2022-2023学年高二物理竞赛课件：空间电荷层及表面势

空间电荷层及表面势 由于MIS结构是一个电容，当在金属与半导体之 间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上 就要被充放电。但和一般意义的电容不一样！ 在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在很薄的一个原子层的厚度范围之内； 而在半导体中，由于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space charge region。 空间电荷层及表面势 金属的传导电子的浓度很高，1022～1023cm-3 半导体载流子的浓度比较低，1010～1019cm-3 首先，在空间电荷区内，从半导体的表面到体内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度减小到零。 其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化化，半导体表面相对体内就产生电势差。 空间电荷区对电场、电势与能带的影响： 最后，电势的变化，使得电子在空间电荷区的能 量改变，从而导致能带的弯曲。 表面空间电荷区内能带的弯曲 界面 Ec Ei EF Ev x Eg 半导体 绝缘体 Vg＞0时: p-type or n-type Si 表面势surface potential及空间区内电荷space charge的分布情况,随金属与半导体间所加的电压VG(gate voltage)而变化，主要可归纳为堆积accumulation、耗尽depletion和反型inversion三种情况: 称空间电荷层两端的电势差为表面势，以 表示之。规定表面势比内部高时，取正值，反之 取负值。 （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 在VG＝0时，理想半导体的能带不发生弯曲，即平带状态flat-band condition，有时也称为一种状态。 例如，对于p型半导体，有三种情况： VG=0时,理想MIS结构的能带图 一般情况讨论,以p型半导体为例： Evi Eci Ei Ev Ec EFs EFm 在金属和P型半导体间加上电压，则将会在半导体的表面层中产生空间电荷区， d x 0 +VG p型半导体表面感生一个荷负电的空间电荷层 如果VG>0: qVs Ec Ev EF 表面电势 表面势为正，表面处能带向下弯曲，越接近表面。费米能离价带越远，空穴浓度越小。 空间电荷层内的电场是由半导体的表面指 向体内的，电子的静电势能逐步升高，能带 向下发生弯曲 表面势及空间电荷区内电荷的分布情况，随金属与半导体间所加的电压VG变化，可分为： VG ＜0时，多子积累状态； VG ＝0时，平带状态； VG ＞ 0时，多子耗尽状态； VG 0时，少子反型状态； 当外加电压变化时，如前面所述： 2.理想MIS结构C-V特性小结： （1）半导体材料及绝缘层材料一定时，C-V 特性将随绝缘层厚度do及半导体杂质浓度NA而变化； （2）C-V特性与频率有关，尤其是反型层时 的C-V曲线的形状。 ＭＩＳ结构还未连接时： Ws Ec Ev SiO2 EFs Wm Ws Ec Ev SiO2 EFm EFs Eo $