討論三種類型時(shí)的電場、電荷面密度及電容情況。返回8.1表面電場效應(yīng)

8.1.2表面空間電荷層的電場、電勢和電容半導(dǎo)體物理基本概況8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況（1）多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（積累層）當(dāng)VG<0時(shí)，表面勢VS及表面層內(nèi)的電勢V都是負(fù)值，對于足夠負(fù)的VS和V，F(xiàn)函數(shù)里只有負(fù)指數(shù)項(xiàng)起主要作用。表面電荷QS隨表面勢的絕對值增大而按指數(shù)增長，表面電場、電荷密度及單位面積微分電容為：半導(dǎo)體物理基本概況（2）平帶狀態(tài)VS=0時(shí)，半導(dǎo)體表面無空間電荷區(qū)，能帶不彎曲，此時(shí)

QS=0，F(xiàn)=0當(dāng)VS→0時(shí)，平帶電容為8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況（3）多子耗盡狀態(tài)（耗盡層）當(dāng)VG>0時(shí)，但其大小還不足以使表面出現(xiàn)反型狀態(tài)時(shí)，空間電荷區(qū)為空穴的耗盡層。F函數(shù)中起主要作用的為，此時(shí)：代入LD采用耗盡近似返回8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況對于耗盡狀態(tài)，空間電荷區(qū)也可以用“耗盡層近似”來處理，即假設(shè)空間電荷區(qū)內(nèi)所有負(fù)電荷全部由電離受主提供，對于均勻摻雜的半導(dǎo)體，電荷密度為：代入泊松方程求解，得到：電勢分布表面勢其中的xd為空間電荷區(qū)寬度，若已知表面勢VS，可求出電荷區(qū)寬度為單位面積電容電荷面密度8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況（4）少數(shù)載流子反型狀態(tài)（反型層，VG＞0

）①弱反型：如能帶圖所示，表面剛剛開始出現(xiàn)反型層的條件：

表面處即表面勢＝費(fèi)米勢所以形成弱反型層的條件：其中：8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況②強(qiáng)反型層出現(xiàn)的條件：當(dāng)Ｐ型襯底表面處的電子濃度等于體內(nèi)的多子空穴濃度時(shí)。

半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型層的條件：

此時(shí)表面勢為：8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況當(dāng)半導(dǎo)體表面進(jìn)入強(qiáng)反型時(shí)，即當(dāng)VS=2VB時(shí)金屬板上加的電壓習(xí)慣上稱為開啟電壓，以VT表示，該電壓由絕緣層和半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)共同承擔(dān)，即其中V0是落在絕緣層上的電壓降，2VB是落在空間電荷區(qū)的電壓降，也就是表面勢。(注意：開啟電壓的求法）對于弱反型和強(qiáng)反型，空間電荷區(qū)的電場、電荷面密度及電容公式有一些區(qū)別，討論如下：8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況弱反型時(shí)：空間電荷層的電場、電荷密度公式與多子耗盡時(shí)相似，F(xiàn)函數(shù)簡化為：臨界強(qiáng)反型時(shí):8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況到達(dá)強(qiáng)反型之后，當(dāng)表面勢VS比2VB大的多時(shí)，F(xiàn)函數(shù)簡化為：此時(shí)，電場、面電荷密度及表面空間電荷層電容分別為：8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況需要注意的是理想情況下，若外加偏壓變化緩慢，則一旦出現(xiàn)強(qiáng)反型，表面耗盡層寬度就達(dá)到一個(gè)極大值xdm，不再隨外加電壓的增加而繼續(xù)增加，利用耗盡層近似的方法求出最大寬度：這是因?yàn)榉葱蛯又蟹e累電子屏蔽了外電場的作用，當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí)，通過電子的繼續(xù)增多來保持電中性，而不必使耗盡層向半導(dǎo)體內(nèi)部繼續(xù)延伸。8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況⑸深耗盡狀態(tài)

這是一種非平衡狀態(tài)，如在MIS結(jié)構(gòu)上加一高頻正弦波形成的正電壓，雖然電壓的幅度已經(jīng)超過強(qiáng)反型條件，但是由于空間電荷層中電子的產(chǎn)生速率趕不上電壓的變化，反型層來不及建立，為了保持和金屬板上的正電荷平衡，只能依靠將耗盡層向半導(dǎo)體內(nèi)部繼續(xù)推進(jìn)而產(chǎn)生更多的電離受主。此時(shí)，空間電荷區(qū)的電荷全部由電離受主提供，耗盡層的寬度可超過最大寬度xdm，且寬度隨電壓VG的增加而增大，稱為“深耗盡狀態(tài)”，仍可用耗盡層近似來處理。8.1表面電場效應(yīng)

8.1.3各種表面層狀態(tài)下的電容情況半導(dǎo)體物理基本概況§8.2MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性MIS結(jié)構(gòu)的微分電容理想MIS結(jié)構(gòu)的低頻C-V特性理想MIS結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況8.2.1MIS結(jié)構(gòu)的微分電容柵壓——VG=VO+VS當(dāng)不考慮表面態(tài)電荷,半導(dǎo)體的總電荷面密度QS=-QG

MIS結(jié)構(gòu)的微分電容——CdQG/dVG半導(dǎo)體物理基本概況定義

絕緣層電容——

空間電荷區(qū)電容——?jiǎng)t有即

上式說明，MIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體空間電荷層電容的串聯(lián)，其等效電路如右圖。8.2.1MIS結(jié)構(gòu)的微分電容半導(dǎo)體物理基本概況8.2.2理想MIS結(jié)構(gòu)的低頻C-V特性理想MIS結(jié)構(gòu):金屬的功函數(shù)與半導(dǎo)體相同（Vms=0）氧化層中沒有電荷存在（Qo=0）半導(dǎo)體－氧化物沒有界面態(tài)（Qss=0）MIS結(jié)構(gòu)的微分電容公式:S代入公式，可求得理想MIS結(jié)構(gòu)在各種狀態(tài)下的C/C0值，仍以P型襯底的MIS結(jié)構(gòu)為例。半導(dǎo)體物理基本概況⒈多子堆積狀態(tài)：VG<0VS<0

當(dāng)負(fù)偏壓較大時(shí)，上式指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)小于1,(C/Co)→1,MIS結(jié)構(gòu)的電容呈現(xiàn)為Co，如圖中AB段所示。當(dāng)負(fù)偏壓較小時(shí)，指數(shù)項(xiàng)也要考慮，隨著負(fù)偏壓逐漸增大,(C/Co)逐漸減小，圖中BC段所示。8.2.2理想MIS結(jié)構(gòu)的低頻C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況⒉平帶狀態(tài)，VG=0,VS=0歸一化平帶電容（把LD代入后）由MIS結(jié)構(gòu)的參數(shù)εrs、εr0、NA、d0，就可以估算出平帶電容的大小。8.2.2理想MIS結(jié)構(gòu)的低頻C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況⒊多子耗盡狀態(tài)及弱反型時(shí)：VG>0,0<VS<2VB(C/Co)隨表面勢VS或柵極電壓VG的變化關(guān)系為可以看出，當(dāng)VG增加時(shí)，(C/Co)將減小，這是由于處于耗盡狀態(tài)的表面空間電荷區(qū)厚度隨VG增大而增大，則CS減小，(C/Co)也隨之減小，如圖CD段。8.2.2理想MIS結(jié)構(gòu)的低頻C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況⒋表面強(qiáng)反型時(shí)：VG>VT,VS>2VB①如果是處于低頻信號下，強(qiáng)反型的MIS結(jié)構(gòu)上qVS>2qVB>>k0T，上式分母第二項(xiàng)的很小趨近于零，所以(C/Co)→1，說明MIS結(jié)構(gòu)電容又上升到等于絕緣層電容，如圖EF段。8.2.2理想MIS結(jié)構(gòu)的低頻C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況?②如果是處于高頻信號下,反型層中電子的產(chǎn)生與復(fù)合跟不上頻率的變化,空間電荷區(qū)電容呈現(xiàn)的是耗盡層電容，由于強(qiáng)反型時(shí)耗盡層有最大寬度xdm，使耗盡層電容達(dá)最小值，所以MIS結(jié)構(gòu)的電容也呈現(xiàn)極小電容Cmin`——不再隨偏壓VG變化，如圖GH段。此時(shí)8.2.3理想MIS結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況⒌深耗盡狀態(tài)：若理想MIS結(jié)構(gòu)處于深耗盡狀態(tài)，此時(shí)耗盡層寬度xd隨外加VG而變化，CS不再是定值，所以MIS結(jié)構(gòu)電容C/C0不再呈現(xiàn)為最小值。8.2.3理想MIS結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況8.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性一、金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差異的影響⒈無外加偏壓時(shí)能帶圖：若金屬和半導(dǎo)體存在功函數(shù)差異，當(dāng)形成MIS系統(tǒng)時(shí)，為了使金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級保持水平，在半導(dǎo)體表面會(huì)形成空間電荷區(qū)，表面能帶發(fā)生彎曲，表面勢VS不為零。下圖為某一實(shí)際P型MIS結(jié)構(gòu)在無外加偏壓時(shí)的能帶圖，考慮Wm<Ws情況。無偏壓時(shí)半導(dǎo)體表面形成帶負(fù)電的空間電荷區(qū)，表面勢VS>0，能帶下彎。半導(dǎo)體物理基本概況Vs>08.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況⒉功函數(shù)差對C-V曲線的影響：存在功函數(shù)差異的實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)和理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線形狀一致，但位置有一些變化。在上面的例子中，無偏壓時(shí)VS>0，能帶下彎，為了恢復(fù)半導(dǎo)體表面平帶狀態(tài)，必須在金屬一側(cè)加一定的負(fù)電壓，抵消半導(dǎo)體表面勢對能帶的影響。這個(gè)為了恢復(fù)平帶狀態(tài)所需加的電壓叫做平帶電壓，以VFB表示，大小為：8.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況左圖為該MIS結(jié)構(gòu)的實(shí)際C-V特性曲線（曲線2）。從圖中可知，與理想MIS結(jié)構(gòu)C-V曲線（曲線1）相比，實(shí)際MIS的C-V曲線沿電壓軸向負(fù)方向平移了一段距離│VFB│。

綜上：金屬與半導(dǎo)體存在功函數(shù)差的實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)，其C-V特性曲線會(huì)沿電壓軸向左或右平移，平移的距離即為平帶電壓VFB，其正負(fù)代表平移的方向。BVFB8.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況二、絕緣層電荷對MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響設(shè)絕緣層中有一薄層電荷，單位面積上的電荷量為Q，離金屬表面的距離為x，帶正電。⒈無偏壓時(shí)絕緣層電荷對半導(dǎo)體能帶的影響為了保持電中性，絕緣層的正電荷會(huì)在金屬及半導(dǎo)體表面層中感應(yīng)出負(fù)電荷，因此在半導(dǎo)體表面有負(fù)的空間電荷區(qū)，表面能帶下彎，表面勢VS>0。8.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況Q>08.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況⒉絕緣層電荷對C-V特性的影響半導(dǎo)體表面感應(yīng)出的負(fù)電荷導(dǎo)致了半導(dǎo)體表面能帶的彎曲，為了恢復(fù)半導(dǎo)體的平帶狀態(tài)，需要在金屬一側(cè)加一個(gè)負(fù)偏壓VFB，使金屬板上的負(fù)電荷量增加到等于絕緣層電荷Q，這樣半導(dǎo)體表面就不會(huì)有感應(yīng)的負(fù)電荷，表面能帶恢復(fù)水平狀態(tài)，VFB的大小，我們這樣來考慮：8.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況在平帶電壓VFB的作用下，電荷只出現(xiàn)在金屬板和絕緣層中，內(nèi)電場集中在金屬板和絕緣層薄層電荷之間，由高斯定理可推出：該MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線也沿電壓軸向負(fù)方向平移，平移的距離即為│VFB│，如圖中的曲線（2）。其中C0——絕緣層單位面積電容。8.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況⒊絕緣層電荷位置對C-V特性的影響當(dāng)x=0時(shí)，絕緣層電荷貼近金屬一側(cè)，VFB=0當(dāng)x=d0時(shí)，絕緣層電荷貼近半導(dǎo)體一側(cè)，平帶電壓有最大值

這說明絕緣層電荷越接近半導(dǎo)體表面，對C-V特性的影響越大，若位于金屬與絕緣層界面處，對C-V特性無影響。8.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況⒋體分布的絕緣層電荷對平帶電壓的影響若絕緣層中的電荷不是薄層分布而是體分布，設(shè)金屬與絕緣層界面為坐標(biāo)原點(diǎn)，體電荷密度為ρ(x)，其平帶電壓為：當(dāng)功函數(shù)差和絕緣層電荷同時(shí)存在時(shí)，平帶電壓為：8.2.4實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性半導(dǎo)體物理基本概況硅-二氧化硅系統(tǒng)中的電荷和態(tài)1.二氧化硅中的可動(dòng)離子2.二氧化硅中的固定表面電荷3.在硅–二氧化硅界面處的快界面態(tài)8.3Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)半導(dǎo)體物理基本概況8.3.1二氧化硅中的可動(dòng)離子二氧化硅中的可動(dòng)離子有Na、K、H等，其中最主要而對器件穩(wěn)定性影響最大的是Na離子。來源：使用的試劑、玻璃器皿、高溫器材以及人體沾污等為什么SiO2層中容易玷污這些正離子而且易于在其中遷移呢？半導(dǎo)體物理基本概況二氧化硅的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu)的基本單元是一個(gè)由硅氧原子組成的四面體，Na離子存在于四面體之間，使二氧化硅呈現(xiàn)多孔性，從而導(dǎo)致Na離子易于在二氧化硅中遷移或擴(kuò)散。由于Na的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它雜質(zhì)。根據(jù)愛因斯坦關(guān)系，擴(kuò)散系數(shù)跟遷移率成正比，故Na離子在二氧化硅中的遷移率也特別大。

半導(dǎo)體物理基本概況溫度達(dá)到127攝氏度以上時(shí)，Na離子在電場作用下以較大的遷移率發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)。二氧化硅中鈉離子的漂移對C-V曲線的影響曲線1為原始C-V曲線，認(rèn)為此時(shí)所有可動(dòng)鈉離子都位于金屬和絕緣層交界附近；曲線2是加正10V偏壓在127℃下退火30分鐘后測得的C-V曲線；接著在加負(fù)10V偏壓并在同樣溫度下退火30分鐘后測其C-V曲線，即為曲線3。半導(dǎo)體物理基本概況B-T實(shí)驗(yàn)測定可動(dòng)離子電荷密度：上述實(shí)驗(yàn)稱為偏壓–溫度實(shí)驗(yàn)，簡稱B-T實(shí)驗(yàn)。可以利用該實(shí)驗(yàn)測量二氧化硅中單位面積上的可動(dòng)離子Na離子的電荷密度：從而求出二氧化硅層中單位面積鈉離子數(shù)目為：——△VFB是曲線1和2平帶電壓之差半導(dǎo)體物理基本概況可動(dòng)鈉離子對器件的穩(wěn)定性影響最大（1）漏電增加，擊穿性能變壞（2）平帶電壓增加如何解決鈉離子玷污的問題（1）把好清潔關(guān)（2）磷蒸汽處理半導(dǎo)體物理基本概況8.3.2二氧化硅中的固定表面電荷.二氧化硅層中固定電荷有如下特征電荷面密度是固定的這些電荷位于Si-SiO2界面200?范圍以內(nèi)固定表面電荷面密度的數(shù)值不明顯地受氧化層厚度或硅中雜質(zhì)類型以及濃度的影響固定電荷面密度與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系半導(dǎo)體物理基本概況過剩硅離子是固定正電荷的來源這些電荷出現(xiàn)在Si-SiO2界面200?范圍以內(nèi)，這個(gè)區(qū)域是SiO2與硅結(jié)合的地方，極易出現(xiàn)SiO2層中的缺陷及氧化不充分而缺氧，產(chǎn)生過剩的硅離子實(shí)驗(yàn)證明，若在硅晶體取向分別為[111]、[110]和[100]三個(gè)方向生長SiO2時(shí)，他們的硅–二氧化硅結(jié)構(gòu)中的固定表面電荷密度之比約為3:2:1。將氧離子注入Si-SiO2系統(tǒng)界面處，在450度進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)固定表面電荷密度有所下降半導(dǎo)體物理基本概況固定表面電荷（帶正電）位于Si-SiO2界面處，相當(dāng)于絕緣層中有離金屬的距離為d0的一層帶正電的面電荷一樣，因此也會(huì)帶來平帶電壓的影響，如下圖所示。由節(jié)的內(nèi)容可知，固定表面電荷Qfc引起的平帶電壓為：

單位面積的固定正電荷數(shù)目

固定表面電荷對MIS結(jié)構(gòu)的C-V曲線的影響：

半導(dǎo)體物理基本概況與B-T實(shí)驗(yàn)相關(guān)的例題解析：一、在一個(gè)P型半導(dǎo)體構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)中，絕緣層里同時(shí)含有可動(dòng)鈉離子和固定表面電荷，在已知該MIS結(jié)構(gòu)各組成物質(zhì)的參數(shù)的前提下（絕緣層厚度、功函數(shù)、介電常數(shù)等），分析如何通過B-T實(shí)驗(yàn)來確定絕緣層中的可動(dòng)離子電荷面密度Qm及固定表面電荷面密度Qfc？注意結(jié)合C-V曲線和B-T實(shí)驗(yàn)的計(jì)算問題。半導(dǎo)體物理基本概況與B-T實(shí)驗(yàn)相關(guān)的例題解析：二、用N型硅單晶作為襯底制成的MOS二極管，金屬鋁面積為。在150℃下進(jìn)行負(fù)B-T和正B-T處理，測得其C-V特性曲線分別如圖⑴和⑵。已知：求：⒈二氧化硅層的厚度d0；⒉二氧化硅層中的固定表面電荷面密度Qfc;⒊二氧化硅層中的可動(dòng)離子電荷面密度Qm。半導(dǎo)體物理基本概況8.3.3在Si-SiO2界面處的快界面態(tài)Si-SiO2系統(tǒng)中位于兩者界面處的界面態(tài)就是來自于懸掛鍵，即所謂塔姆能級。硅表面的晶格缺陷和損傷，將增加懸掛鍵的密度，同樣引入界面態(tài)。在硅表面處存在雜質(zhì)等也可以引入界面態(tài)，這些界面態(tài)位于Si-SiO2界面處，所以可以迅速地和Si半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)帶或價(jià)帶交換電荷，故此稱為“快態(tài)”。

半導(dǎo)體物理基本概況界面態(tài)能級被電子占據(jù)時(shí)呈現(xiàn)電中性，而施放了電子之后呈現(xiàn)正電性，稱為施主型界面態(tài)若能級空著時(shí)為電中性而被電子占據(jù)時(shí)帶上負(fù)電荷，即稱為受主型界面態(tài)界面態(tài)能級被電子或空穴所占據(jù)的概率，與半導(dǎo)體內(nèi)部的雜質(zhì)能級被電子占據(jù)的概率分布相同

一般分布：認(rèn)為界面態(tài)能級連續(xù)地分布在禁帶中，其中有兩個(gè)高密度峰：一個(gè)靠近導(dǎo)帶底為受主界面態(tài)；另一個(gè)靠近價(jià)帶頂為施主界面態(tài)半導(dǎo)體物理基本概況半導(dǎo)體物理基本概況減少界面態(tài)的方法合理地選擇面原子密度小的晶面，如（100）晶面上生長SiO2，會(huì)減小未飽和的懸掛鍵的密度，從而使界面態(tài)密度下降通過選擇在適當(dāng)?shù)臈l件和氣氛下對Si-SiO2系統(tǒng)進(jìn)行退火，來降低表面態(tài)的密度

半導(dǎo)體物理基本概況8.3.4SiO2中的陷阱電荷Si－SiO2系統(tǒng)在器件工藝，測試或應(yīng)用中常常會(huì)受高能粒子，這些電磁輻射通過氧化層時(shí)，可以在氧化層中產(chǎn)生電子－空穴對。在偏壓作用下，電子－空穴對中的電子容易運(yùn)動(dòng)至外加偏置電路形成電流，而空穴即被SiO2層中的陷阱陷落而運(yùn)動(dòng)不到電極中去，那么氧化層就帶上了正電荷，這就是陷阱電荷。

Si－SiO2系統(tǒng)C-V特性向負(fù)偏壓方向平移而出現(xiàn)平帶電壓陷阱電荷在惰性氣體中，在300度以上進(jìn)行低溫退火，可以很快消除半導(dǎo)體物理基本概況§8.4表面電場對pn結(jié)特性的影響如果一個(gè)結(jié)構(gòu)中含有pn結(jié)，而在其附近又含有MIS結(jié)構(gòu)，那么MIS結(jié)構(gòu)處于不同狀態(tài)時(shí)，也會(huì)對pn結(jié)產(chǎn)生影響，即半導(dǎo)體表面電場效應(yīng)對pn結(jié)的影響。在這里，我們討論的主要是以下兩種影響：⒈表面電場對pn結(jié)能帶的影響；⒉表面電場對pn結(jié)反向電流的影響。研究的模型如圖所示，各