信息來源: 時間:2020-10-22
前面已經提到,MOS系統的硅表面實際的MOS系統是比較復雜的。因此,在沒有外電場作用的情況下,Si表面可能已經形成空間電荷區,而使能帶發生彎曲。MOS系統的硅表面。下面將分別討論由于金屬與半導體功函數不同,以及柵氧化層中的有效表面態電荷密度對Si表面的影響。
金屬與半導體的功函數是不同的,并且二氧化硅也不完全絕緣,所以金屬與半導體之間就會通過氧化層交換電子,使Si表面形成空間電荷區,而發生能帶彎曲。
所謂功函數,是指一個起始能量等于費米能量EF,的電子由金屬或半導體內部逸出到真空中所需要的最小能量。
設金屬(以AI為例)的功函數為,半導體(以Si為例)的功函數為,如圖1-12(a)所示。MOS系統的硅表面。如果兩個系統結合在一起,由于金屬AI的功函數小于半導體的功函數,因此有一些電子從金屬轉移到半導體表面,金屬表面因缺少電子而帶正電荷,半導體表面由于電子過剩而出現帶負電荷的空間電荷區,Si表面的能帶發生向下彎曲。當達到平衡時,金屬AI與半導體之間的接觸電勢差為。這里金屬一邊是高電勢,半導體一邊是低電勢MOS系統的硅表面。如圖1-12(b)所示。
與功函數的關系為:
如果要使能帶變平,必須在金屬柵上施加一個電壓,以抵消功函數差對能帶的影響。如圖1-12(c)所示。這個電壓為:
圖1-12金屬半導體公函數對能帶的影響
下面對接觸電勢差與哪些因素有關作些簡要說明。
功函數差的大小,不僅與所選擇的金屬材料有關,還與硅的型號,摻雜濃度有關。圖1-13為在氧化的N型和P型硅上,鋁和金電極的功函數差中與硅雜質濃度的關系。從圖中看到,金屬A1和半導體Si的功函數差一般都是小于零,而金和半導體的功函數差一般都大于零。
如果摻雜濃度為的N型Si,與A1的功函數差,可從圖1-15中查得為-0.3V,對同樣摻雜濃度的P型Si,與A1的功函數差為-0.9V左右。
所謂有效表面態電荷,是為了處理問題方便引進的概念。它將固定正電荷(主要是氧空位)、可動正電荷(主要是鈉離子)及Si-SiO,交界面上存在的界面態,看成是集中在SiO。MOS系統的硅表面。中靠近Si-SiO2界面處的正電荷,它的面電荷密度用表示。的大小,特別明顯地依賴于工藝水平和工藝條件。由于它起著一個正電中心的作用,相當于對Si表面施加一個正電場,使Si表面感應出一個帶負電的空間電荷區,致使能帶向下彎曲,如圖1-14所示。
要使能帶變平,必須在金屬柵上施加一個柵電壓,以抵銷有效表面態電荷密度對能帶的影響,使Si表面不再存在空間電荷區,而在金屬表面感應出與等量的負電荷。根據電容的定義,氧化層電容可寫成:
所以,使能帶變平所施加在金屬電極上的外電壓為:
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