MOS系統(tǒng)的硅表面SiO2的簡單實現(xiàn)

前面已經(jīng)提到，MOS系統(tǒng)的硅表面實際的MOS系統(tǒng)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(jīng)形成空間電荷區(qū)，而使能帶發(fā)生彎曲。MOS系統(tǒng)的硅表面。下面將分別討論由于金屬與半導體功函數(shù)不同，以及柵氧化層中的有效表面態(tài)電荷密度對Si表面的影響。

1、功函數(shù)差的影響

金屬與半導體的功函數(shù)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(qū)，而發(fā)生能帶彎曲。

所謂功函數(shù)，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(nèi)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(shù)為，半導體（以Si為例）的功函數(shù)為，如圖1-12（a）所示。MOS系統(tǒng)的硅表面。如果兩個系統(tǒng)結合在一起，由于金屬AI的功函數(shù)小于半導體的功函數(shù)，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(xiàn)帶負電荷的空間電荷區(qū)，Si表面的能帶發(fā)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(tǒng)的硅表面。如圖1-12（b）所示。

與功函數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)差一般都是小于零，而金和半導體的功函數(shù)差一般都大于零。

如果摻雜濃度為的N型Si，與A1的功函數(shù)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(shù)差為-0.9V左右。

2、氧化層中有效表面態(tài)電荷的影響

所謂有效表面態(tài)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(tài)，看成是集中在SiO。MOS系統(tǒng)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(qū)，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(tài)電荷密度對能帶的影響，使Si表面不再存在空間電荷區(qū)，而在金屬表面感應出與等量的負電荷。根據(jù)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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