第6章半导体表面6.1表面态和表面空间电荷区6.2表面电场效应6.3自旋积累、耗尽和反型6.4理想MOS电容6.5实际MOS电容的C-V特点1《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
6.1表面态和表面空间电荷区教学要求1．了解概念：悬挂键、表面基态、表面态、施主态、受主态。2．了解产生表面态的缘由及其影响。2《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
达姆基态（表面基态）、悬挂键、表面态在理想半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在禁带中产生局部状态的基态分布(形成附加基态)，这种基态称为达姆基态。达姆证明：一定条件下，每位表面原子在禁带中对应一个表面基态，称作达姆基态。从物理键的角度来说，以硅晶体为例，因晶格在表面处忽然中止，在表面最内层的每位硅原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。3《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
道友态、受主态按照表面基态的性质和费米基态的位置，表面基态可能成为道友基态、受主基态，或则成为电子-空穴对的复合中心基态。与道友基态和受主基态相对应的量子态分别名为道友态和受主态。半导体表面态为道友态时，它可能是中性的，也可能向导带提供电子(故称为道友态)，之后弄成正电荷，因而使表面带正电；若表面态为受主态半导体物理课件，则可接受电子(故称为受主态)，弄成负电荷，因而使表面带负电。于是，表面态就能在半导体表面层造成空间电荷，电场和电势以及能带的弯曲。4《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
6.2表面电场效应教学要求1．了解理想MIS结构的基本假定及其意义。2．解释半导体表面空间电荷区的产生。3．解释半导体表面空间电荷区内能带的弯曲。5《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
理想MIS结构理想MIS结构基于以下基本假定：（1）金属和半导体之间不存在功函数差；（2）绝缘体内部及绝缘体和半导体界面不存在电荷；（3）绝缘体是良好的，即不短路。6基本假定（1）、（2）意味着，在零展宽时，金属和半导体的费米基态相等。基本假定（3）意味着即便加有直流展宽，MIS结构也没有电压通过。因而在稳定状态，从半导体表面到体内费米基态是恒定的。《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
金属、绝缘体和P型半导体构成的理想MIS结构热平衡情况下的能带图图中E0表示电子的真空(自由电子)基态。和分别是金属和半导体的功函数。功函数的意义是把一个电子从费米基态移到真空中所须要做的功，即E0-EF。和具有电势的量纲，称作功函数电势。7《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
半导体表面空间电荷、空间电荷区假定金属极板和半导体之间加展宽VG>0(金属接电源负极，半导体接正极)。在展宽作用下金属极板将带正电荷，半导体相对金属的表面层将带负电荷。半导体表面层的负电荷是丧失空穴中和的电离受主和被电场吸引到表面层来的自由电子，这种电荷称为半导体表面空间电荷。空间电荷存在的区域称作空间电荷区。8《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
很薄，约在小0.1nm的于-Fermi屏蔽长
度内，单位面积下的电荷
记QM。为半导体表面
单位面积下的电荷记为QS，分布在
长度为xd的薄S。电中性要求Q层内=-QM。因为半导体的
杂质含量远远高于金属的电子度浓，因而与金属表面空间电荷区相
比，半导体表面下
方的空间电荷区相对地要多得厚，xd通常
要达到微化学数目级。9《半导体米学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
空间电荷区电荷关系金属的空间电荷区
磁场边界条件，可以得到如关系的电荷与电场下(6.2-1)式
QQ=-==eeEE
中，为绝缘体的介电常数，为半导体的介电常
数，为绝缘体内的电场硬度，为半导体表面附
近的电场强导体10《半度。数学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
空间电荷区电荷与电场关系依照电
建电势差、表面势、势垒高半度导体表面空间电荷区中电场的出
现电半导体体内与半导体表面之间形成一个使势差。这个电势差称作空间电荷区的内
建电势差，记的。半导体表面做电势，被称为表面势。通
常取半导体体内(中性把)区为电势参考点
，半导体表面势记做。显内表面势与然建电势差具有
如内(6.2-2)半导体体下关系的自旋来到半导体表面须要
VV=-
Ds
克服电势能，
常称为势垒高。11度《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
内
氧化层和半导体空间电荷分辨
摊(6.2-3)其中为
VVV=+
Goxs
氧2层电流，为半导体表面势。1化《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
金属-绝缘体和P型半导体的电势分布外加电流由
获得附加电势能(6.2-4)因为是位置x的函数，附加电势能也是x的函数。这个附加电势能与晶体中的周期性势场相
D=-qVxEx()()
比是的常微弱非。附加电势能
叠加到各个基态上半导体物理课件，使各基态发生变化。
例如本征费米基态弄成这
)()()(=+D=-
里表示半导体体内本征在费基态。米非简并情况下，
诸基态相互平行《半13。导体数学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
附加电势能在空间电荷区，电势为处的电子
)()()(=+D=-
现意味着，在空间电荷区内半导体的能带将
发生弯曲。假如
>0，则，空间电荷区内能带将相对于体内向上弯曲。假如
0时的电场分布、电势分布和能带弯曲的示意图，图6.4(d)中
阱、势垒、阻挡层、反抵挡层从图6.4(d)可以
看，对于P出型半导体，展宽>0使能带向上弯曲。因为电子带有负电荷，因而，电子从半导体体内来到表面，是从电势能
高的地方能来到电势低的地方
。结果使表面附近电子含量小于体内电子浓，空穴带有正电荷度。为此，空穴从半导体体内到半导体表面，是从电势能
低的地方能来到电势高的地方
，须要跨越势垒表。所以，半导体面空间电荷区产生电子的势
阱和空穴的势
垒。因为电子和空穴带电符号相反，电子的势垒就是空穴的势
阱，电子的势阱就是空穴的势垒。自旋的势
垒区又称为自旋的抵挡势。反之，层阱区被称为反
抵挡化学。16《半导体层学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
势
把握概念：自旋积累、耗尽和反型。2．导入
式(6.3-8)和(式6.3-12)3．正
确画累自旋积出、耗尽、反型和强反型四种带图。况下的能情4．导入
发生串扰反型和强件型条反[见式(6.3-23)和
式(6.3-25)]。17《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
6.3自旋积累、耗尽和反型教学要求1．
征设米基态费半导体体内本
征米基态为，则在空间电荷区内费18《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
Ex()
=+DEEx
()
i0
=-EqVx()
i0
空间电荷区本
浓令度(6.3-3)称为半导体的体费米势。由能带图不
f=-()/EEq
fi0F
难看，P型半导体出>0，N型半导体0)在用尽区，由和，有(6.4-20)于是求
氧化层电容，，代入到(6.2-2)中有式(6.4-23)把
VV=-+
Gs
式(6.3-15)和(6.3-21)代入式(6.4-23)解出式(6.4-24)代入式(6.4-22)，
ox
ee2V
ssG
xC=++1
dox
CCqNe
得到
-1/2
-1/2
(6.4-25)在用尽区，
22
��
����
22Ce
oxox
=+=+11VV
��
��
��
GG
CqNe
qNxe
oxAs
��
����oxAs
��
归容一化MS电O随外加展宽的降低而小减。54《半导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
3．用尽区(VG>0)对于
现，型层之后反非常是在接强近反型时，表面电荷则由
两部分组层：一部份是反型成中的电子电荷，它是由
少子的降低导致的；另是部份一用尽层中的电离受主电荷，它是因为
多子空穴的丧导致的：表面电容为失(6.4-26)等
QQQ=+
sIB
IB
C=-=--
sss
一侧式的两项表示分别和对的贡献巨等55《半导体化学学简明教程》孟庆。编绘.电子工业出版社3．反型区(VG>0)
在出
析电容与检测频度要间的之系，需关考虑是如何
积累上去的。例
如，当MOS上的电流降低时，反型层中的电子数
目要增多型。P衬底中的电子是少子，由衬底流到表面的电子
极其少数为此，反型，中电子层目的增多
主要借助穴尽层中电子-空耗对的形成。这个过程的
弛豫时间由非载衡平流子的寿命所决，定通常比较长。为此，在反型层中实
现子的积累是需电要一个过程的。同样
，当MOS上的电流增大时，反型层中的电子要
减轻。电子数量的降低主要借助电子和空穴在用尽层中的复合来实
程，这个过的现豫弛时间也是由非
平衡自旋的寿命所决《半的。56定导体化学学简明教程》孟庆巨等编绘.电子工业出版社
4．反型区(VG>0)为了分
情况
量电容的讯号频度比较高子-空穴，用尽层中电对的形成和复合过程
跟不上讯号
