理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)3.載流子的積累、耗盡和反型理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)前言：

半導(dǎo)體器件的特性與半導(dǎo)體表面特征性質(zhì)有特別重要的聯(lián)系。在超、特大集成電路迅速發(fā)展的今天，半導(dǎo)體器件的制造相當(dāng)多是在很薄的一層表面內(nèi)完成的（幾個(gè)微米甚至更?。?，因而，如何有效控制和完善半導(dǎo)體的表面質(zhì)量，從而進(jìn)一步利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)，可用來(lái)制造例如MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）器件、CCD（電荷耦合器件）、LED（發(fā)光二極管）、LCD（液晶顯示）、半導(dǎo)體激光等表面發(fā)光器件，以及太陽(yáng)能電池等表面感應(yīng)器件。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)理想表面（清潔表面）原子完全有規(guī)則排列所終止的一個(gè)平面。

表面排列整齊的硅原子與體內(nèi)的硅原子形成共價(jià)鍵，但由于表面價(jià)鍵處于所謂“懸掛鍵”的空置狀態(tài)，其狀態(tài)極其不穩(wěn)定，表面很容易吸附一些其他原子例如空氣中的氧原子而形成氧化層。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)真實(shí)表面

用物理或化學(xué)方法形成的半導(dǎo)體表面，暴露在空氣中，存在氧化層或吸附其他原子。表面存在“懸掛鍵”，對(duì)電子有受主的性質(zhì)，存在一些可以容納電子的能量狀態(tài)，稱(chēng)為“表面能級(jí)”或“表面態(tài)”。表面能級(jí)在禁帶中靠近價(jià)帶頂?shù)奈恢?，?zhǔn)連續(xù)。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

表面勢(shì)

空間電荷區(qū)表面到內(nèi)部另一端，電場(chǎng)從最大逐漸減弱到零，其各點(diǎn)電勢(shì)也要發(fā)生變化，這樣表面相對(duì)體內(nèi)就產(chǎn)生電勢(shì)差，并伴隨能帶彎曲，常稱(chēng)空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差為表面勢(shì)ΨS。

理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)一結(jié)構(gòu)MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)源極、襯底和漏極構(gòu)成兩個(gè)背靠背的二極管。在不加?xùn)艍簳r(shí)，只能有很小的反向飽和電流通過(guò)源漏極。當(dāng)柵壓足夠大時(shí)，柵極下面半導(dǎo)體會(huì)反型。襯底N型半導(dǎo)體－P型反型層－P溝道MOSFET襯底P型半導(dǎo)體－N型反型層－N溝道MOSFET反型層出現(xiàn)后，再增加電極上的電壓，主要是反型層中的電子增加，由電離受主構(gòu)成的耗盡層電荷基本上不再增加。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)二半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)①在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷②金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零③SiO2層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過(guò)理想MOS結(jié)構(gòu)假設(shè)：即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，使得整個(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。因此：理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)?0為SiO2層的內(nèi)建電場(chǎng)，QM為金屬極板上的電荷，則半導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷為QS=－QM。在外電場(chǎng)的作用下，在半導(dǎo)體表面形成具有相當(dāng)厚度（μｍ）的空間電荷區(qū)，它對(duì)電場(chǎng)起到屏蔽作用?？臻g電荷區(qū)的形成是由于自由載流子的過(guò)?；蚯啡币约半s質(zhì)能級(jí)上電子濃度的變化引起的。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)在空間電荷區(qū)中電場(chǎng)的出現(xiàn)使半導(dǎo)體表面與體內(nèi)之間產(chǎn)生電位差，半導(dǎo)體表面的電勢(shì)，稱(chēng)為表面勢(shì)。在加上電壓VG時(shí)，外加電壓VG為跨越氧化層的電壓V0和表面勢(shì)

所分?jǐn)?，即有：電?chǎng)?從半導(dǎo)體表面到內(nèi)部逐漸減弱，直到空間電荷區(qū)內(nèi)邊界上基本全部被屏蔽而為零。則每個(gè)極板上的感應(yīng)電荷與電場(chǎng)之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：εsE：半導(dǎo)體表面電場(chǎng)理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)金屬-氧比物和P型半導(dǎo)體的電位分布圖理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)三載流子的積累、耗盡和反型空間電荷區(qū)靜電勢(shì)

的出現(xiàn)改變了空間電荷區(qū)中的能帶圖。根據(jù)VG極性和大小，有可能實(shí)現(xiàn)三種不同的表面情況：①載流子積累；②載流子耗盡；③半導(dǎo)體表面反型。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)設(shè)半導(dǎo)體體內(nèi)本征費(fèi)米能級(jí)為Ei0，則空間電荷區(qū)內(nèi)：在半導(dǎo)體表面處有：令：為半導(dǎo)體內(nèi)的費(fèi)米勢(shì)理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)可以得到：OR半導(dǎo)體表面層的載流子分布：理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)OR半導(dǎo)體表面層的載流子分布：理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1.載流子的積累當(dāng)緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱(chēng)為載流子積累。當(dāng)金屬電極上加負(fù)電壓時(shí)，在半導(dǎo)體表面形成負(fù)表面電勢(shì)

，表面空間電荷區(qū)中能帶向上彎曲，由于費(fèi)米能級(jí)EF保持常數(shù)，能帶向上彎曲使接近表面處有更大的Ei-EF，與體內(nèi)相比，在表面處有更高的空穴濃度和更低的電子濃度，使空穴在表面積累，增加表面的電導(dǎo)率。表面電荷為：理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)載流子積累理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2.載流子耗盡當(dāng)金屬電極上施加正偏壓VG時(shí)，表面勢(shì)

為正，空間電荷區(qū)中能帶向下彎曲，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)能級(jí)Ei靠近費(fèi)米能級(jí)EF,(Ei–EF)值減小，表面空穴濃度低于體內(nèi)熱平衡值，造成多數(shù)載流子空穴的耗盡，少數(shù)載流子電子有所增加。當(dāng)由于平衡少子數(shù)目極小，因此，少子數(shù)目仍然可以忽略。空間電荷由沒(méi)有空穴中和的、固定的受主離子構(gòu)成。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)單位面積下的總電荷QS為:采用耗盡近似，根據(jù)泊松方程有：表面勢(shì)QB:半導(dǎo)體空間電荷區(qū)中單位面積下的受主離子總電荷理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)載流子耗盡理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)3.載流子反型在耗盡基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加偏壓VG，MOS系統(tǒng)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)中的能帶進(jìn)一步下彎。大的能帶彎曲使硅表面及其附近的禁帶中央能量Ei超越恒定的費(fèi)米能級(jí)，即來(lái)到費(fèi)術(shù)能級(jí)EF的下面。使得：少數(shù)載流子電子濃度高于本征載流子濃度，而多數(shù)載流子空穴的濃度低于本征載流子濃度。這一層半導(dǎo)體由P型變成N型，稱(chēng)為反型層，即載流子反型。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)載流子反型理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)當(dāng)nS=ni時(shí)，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)本征狀態(tài)，此后，再增加

，半導(dǎo)體表面就會(huì)發(fā)生反型，則有：當(dāng)表面勢(shì)等于體內(nèi)費(fèi)米勢(shì)時(shí)，半導(dǎo)體表面開(kāi)始反型反型條件四反型和強(qiáng)反型的條件理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)強(qiáng)反型條件但除非EiS低于EF很多，否則電子濃度很低，這種現(xiàn)象叫做弱反型；對(duì)于大多數(shù)MOSFET運(yùn)用來(lái)說(shuō)，希望確定一種條件，在超過(guò)它之后，反型層中的電子電荷濃度相當(dāng)高，規(guī)定當(dāng)表面電子濃度等于體內(nèi)平衡多子空穴濃度時(shí)，半導(dǎo)體表面形成強(qiáng)反型層，這稱(chēng)為強(qiáng)反型條件，令ns=p0，可得：強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)反型之后，如果繼續(xù)增加偏壓VG，能帶彎曲并不顯著增加。因?yàn)椋簩?dǎo)帶電子在很薄的強(qiáng)反型層中迅速增加以屏蔽外電場(chǎng)，從而使空間電荷區(qū)的勢(shì)壘高度、固定的受主負(fù)電荷以及空間電荷區(qū)的寬度基本保持不變。理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)強(qiáng)反型