隧穿电流效应与半导体表面与MIS结构

一、隧穿电流（tunneling current）

隧穿电流（tunneling current）是指在微电子技术中，当半导体的势垒或者二氧化硅薄膜的厚度，薄至与载流子的德布罗意波（de Broglie波）的波长差不多时，发生载流子的量子隧穿效应的电流。
参考：隧穿电流（tunneling current）-bia

当p-n结两边都是重掺杂,费米能级进入导带和价带时, Esaki隧穿产生,可以因此制得隧道二极管。这种器件可以用作高速开关,或者用来产生高频震荡。
隧道二极管是因为用含有大量杂质的本征半导体制作PN结时,会产生极薄的耗尽层,若加正向偏压,则在达到扩散电位之前,由于隧道效应而发生电流流动。若接近扩散电位,则为通常的二极管特性,所以如图所示,在正向电压低的范围,显示出负的电阻。

二、半导体表面与MIS结构

许多半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切的关系。例如,半导体的表面状态对晶体管和半导体集成电路的参数和稳定性有很大影响。在某些情况下,往往不是半导体的体内效应,而是其表面效应支配着半导体器件的特性。例如MOS(金属-氧化物半导体)器件、电荷耦合器件、表面发光器件等,就是利用半导体表面效应而制成的。因此,研究半导体表面现象,发展有关半导体表面的理论,对于改善器件性能,提高器件稳定性,以及指导人们探索新型器件等都有着十分重要的意义。
在半导体集成电路发展的早期,性能不稳定曾经是一大障碍。为了解决这一问题,促使人们对半导体表面,特别是硅-二氧化硅系统进行了广泛的研究工作。这方面的研究成果使集成电路克服了性能不稳定的障碍,得到进一步的迅速发展,同时也发展了有关半导体表面的理论。这些事实证明了实践推动理论的发展,理论又反过来指导实践这一辩证关系。在半导体表面的研究工作中,有理想表面研究和实际表面研究两个方面。本章的讨论将侧重于实际表面方面,包括表面态概念、表面电场效应、硅-二氧化硅系统性质、MIS(指金属-绝缘层-半导体)结构的电容-电压特性、表面电场对p-n结特性影响及其它有关表面效应等

1、表面态概念

在第二章中曾叙述过,由于晶格的不完整性使势场的周期性受到破坏时,则在禁带中产生附加能级。达姆在1932年首先提出:晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断,同样也应引起附加能级。这种能级称做达姆表面能级。在实际晶体表面上往往存在着微氧化膜或附着其它分子和原子,这使表面情况变得更加复杂而难以弄清。因此这里先就理想情形,即晶体表面不附着任何其它分子或氧化膜的情形进行讨论。

2、MIS(指金属-绝缘层-半导体)结构的电容-电压特性

(1 表面电场效应

有种种原因可以在半导体表面层内产生电场,例如,使功函数不同的金属和半导体接触,或使半导体表面外吸附某种带电离子等。为了便于讨论,采用一种称做MIS结构的装置研究表面电场效应。这种装置是由中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的,如图所示。在金属板与半导体间加电压时即可产生表面电场。即使这种简单结构,由于金属和半导体功函数的不同、绝缘层内可能存在带电离子及界面态等原因,情况还是很复杂的。因此,先考虑理想情况。所谓理想情况,即假设在考虑的MIS结构中满足以下条件:
(1)金属与半导体间功函数差为零;(2)在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电;(3)绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。

（2

由于MIS结构实际就是一个电容,因此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电。两者所带电荷符号相反,电荷分布情况亦很不同。在金属中,自由电子密度很高,电荷基本上分布在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要低得多,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。在空间电荷区内,从表面到内部电场逐渐减弱,到空间电荷区的另一端,场强减小到零。另一方面,空间电荷区内的电势也要随距离逐渐变化,这样,半导体表面相对体内就产生电势差,同时能带也发生弯曲,如图8-4所示。
常称空间电荷层两端的电势差为表面势,以VSV_{S}^{}VS,表示之,规定表面电势比内部高时,VSV_{S}^{}VS,取正值,反之VSV_{S}^{}VS,取负值。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VGV^{_{G}}VG而变化,基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。对于p型半导体,三种情况如图8-5所示,以下分别：
由p型半导体构成的理想MIS结构在各种VG下的表面势和空间电荷分布
①当金属与半导体间加负电压(指金属接负)时，多数载流子堆积状态，表面势为负值,表面处能带向上弯曲。

在热平衡情况下,半导体内费米能级应保持定值,故随着向表面接近,价带顶将逐渐移近甚至高过费米能级,同时价带中空穴浓度也将随之增加。这样,表面层内就出现空穴的堆积而带正电荷。从图中还可看到,越接近表面空穴浓度越高,这表明堆积的空穴分布在最靠近表面的薄层内。

②当金属与半导体间加正电压(指金属接正)时，多数载流子耗尽状态，表面势为为正值,表面处能带向下弯曲

这时越接近表面,费米能级离价带顶越远,价带中空穴浓度随之降低。在靠近表面的一定区域内,价带顶位置比费米能级低得多,根据玻耳兹曼分布,表面处空穴浓度将较体内空穴浓度低得多,表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称做耗尽。
③当加于金属和半导体间的正电压进一步增大时,表面处,少数载流子反型状态，表面处能带相对于体内将进一步向下弯曲。
表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量EiE_{i}Ei,也就是说,费米能级离导带底比离价带顶更近一些。这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度,即形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层,叫做反型层。
从图8-5©中易明了,反型层发生在近表面处,从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。在这种情况下,半导体空间电荷层内的负电荷由两部分组成,一部分是耗尽层中已电离的受主负电荷,另一部分是反型层中的电子,后者主要堆积在近表面区。

总结：由于金属与半导体间加某一电压而产生垂直于表面的电场，

3、表面电场对p-n结特性影响及其它有关表面效应

C=11C0+1CSC=\frac{1}{\frac{1}{C_{0}}+\frac{1}{C_{S}}}C=C01+CS11
上式表明MIS结构电容相当于绝缘层电容C0C_{0}C0和半导体空间电荷层电容CSC_{S}CS的串联,由此可得MIS结构的等效电路如图8-9所示。