信息来源: 时间:2020-10-22
前面已经提到,MOS系统的硅表面实际的MOS系统是比较复杂的。因此,在没有外电场作用的情况下,Si表面可能已经形成空间电荷区,而使能带发生弯曲。MOS系统的硅表面。下面将分别讨论由于金属与半导体功函数不同,以及栅氧化层中的有效表面态电荷密度对Si表面的影响。
金属与半导体的功函数是不同的,并且二氧化硅也不完全绝缘,所以金属与半导体之间就会通过氧化层交换电子,使Si表面形成空间电荷区,而发生能带弯曲。
所谓功函数,是指一个起始能量等于费米能量EF,的电子由金属或半导体内部逸出到真空中所需要的最小能量。
设金属(以AI为例)的功函数为,半导体(以Si为例)的功函数为,如图1-12(a)所示。MOS系统的硅表面。如果两个系统结合在一起,由于金属AI的功函数小于半导体的功函数,因此有一些电子从金属转移到半导体表面,金属表面因缺少电子而带正电荷,半导体表面由于电子过剩而出现带负电荷的空间电荷区,Si表面的能带发生向下弯曲。当达到平衡时,金属AI与半导体之间的接触电势差为。这里金属一边是高电势,半导体一边是低电势MOS系统的硅表面。如图1-12(b)所示。
与功函数的关系为:
如果要使能带变平,必须在金属栅上施加一个电压,以抵消功函数差对能带的影响。如图1-12(c)所示。这个电压为:
图1-12金属半导体公函数对能带的影响
下面对接触电势差与哪些因素有关作些简要说明。
功函数差的大小,不仅与所选择的金属材料有关,还与硅的型号,掺杂浓度有关。图1-13为在氧化的N型和P型硅上,铝和金电极的功函数差中与硅杂质浓度的关系。从图中看到,金属A1和半导体Si的功函数差一般都是小于零,而金和半导体的功函数差一般都大于零。
如果掺杂浓度为的N型Si,与A1的功函数差,可从图1-15中查得为-0.3V,对同样掺杂浓度的P型Si,与A1的功函数差为-0.9V左右。
所谓有效表面态电荷,是为了处理问题方便引进的概念。它将固定正电荷(主要是氧空位)、可动正电荷(主要是钠离子)及Si-SiO,交界面上存在的界面态,看成是集中在SiO。MOS系统的硅表面。中靠近Si-SiO2界面处的正电荷,它的面电荷密度用表示。的大小,特别明显地依赖于工艺水平和工艺条件。由于它起着一个正电中心的作用,相当于对Si表面施加一个正电场,使Si表面感应出一个带负电的空间电荷区,致使能带向下弯曲,如图1-14所示。
要使能带变平,必须在金属栅上施加一个栅电压,以抵销有效表面态电荷密度对能带的影响,使Si表面不再存在空间电荷区,而在金属表面感应出与等量的负电荷。根据电容的定义,氧化层电容可写成:
所以,使能带变平所施加在金属电极上的外电压为:
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