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1、第四章第四章第四章第四章 M I S M I S 结构结构结构结构 和场效应晶体管和场效应晶体管和场效应晶体管和场效应晶体管(2)4 4- -1 MIS 1 MIS 结构结构结构结构金属金属金属金属- -绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体- -半导体结构半导体结构半导体结构半导体结构主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：1 1。理想的。理想的。理想的。理想的MIS MIS 结构结构结构结构2 2。SiSi- -SiO2 MOS SiO2 MOS 结构结构结构结构(3)金属金属金属金属- -绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体- -半导体半导体半导体半导体(MIS)(MIS)二极管结构二极管结构二极管结构二极管结构
2、约定：约定：约定：约定： 金属对欧姆接触正向偏置金属对欧姆接触正向偏置金属对欧姆接触正向偏置金属对欧姆接触正向偏置?电压电压电压电压V V为正为正为正为正金属对欧姆接触负向偏置金属对欧姆接触负向偏置金属对欧姆接触负向偏置金属对欧姆接触负向偏置?电压电压电压电压V V为负为负为负为负(4)V=0V=0时的能带图时的能带图时的能带图时的能带图n n 型半导体型半导体型半导体型半导体p p 型半导体型半导体型半导体型半导体金属与绝缘体金属与绝缘体金属与绝缘体金属与绝缘体 之间的势垒之间的势垒之间的势垒之间的势垒绝缘体电子亲合势绝缘体电子亲合势绝缘体电子亲合势绝缘体电子亲合势1 1。理想的。理想的。理
3、想的。理想的MISMIS结构结构结构结构 1. 1 1. 1 理想理想理想理想 M I S M I S 结构的能带图象结构的能带图象结构的能带图象结构的能带图象: :(5)理想理想理想理想 M I S M I S 二极管定义：二极管定义：二极管定义：二极管定义：1 1）在零偏置下，金属功函数和半导体功函数之间的差为零。）在零偏置下，金属功函数和半导体功函数之间的差为零。）在零偏置下，金属功函数和半导体功函数之间的差为零。）在零偏置下，金属功函数和半导体功函数之间的差为零。0)()2(=+=+nmBng mmsqEn n 型半导体：型半导体：型半导体：型半导体：p p 型半导体：型半导体：型半导
4、体：型半导体： 0)()2(=+=+pg mBpg mmsqEqE金属功金属功金属功金属功 函数函数函数函数半导体的电半导体的电半导体的电半导体的电 子亲合势子亲合势子亲合势子亲合势费米能级和本征费米费米能级和本征费米费米能级和本征费米费米能级和本征费米 能级之间的电势差能级之间的电势差能级之间的电势差能级之间的电势差2 2）在任何偏置条件下，）在任何偏置条件下，）在任何偏置条件下，）在任何偏置条件下，MISMIS结构中的电荷只有半导体中的电荷和结构中的电荷只有半导体中的电荷和结构中的电荷只有半导体中的电荷和结构中的电荷只有半导体中的电荷和 邻近绝缘体的金属表面上的数目相等而符号相反的电荷。邻
5、近绝缘体的金属表面上的数目相等而符号相反的电荷。邻近绝缘体的金属表面上的数目相等而符号相反的电荷。邻近绝缘体的金属表面上的数目相等而符号相反的电荷。 3 3）在直流偏置条件下，不存在通过绝缘体的载流子输运，即绝）在直流偏置条件下，不存在通过绝缘体的载流子输运，即绝）在直流偏置条件下，不存在通过绝缘体的载流子输运，即绝）在直流偏置条件下，不存在通过绝缘体的载流子输运，即绝 缘体的电阻率为无穷大。缘体的电阻率为无穷大。缘体的电阻率为无穷大。缘体的电阻率为无穷大。(6)理想理想理想理想 M I S M I S 结构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：结构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：结
6、构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：结构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：积累积累积累积累耗尽耗尽耗尽耗尽反型反型反型反型P P型型型型理想理想理想理想MISMIS二极管在二极管在二极管在二极管在V V 0 0时的三种能带图。时的三种能带图。时的三种能带图。时的三种能带图。能带向下弯曲能带向下弯曲能带向下弯曲能带向下弯曲 多数载流子耗尽多数载流子耗尽多数载流子耗尽多数载流子耗尽能带向下弯曲增加能带向下弯曲增加能带向下弯曲增加能带向下弯曲增加 本征能级与费米能级本征能级与费米能级本征能级与费米能级本征能级与费米能级 在表面相交，在表面相交，在表面相交，在表面相交， 表面处的少数载流子
7、表面处的少数载流子表面处的少数载流子表面处的少数载流子 多于多数载流子多于多数载流子多于多数载流子多于多数载流子能带向上弯曲，能带向上弯曲，能带向上弯曲，能带向上弯曲， 价带顶接近费米能级价带顶接近费米能级价带顶接近费米能级价带顶接近费米能级 多数载流子在表面处积累多数载流子在表面处积累多数载流子在表面处积累多数载流子在表面处积累(7)n n型型型型理想理想理想理想MISMIS二极管在二极管在二极管在二极管在V V 0 0时的三种能带图。时的三种能带图。时的三种能带图。时的三种能带图。理想理想理想理想 M I S M I S 结构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：结构在正偏和负偏时，半导
8、体表面可有三种情形：结构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：结构在正偏和负偏时，半导体表面可有三种情形：积累积累积累积累耗尽耗尽耗尽耗尽反型反型反型反型(8)1.2 1.2 表面空间电荷区表面空间电荷区表面空间电荷区表面空间电荷区- -表面势、空间电荷和电场之间的关系表面势、空间电荷和电场之间的关系表面势、空间电荷和电场之间的关系表面势、空间电荷和电场之间的关系P P 型半导体表面的能带图型半导体表面的能带图型半导体表面的能带图型半导体表面的能带图远离表面，半导体体内的本征远离表面，半导体体内的本征远离表面，半导体体内的本征远离表面，半导体体内的本征 能级电势为零能级电势为零能级电势为零能
9、级电势为零, , =0=0半导体表面，本征能级对应的电半导体表面，本征能级对应的电半导体表面，本征能级对应的电半导体表面，本征能级对应的电 势势势势 = = s s ，定义为表面势，定义为表面势，定义为表面势，定义为表面势. .若若若若 s s s s00， 耗尽耗尽耗尽耗尽若若若若 s s B B， 反型反型反型反型, , 如图如图如图如图根据根据根据根据 s s的取值可的取值可的取值可的取值可判断表面情形判断表面情形判断表面情形判断表面情形表面势表面势表面势表面势(9)半导体体内，半导体体内，半导体体内，半导体体内，电子和空穴密度与电子和空穴密度与电子和空穴密度与电子和空穴密度与 的关系：
10、的关系：的关系：的关系：半导体表面，半导体表面，半导体表面，半导体表面，电子和空穴密度与电子和空穴密度与电子和空穴密度与电子和空穴密度与 s s的关系：的关系：的关系：的关系：)exp()/exp( popopnkTqnn= = =)exp()/exp( = = = =popoppkTqppP P型半导体体内电型半导体体内电型半导体体内电型半导体体内电 子子子子, ,空穴平衡密度空穴平衡密度空穴平衡密度空穴平衡密度kTq/= = )exp(sposnn = =)exp(spospp = =根据以上电子和空穴的表达式，可以给出不同情况下的根据以上电子和空穴的表达式，可以给出不同情况下的根据以上电
11、子和空穴的表达式，可以给出不同情况下的根据以上电子和空穴的表达式，可以给出不同情况下的 电荷分布，进而通过泊松方程求解电场分布。电荷分布，进而通过泊松方程求解电场分布。电荷分布，进而通过泊松方程求解电场分布。电荷分布，进而通过泊松方程求解电场分布。空间电荷空间电荷空间电荷空间电荷(10)根据以上表达式和前面的讨论根据以上表达式和前面的讨论根据以上表达式和前面的讨论根据以上表达式和前面的讨论, ,可区分不同的表面势对可区分不同的表面势对可区分不同的表面势对可区分不同的表面势对 应的情况：应的情况：应的情况：应的情况： ( (以以以以p p型半导体为例）型半导体为例）型半导体为例）型半导体为例）空
12、穴积累（能带向上弯曲）空穴积累（能带向上弯曲）空穴积累（能带向上弯曲）空穴积累（能带向上弯曲）平带条件平带条件平带条件平带条件空穴耗尽（能带向下弯曲）空穴耗尽（能带向下弯曲）空穴耗尽（能带向下弯曲）空穴耗尽（能带向下弯曲）表面处表面处表面处表面处E EF F居于禁带中居于禁带中居于禁带中居于禁带中 央，表面本征央，表面本征央，表面本征央，表面本征 弱反型（电子增强，能带向下弯曲）弱反型（电子增强，能带向下弯曲）弱反型（电子增强，能带向下弯曲）弱反型（电子增强，能带向下弯曲）0sB 0= =s Bs=BsB2以上是表面处电势的定性描述，而电势的具体分布与电荷密度以上是表面处电势的定性描述，而电势
13、的具体分布与电荷密度以上是表面处电势的定性描述，而电势的具体分布与电荷密度以上是表面处电势的定性描述，而电势的具体分布与电荷密度 相关，需要解泊松方程。相关，需要解泊松方程。相关，需要解泊松方程。相关，需要解泊松方程。)0(iFEE=ippnpn=)0()0()0()0(pppnBs2强反型强反型强反型强反型0)0(pppn(11)求解一维泊松方程，可得到电场分布求解一维泊松方程，可得到电场分布求解一维泊松方程，可得到电场分布求解一维泊松方程，可得到电场分布电场分布电场分布电场分布电场分布 = =popoDpnFqLkT xE,2 pospos DqpqpkTL2空穴的非本征得拜长度空穴的非本
14、征得拜长度空穴的非本征得拜长度空穴的非本征得拜长度0)1()1(,2/1 + + epnepnFpopopopoF F函数函数函数函数+ +： 0 0 - - : : S S 0, 0, QQS S B B，反型。，反型。，反型。，反型。2/1)1()1(, + + epnepnFpopopopo对对对对QQs s s s关系，据关系，据关系，据关系，据 具体情况简化：具体情况简化：具体情况简化：具体情况简化：表面电荷表面电荷表面电荷表面电荷= =衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度室温，室温，室温，室温，P P- -SiSi，N NA A=4=4 10101515cmcm- -3
15、 3(14)半导体耗尽层的微分电容：半导体耗尽层的微分电容：半导体耗尽层的微分电容：半导体耗尽层的微分电容： ss DQC )/,()1)(/(12popospopoDs pnFepneLss +=+= 平带条件下，平带条件下，平带条件下，平带条件下， S S=0 =0 ，指数展开成级数，指数展开成级数，指数展开成级数，指数展开成级数 ，得到：，得到：，得到：，得到：Ds DLC = =)(平带平带F/cmF/cm2 2F/cmF/cm2 2(15)理想理想理想理想MISMIS二极管的能带图二极管的能带图二极管的能带图二极管的能带图反型状态下的电荷分布反型状态下的电荷分布反型状态下的电荷分布反型状态下的电
