2022-2023学年高二物理竞赛课件：实际MIS结构C-V特性

实际MIS结构C-V特性 1、金属与半导体功函数差对C-V特性的影响 在实际的MIS结构中，存在一些因素影响着MIS的C-V 特性，如：金属和半导体之间的功函数的差、绝缘层 中的电荷等。 例：以Al/SiO2/P-type-Si 的MOS结构为例： P型硅的功函数一般较铝大， 当Wm<Ws时，将导致C-V特性向负栅压方向移动。 Why? 实际MIS结构C-V特性 ＭＩＳ结构连通后,且VG=0时： Wm EFm EFs Ws Ec Ev Eo SiO2 电子将从金属流向半 导体中，会在p型硅的 表面形成带负电的空间 电荷层，而在金属表面 产生正电荷，这些正电 荷在SiO2和Si表面层内 产生指向半导体内部的 电场，使得半导体表面 能带向下弯曲，同时硅 内部的费米能级相对于 金属的费米能级要向上 提高，到达相等而平衡。 形成接触电势差： qVms ＝W s － Wm 所以，在偏压V=0时，半导体的表面层不处于平带 状态。 qVms qVi EF Ei Ec Ev SiO2 VG=0 如何恢复平带状况？ 加上负栅压 VG=-Vms SiO2 Wm Ws 以抵消由于 两者功函数 的不同所引 起的电场和 能带的弯曲 使能带恢复平直的栅电压 CFB VFB 平带电压VFB 实验上，可计算出 理想状态时的平带 电容值，然后在CFB 引与电压轴平行的 直线，和实际曲线 相交点在电压轴上 的坐标，即VFB 实际 How about Pt? 2、绝缘层电荷对MIS 结构C-V特性的影响 一般有： 由于这些电荷的存在，将在金属和半导体表面感 应出相反符号的电荷，在半导体的空间电荷层内 产生电场使得能带发生弯曲。也即没有偏压，也 可使得半导体表面层离开平带状态。 （1）假设在SiO2中距离金属/SiO2的界面x处有一层正电荷 金属 SiO2 半导体 do 讨论：假定半导体和金属的功函数相同， 即Wm=Ws 金属 半导体 Ec 半导体表面 能带下弯 恢复平带的方法： 半导体 绝缘层 金属 do 在金属一边加上负电压， 并且逐渐增大，使得半 导体表面层的负电荷随之 减小，直至完全消失。这 时在半导体表面层内，在 氧化物中存在的薄的正电 荷产生的电场完全被金属 表面增加的负电荷的电场 屏蔽了，半导体表面的能 带又平了，即恢复到 平带状态。 加偏压VG<0 使能带恢复平直的栅电压 平带电压VFB2 E为金属与薄层电荷之间的电场 由高斯定律可知，金属与薄层电荷间的电位移电荷密度等于 显然，当薄层电荷贴近半导体时平 带电压最大。而位于金属和绝缘体 界面处对C-V特征没有影响。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 （2）一般情况：正电荷在SiO2中有一定的体分布ρ(x) 在x与(x+dx)间的薄层内，单位面积上的电荷为ρ(x)dx 对平带电压的 影响为： 注：如果存在可移动的离子，使得电荷分布发生 变化，VFB 跟着变化，导致C-V曲线的平移。 （3） C～V曲线为： 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 $