第五章半导体的表面界面及接触现象ppt.ppt

第五章第五章 半导体的表面、界面及半导体的表面、界面及接触现象接触现象 半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构 1 1、表面电场效应、表面电场效应 2 2、理想与非理想、理想与非理想MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 半导体半导体 半导体接触半导体接触金金 属属 半导体接触半导体接触 1 1、阻挡层与反阻挡层的形成、阻挡层与反阻挡层的形成 2 2、欧姆接触的特性、欧姆接触的特性一、理想表面和实际表面一、理想表面和实际表面 理想表面：表面处的原子和电子状态同晶体内部理想表面：表面处的原子和电子状态同晶体内部的原子和电子状态一样。即表面层中原子排列的对称的原子和电子状态一样。即表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。分子的半无限晶体表面。实际表面又分为：实际表面又分为：清洁表面：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化清洁表面：在表面没有吸附杂质，也没有被氧化的实际表面。的实际表面。真实表面：表面原子生成氧化物或其它化合物真实表面：表面原子生成氧化物或其它化合物。5-1 半导体的表面半导体的表面二、表面态二、表面态求解薛定谔方程求解薛定谔方程 在在x=0处，出现新的本征值处，出现新的本征值 附加的电子能态附加的电子能态 表面态表面态 清洁表面的电子态，称为本征表面态。清洁表面的电子态，称为本征表面态。真实表面：真实表面：吸附原子或吸附原子或其它不完整性，产生表面其它不完整性，产生表面电子态，称为外诱表面态。电子态，称为外诱表面态。表面态可分为施主型表表面态可分为施主型表面态和受主型表面态。面态和受主型表面态。SiSiSiSiSiSi 例如硅例如硅(111)面，在超高真空下可观察到面，在超高真空下可观察到(77)结结构，即表面上形成以构，即表面上形成以(77)个硅原子为单元的二维平个硅原子为单元的二维平移对称性结构移对称性结构 硅表面悬挂键示意图硅表面悬挂键示意图 由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空由于悬挂键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。穴。N型硅表面带负电。型硅表面带负电。从硅表面态的实验测量中证实：其表面能级从硅表面态的实验测量中证实：其表面能级由两组组成：一组为施主能级，另一组为受主能由两组组成：一组为施主能级，另一组为受主能级，靠近导带。级，靠近导带。此外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附此外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态：原子等原因引起的表面态：其特点是，其数值与表面经过的处理方法有其特点是，其数值与表面经过的处理方法有关，而达姆表面态对给定晶体在关，而达姆表面态对给定晶体在“洁净洁净”表面时表面时为一定值。为一定值。表面态对半导体各中物理过程有重要影响，表面态对半导体各中物理过程有重要影响，特别是对许多半导体器件的性能影响更大。特别是对许多半导体器件的性能影响更大。5-2 半导体的表面电场半导体的表面电场一、形成表面电场的因素一、形成表面电场的因素1表面态的影响表面态的影响 由于表面态与体内电子态之间交换电子，结由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。果产生了垂直于表面的电场。(EF)s表面费米能级表面费米能级(EF)s EF如果如果(EF)s EFEcEvEF(EF)s+EEoEcEv(EF)sWsWm金属金属(M)半导体半导体(S)+E(EF)m2功函数的差异功函数的差异WSWM，即，即(EF)S(EF)M，形成由金属形成由金属半导半导体的电场体的电场如果如果WS(EF)M半导体中的电子半导体中的电子向金属流动，向金属流动，形成由半形成由半 金的电场金的电场3氧化层中的杂质离子氧化层中的杂质离子4外加偏压外加偏压引入表面态的概念，说明表面态的来源。引入表面态的概念，说明表面态的来源。热平衡状态下理想热平衡状态下理想MISMIS结构中半导体的表面电场效应，结构中半导体的表面电场效应，包括表面势，表面空间电荷区的电场、电势和电容。包括表面势，表面空间电荷区的电场、电势和电容。理想理想MISMIS结构的电容结构的电容-电压特性，并讨论金属和半导电压特性，并讨论金属和半导体功函数差、绝缘层电荷对体功函数差、绝缘层电荷对MISMIS结构的电容结构的电容-电压特电压特性的影响。性的影响。+SIME二、表面电场效应二、表面电场效应 研究在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。研究在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象。1.1.表面态表面态晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，引起晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，即表面态。附加能级，即表面态。表面态可看作表面最外层的原子未饱和键（悬挂键）所对应得表面态可看作表面最外层的原子未饱和键（悬挂键）所对应得电子能态，另外表面处还有由于晶体缺陷或吸附原子等原因引电子能态，另外表面处还有由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。起的表面态。表面态改变了晶体周期性势场，它和半导体内部交换电子和空表面态改变了晶体周期性势场，它和半导体内部交换电子和空穴，半导体表面状况会严重影响半导体器件和集成电路的电学穴，半导体表面状况会严重影响半导体器件和集成电路的电学特性，尤其是稳定性和可靠性。特性，尤其是稳定性和可靠性。2空间电荷区和表面势空间电荷区和表面势在金属中，自由电子密度很高，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电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围内；而在半导体中，的厚度范围内；而在半导体中，自由载流子密度低得多，电荷自由载流子密度低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表面层称做内；这个带电的表面层称做空空间电荷区间电荷区。在空间电荷区内，从表面到内在空间电荷区内，从表面到内部电场逐渐减弱，到空间电荷部电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，场强减小到零。区的另一端，场强减小到零。d金属金属绝缘体绝缘体半导体半导体欧姆接触欧姆接触MIS结构结构 MIS结构是一个电容，在金属与半导体之间加电压后，金属结构是一个电容，在金属与半导体之间加电压后，金属与半导体相对的两个面上就会被充电。与半导体相对的两个面上就会被充电。(M、S所带电荷符号相反所带电荷符号相反)。+M ISVG空间电荷区空间电荷区理想的理想的MIS结构：结构：M、S之间功函数差之间功函数差0；IS界面处不界面处不存在其它界面态；绝缘层中无电荷流动，存在其它界面态；绝缘层中无电荷流动，I层不导电。层不导电。空间电荷层两端的电势差称为表面势，即表面与体内空间电荷层两端的电势差称为表面势，即表面与体内的电势差，用的电势差，用VS表示。表示。金属与半导体间所加的电压为金属与半导体间所加的电压为VGx0V(x)VsVG0 xV(x)0VsVG0规定：规定：表面电势比内部高时，表面电势比内部高时，VS0，表面电势比内部低时，表面电势比内部低时，VS0 外加反向偏压时，外加反向偏压时，VG0，电场由体内指向表面，电场由体内指向表面，VS0，VS0时，时，取负号，空间取负号，空间电荷区的能带电荷区的能带从体内到表面从体内到表面向下弯曲向下弯曲界面界面EcEiEFEvxEg半导体半导体绝缘体绝缘体表面空间电荷区内能带的弯曲表面空间电荷区内能带的弯曲空间电荷区的电势随距离逐渐变化，半导体表面相空间电荷区的电势随距离逐渐变化，半导体表面相对体内就产生电势差，同时能带也发生弯曲。对体内就产生电势差，同时能带也发生弯曲。表面势及空间区内电荷的分布随金属与半导体间所表面势及空间区内电荷的分布随金属与半导体间所加的电压加的电压VG而变化，可归纳为堆积、耗尽和反型三而变化，可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。种情况。对于对于p型半导体，有三种情况：型半导体，有三种情况：1）多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态2）多数载流子耗尽状态多数载流子耗尽状态 3）少数载流子反型状态少数载流子反型状态(2)载流子浓度载流子浓度 体内：体内：EC，Ev 空间电荷区空间电荷区：V(x)0，能带向下弯，能带向下弯V(x)0V(x)0表面处表面处X=0，V(x)=Vs(1)VG0，金属接，金属接+,半导体接负半导体接负 VB是体内势是体内势：ps0 表面空间电荷区内能带的强烈弯曲，形成与表面空间电荷区内能带的强烈弯曲，形成与原半导体导电类型相反的一层，称这个状态为原半导体导电类型相反的一层，称这个状态为反型状态。反型状态。弱反型：弱反型：psns(p0)p 表面处表面处EFEi,与与Ev相比相比EF更靠近更靠近Ec，有，有nsps界面界面EcEiEFEvqVsxqVqVBEg半导体半导体绝缘体绝缘体P电子电子电子电子电离受主电离受主出现强反型的临界条件：出现强反型的临界条件：ns=(p0)pVG变化变化 VS变化变化 能带弯曲能带弯曲 电荷分布变化电荷分布变化 VG0,VS0 VG0多子堆积多子堆积 平带平带 多子耗尽多子耗尽 反型少子堆积反型少子堆积EEcEiEFEvE=0EcEiEFEvEEvEFEiEcEEcEiEFEv 下方二图相似，下方二图相似，EF与与Ei距离体现出逐渐耗尽的过程距离体现出逐渐耗尽的过程x0QA(x)(a)0 x(x)(b)xx(x)(x)00 xDxDQD(d)(c)XD耗尽厚度耗尽厚度EEcEiEFEvEEcEFEiEv(x)(x)00 xx(e)(f)深深耗尽耗尽QnQDQnQDQnQDxDxDm1)VG0,VS0 表面处能带下弯，表面多子电子浓度增加，表面层内出现表面处能带下弯，表面多子电子浓度增加，表面层内出现电子堆积电子堆积 2)VG=0，VS=0 平带。理想平带。理想MIS结构，表面能带不弯曲，此时结构，表面能带不弯曲，此时Qs=0，E=0。)VG0，VS0 表面处能带向上弯，越接近表面，表面处能带向上弯，越接近表面，Ec离离EF越远，导带中电子浓越远，导带中电子浓度越低，表面多子耗尽，正电荷浓度近似为电离施主浓度。电子势垒多子耗尽度越低，表面多子耗尽，正电荷浓度近似为电离施主浓度。电子势垒多子耗尽4)VG0 表面能带向上弯曲，表面处表面能带向上弯曲，表面处EF低于低于Ei，空穴浓度超过电子浓度，空穴浓度超过电子浓度，表面处形成了表面处形成了p型材料，导电类型与体内相反，叫反型层。反型层发生在近表型材料，导电类型与体内相反，叫反型层。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。半导体空间电荷层内的正电面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。半导体空间电荷层内的正电荷由两部分组成，一部分是耗尽层中已电离的施主正电荷，一部分是反型层中荷由两部分组成，一部分是耗尽层中已电离的施主正电荷，一部分是反型层中的空穴。的空穴。5.N型型半导体表面空间电荷层的四种基本状态半导体表面空间电荷层的四种基本状态+电离施主电离施主+空穴空穴EFEiEcEvEiEF(a)多子堆积EcEvEiEF(b)多子耗尽EcEvEiEFxxxx(a)反型(b)深耗尽EcEvEiEF图1 由n型半导体构成的理想MIS结构在各种VG下的表面势和电荷分布5-3 MIS结构的结构的C-V特性特性一、理想的一、理想的MIS结构的结构的C-V特性特性1总电容总电容C 在在MIS结构的金属和半导体间加电压结构的金属和半导体间加电压VG后，电压后，电压VG的一部分的一部分V0降在绝缘层上，另一部分降在半导体表面层降在绝缘层上，另一部分降在半导体表面层中，形成表面势中，形成表面势Vs，即：，即：VG=V0+VS 理想理想MIS结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电场是均匀的，以场是均匀的，以E0表示其电场强度，显然：表示其电场强度，显然：QmQsQs表面的电荷面密度表面的电荷面密度C0绝缘层电容，绝缘层电容，Cs为半导体空间电荷区电容为半导体空间电荷区电容 上式表明上式表明MIS结构电容相结构电容相当于绝缘层电容和半导体当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，空间电荷层电容的串联，由此可得由此可得MIS结构的等效结构的等效电路：电路：n 型半导体型半导体MIS结构的电容电压特性结构的电容电压特性1.00.80.60.40.200+V低低频频高高频频2表面空间电荷区的电场和电容表面空间电荷区的电场和电容表面空间电荷区的电场：表面空间电荷区的电场：其中：其中：称为德拜长度称为德拜长度rs为绝缘层的相对介电常数为绝缘层的相对介电常数 （n0)p0，QS为负号为负号 金属为负时，金属为负时，VG0，QS为正号为正号p型半导体型半导体(1)VG0，金属接，金属接+，半导体接，半导体接-VS0，表面能带下弯，是空穴的势垒，表面能带下弯，是空穴的势垒 VS，少子积累越多，少子积累越多，ns，Cs，C0/CS，C/C0 当当VS 到使到使C0/CS 很小时，很小时，C/C0的分母中的第二项又的分母中的第二项又可以忽略。可以忽略。C/C0 1。高频信号时，反型层中的电子对电容没有贡献，此时高频信号时，反型层中的电子对电容没有贡献，此时空间电荷区的电容仍由耗尽层的电荷变化决定。空间电荷区的电容仍由耗尽层的电荷变化决定。N型半导体组成的型半导体组成的MIS结构具有相似的规律。结构具有相似的规律。(4)VG0 1金属和半导体功函数的影响金属和半导体功函数的影响 (EF)M(EF)SWM 0 能带下弯能带下弯VFB为达到平带状态所需加的电压为达到平带状态所需加的电压(平带电压平带电压)理想情况的平带电容理想情况的平带电容CFB/C0对应于对应于VG=0；实际情况的；实际情况的平带电容平带电容CFB/C0对应于对应于VGWs，形成的，形成的Vs0，这时，这时C-V曲线是向右发生了移动。曲线是向右发生了移动。(1)(2)0固定离子：通常位于固定离子：通常位于SiSiO2界面界面 附近的附近的200范围内范围内可动离子：可动离子：Na+，K+或或H+绝缘层中有一薄层电荷绝缘层中有一薄层电荷(面密度为面密度为Q)，无外加电压时，无外加电压时，薄层电荷分别在金属和半导体表面层中感应出相反符薄层电荷分别在金属和半导体表面层中感应出相反符号的电荷。因此在半导体空间电荷层内产生电场，能号的电荷。因此在半导体空间电荷层内产生电场，能带发生弯曲。即未加外电压时，由于绝缘层内电荷的带发生弯曲。即未加外电压时，由于绝缘层内电荷的作用使半导体表面层离开了平带状态。为了恢复平带作用使半导体表面层离开了平带状态。为了恢复平带状态，须在金属板上加一定偏压。状态，须在金属板上加一定偏压。Q0时，时，M和和S表面层感应出负电荷，空间电荷层的能表面层感应出负电荷，空间电荷层的能带向下弯曲，故金属板上加负偏压抵消掉半导体表面带向下弯曲，故金属板上加负偏压抵消掉半导体表面层内由层内由Q产生的电场。相当于产生的电场。相当于CV曲线向左平移曲线向左平移+MIS-E外外2绝缘层中离子的影响绝缘层中离子的影响(1)受主表面态受主表面态 在在N型半导体中：型半导体中：使使N型表面反型，型表面反型，VS0,能带上弯能带上弯 在在P型表面型表面：Vs0，能带上弯，能带上弯,表面积累更多空穴，为强表面积累更多空穴，为强p型材料型材料 只要表面有受主态存在，都会形成由体内向外的电只要表面有受主态存在，都会形成由体内向外的电场，使场，使VS0，能带下弯，在表面形成强，能带下弯，在表面形成强N型型 正电荷：电离的施主表面态正电荷：电离的施主表面态 负电荷：多子积累负电荷：多子积累 P型材料：表面出现反型层型材料：表面出现反型层，Vs0，能带下弯，能带下弯 正电荷：电离施主表面态正电荷：电离施主表面态 负电荷：负电荷：反型层中少子电子反型层中少子电子 耗尽层中电离的受主耗尽层中电离的受主 只要有施主表面态，总要形成指向内部的电场，在只要有施主表面态，总要形成指向内部的电场，在没加电场时，在表面就有电场没加电场时，在表面就有电场VS0，能带下弯，能带下弯，C-V特性曲线左移特性曲线左移EcEvEF+(2)施主表面态施主表面态一、一、p-n结的形成和种类结的形成和种类1合金法合金法用合金法制备的用合金法制备的p-n结一般为突变结结一般为突变结2扩散法扩散法用扩散法制备的用扩散法制备的p-n结一般为缓变结，结一般为缓变结，杂质浓度从杂质浓度从p区到区到n区逐渐变化。区逐渐变化。xNNAND5-4 半导体的半导体的p-n结结pn结的作用和用途结的作用和用途1.pn结中由于空间电荷区的作用，形成对电子运动有阻碍结中由于空间电荷区的作用，形成对电子运动有阻碍的势垒，载流子通过这个势垒时，按照其运动方向而难的势垒，载流子通过这个势垒时，按照其运动方向而难易不同，利用这种现象可制成二极管。易不同，利用这种现象可制成二极管。2.当光照射当光照射pn结时，由于自建电场的作用，使光照产生的结时，由于自建电场的作用，使光照产生的电子电子空穴对定向运动形成光电流。利用这种现象的器空穴对定向运动形成光电流。利用这种现象的器件有太阳能电池、放射线、红外探测器等。件有太阳能电池、放射线、红外探测器等。3.利用利用pn结电容与偏压有关，可制成变容二极管。结电容与偏压有关，可制成变容二极管。4.利用高掺杂浓度制成隧道二极管，利用其独特的负阻特利用高掺杂浓度制成隧道二极管，利用其独特的负阻特性可用于振荡器、放大器及其它方面。性可用于振荡器、放大器及其它方面。1平衡平衡p-n结的形成结的形成 P型材料的多子用型材料的多子用pp0表示，少子为表示，少子为np0 n型材料的多子用型材料的多子用nn0表示，少子为表示，少子为pn0单独的单独的n型、型、P型半导体是电中性的型半导体是电中性的形成形成p-n结后，由于载流子的浓度梯度，结后，由于载流子的浓度梯度，导致了空穴从导致了空穴从pn，电子从，电子从np的扩散运动的扩散运动P区中的空穴离开后留下不可动的带负电的电离受主，没有正电区中的空穴离开后留下不可动的带负电的电离受主，没有正电荷与之保持电中性，因此结附近靠近荷与之保持电中性，因此结附近靠近p区一侧出现负电荷区。同区一侧出现负电荷区。同理，结附近靠近理，结附近靠近n区一侧出现由电离施主构成的正电荷区。区一侧出现由电离施主构成的正电荷区。形成由形成由np区，从正电荷指向负电荷的恒定电场，称为内建场，区，从正电荷指向负电荷的恒定电场，称为内建场，它存在于结区。内建场起阻碍电子和空穴扩散的作用。它存在于结区。内建场起阻碍电子和空穴扩散的作用。平衡后：平衡后：J扩扩=J漂漂 处于热平衡状态的结称为平衡结。处于热平衡状态的结称为平衡结。PN_+EJ扩J漂二、平衡二、平衡p-n结的特点结的特点2平衡平衡p-n结的能带及势垒结的能带及势垒 能带相对移动的原因能带相对移动的原因 空间空间电荷区的内建电场的结果。随着电荷区的内建电场的结果。随着nP的电场的增强，的电场的增强，V(x)由由nP不断不断降低，而电子的电势能降低，而电子的电势能qV(x)由由nP不断升高。不断升高。p区能带相对区能带相对n区区上移，上移，n区能带相对区能带相对p区下移，直到区下移，直到EF处处相等，处处相等，p-n结平衡。结平衡。p-n结中的结中的EF处处相等标志了每处处相等标志了每一种载流子的一种载流子的J扩扩和和J漂漂互相抵消，没互相抵消，没有净电流通过有净电流通过p-n结。结。PNEFqVDEcEfnEiEvpnEfp 二者接触后，电子由二者接触后，电子由nP,空穴由空穴由Pn,导致导致(EF)n，(EF)p.直直到到(EF)n=(EF)p=EF，p-n结平衡，结平衡，J扩扩=J漂漂，形成恒定电场，形成恒定电场E,方向方向由由nP。假设：假设：P区：区：Ec=Ecp Ev=Evp n0=np0 p0=pp0N区：区：Ec=Ecn Ev=Evn n0=nn0 p0=pn0同质同质p-n结结:平衡时：平衡时：qVD=EFn-EFp饱和区，全电离：饱和区，全电离：pp0=NA,nn0=NDVD与与p-n结二边的掺杂浓度、温度及结二边的掺杂浓度、温度及Eg有关：有关：Eg越大，越大，ni越小，越小，VD越大越大 P 电子扩散区 结区 空穴扩散区 Nxpxpxnxn三、非平衡三、非平衡p-n结结1.正偏正偏p-n结的能带结的能带 正偏时，势垒区内载流子浓度减小，电阻很大；势垒区外载流正偏时，势垒区内载流子浓度减小，电阻很大；势垒区外载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正偏压落在势垒区子浓度很大，电阻很小，所以外加正偏压落在势垒区 正偏压在势垒区产生了与内建电场相反的电场，因而减弱了势正偏压在势垒区产生了与内建电场相反的电场，因而减弱了势垒区的电场强度，表面空间电荷相应减少。故势垒区宽度减小，垒区的电场强度，表面空间电荷相应减少。故势垒区宽度减小，势垒高度从势垒高度从qVD下降为下降为q(VD-V)势垒区电场减弱，破坏了载流子的运动平衡，漂移运动减弱，势垒区电场减弱，破坏了载流子的运动平衡，漂移运动减弱，J扩扩J漂。电子通过势垒区扩散漂。电子通过势垒区扩散入入p区，电子在区，电子在xp处积累，形处积累，形成向成向p区内部电子扩散流。区内部电子扩散流。qVDPN内+q(VDV)JnJpxJ=Jn+Jp-xpxn2正偏时载流子的运动和电流成分正偏时载流子的运动和电流成分 P：J=Jp N：J=Jn 结：结：J=Jp结结+Jn结结 扩：扩：J=Jp(x)+Jn(x)正偏时，正偏时，n区中电子向区中电子向nn漂移，越过势垒区，经漂移，越过势垒区，经pp进入进入p区，构成进入区，构成进入p区的电子区的电子J扩扩；进入；进入p区后继续区后继续向内部扩散，形成电子扩散电流。向内部扩散，形成电子扩散电流。扩散过程中，电子与从扩散过程中，电子与从p区内部向区内部向pp漂移来的空漂移来的空穴复合，电子电流不断转化为空穴电流，直到注入的穴复合，电子电流不断转化为空穴电流，直到注入的电子全部复合，电子电流全部转化为空穴电流为止。电子全部复合，电子电流全部转化为空穴电流为止。单向导电性单向导电性正偏下，正偏下，J随偏压呈指数关系增大，随偏压呈指数关系增大，正偏与反偏时的正偏与反偏时的J-V曲线不对称曲线不对称(整流效应整流效应)例如室温：例如室温：KT=0.026ev当当V=0.26v:温度对温度对J影响很大影响很大：Js-T主要由主要由 决定，决定，T,Js迅速增大，且迅速增大，且Eg越大，越大，Js变化越快变化越快 T，正向，正向J Js反向饱和电流密度反向饱和电流密度,常量常量,与外加电压无关与外加电压无关VJJs3正偏下的电流密度正偏下的电流密度 反反偏偏压压在在势势垒垒区区产产生生的的电电场场与与内内建建电电场场方方向向一一致致，势势垒垒区区的的电电场场增增强强，势势垒垒区区变变宽宽，势势垒垒高高度度qVD增增大大为为q(VDV)。势势垒垒区区电电场场增增强强，破破坏坏了了载载流流子子扩扩散散运运动动和和漂漂移运动的原有平衡，漂移运动增强，移运动的原有平衡，漂移运动增强，J漂漂 J扩扩。当当|V|,，J,最后最后JJs(反向饱和电流反向饱和电流)4反偏时的反偏时的p-n结结qVDq(VDV)+-npVBR四、四、p-n结的击穿特性结的击穿特性 反向电压使结区电场达到反向电压使结区电场达到105v/cm，反向饱和电流不再，反向饱和电流不再恒定，而是突然增加，这种现恒定，而是突然增加，这种现象称为象称为p-n结的击穿，对应的结的击穿，对应的电压称为击穿电压，用电压称为击穿电压，用VBR表表示。示。击穿现象中，电流增大的击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于迁移率的增基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增大，而是由于载流子数目的增加。加。1雪崩击穿雪崩击穿 一般发生在缓变结中，且掺杂浓度比较低一般发生在缓变结中，且掺杂浓度比较低 反向偏压下，流过反向偏压下，流过p-n结的反向电流，主要是结的反向电流，主要是p区扩散到势垒区扩散到势垒区的电子电流和由区的电子电流和由n区扩散到势垒区的空穴电流区扩散到势垒区的空穴电流 反偏很大时，势垒区的电场很强，区内的电子和空穴受到强反偏很大时，势垒区的电场很强，区内的电子和空穴受到强电场的漂移作用有很大动能，它们与晶格原子发生碰撞，把价键电场的漂移作用有很大动能，它们与晶格原子发生碰撞，把价键上的电子碰撞出来成为导电电子，同时产生一个空穴。即高能量上的电子碰撞出来成为导电电子，同时产生一个空穴。即高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子空穴对的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子空穴对 一个电子碰撞出一个电子和一个空穴，即一个载流子变成了一个电子碰撞出一个电子和一个空穴，即一个载流子变成了三个载流子，如此继续碰撞，载流子大量增加，通过载流子的倍三个载流子，如此继续碰撞，载流子大量增加，通过载流子的倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生击穿电流，从而发生击穿212212pn+2隧道击穿隧道击穿 Eg小、突变结、掺杂高的缓变结是导致隧道击穿的因素。小、突变结、掺杂高的缓变结是导致隧道击穿的因素。在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带的击穿现象。而进入到导带的击穿现象。一般杂质浓度，雪崩击穿是主要的；在杂质浓度高，反向偏一般杂质浓度，雪崩击穿是主要的；在杂质浓度高，反向偏压不高时，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，隧道击穿压不高时，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，隧道击穿占主要占主要。3热击穿热击穿 容易发生的条件是容易发生的条件是Eg小，散热不好的器件。小，散热不好的器件。当当p-n结上施加反向电压时，反向电流会引起热损耗，反向电结上施加反向电压时，反向电流会引起热损耗，反向电压逐渐增大，对应的反向电流所损耗的功率也增大，将产生大量压逐渐增大，对应的反向电流所损耗的功率也增大，将产生大量热能。如果散热条件不好，热能无法及时传递，结温度会上升。热能。如果散热条件不好，热能无法及时传递，结温度会上升。反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，结温反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，结温,Js迅速上升，迅速上升，产生的热能也迅速增大，如此循环而发生击穿。产生的热能也迅速增大，如此循环而发生击穿。EcnEcpEvp一、金属半导体接触及能级图一、金属半导体接触及能级图1.金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。功函数的定义是功函数的定义是E0与与EF能量之差，用能量之差，用WM表示，即表示，即表示一个起始能量等于表示一个起始能量等于EF的电子，由金属内部逸出到的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。真空中所需要的最小值。5-5 金属和半导体的接触金属和半导体的接触金属中的电子势阱金属中的电子势阱2.接触电势差接触电势差半导体中，导带底半导体中，导带底EcEc和价带顶和价带顶EvEv一般都比一般都比E E0 0低几个电子伏。低几个电子伏。半导体的功函数可以写成：半导体的功函数可以写成：金属半导体接触，由于金属半导体接触，由于W Wm m和和W Ws s不同，会产生接触电势不同，会产生接触电势差差V Vmsms。同时半导体能带发生弯曲，使其表面和内部存在。同时半导体能带发生弯曲，使其表面和内部存在电势差电势差V Vs s，即表面势，即表面势V Vs s，因而，因而紧密接触时，紧密接触时，EnWsEc(EF)sEvE0半导体的能级图半导体的能级图（c）紧密接触）紧密接触 （d）忽略间隙）忽略间隙图图(a)(d)为金属为金属n型半导体接触能带图型半导体接触能带图(WmWs)Dx（b）间隙很大间隙很大（a）接触前接触前EvxWsx一类是整流接触，形成阻挡层，即肖特基接触；一类是整流接触，形成阻挡层，即肖特基接触；一类是非整流接触，形成反阻挡层，即欧姆接触。一类是非整流接触，形成反阻挡层，即欧姆接触。当金属与当金属与n型半导体接触时：型半导体接触时：若若WmWs，则在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中，则在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方向由体内指向表面，电场方向由体内指向表面，Vs0，它使半导体表面电子的能量，它使半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形成表面势垒。高于体内的，能带向上弯曲，即形成表面势垒。在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。若若 WmWs，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成的空间电荷区。的空间电荷区。典型金属半导体接触有两类：典型金属半导体接触有两类：(a)p型阻挡层型阻挡层(WmWs)金属金属p型半导体接触能带图型半导体接触能带图形成形成n型和型和p型阻挡层的条件：型阻挡层的条件：n 型型p 型型WmWsWmWs时，能带向上弯曲，形成时，能带向上弯曲，形成p型反型反阻挡层阻挡层当当WmWs时，能带向下弯曲，造成空穴的时，能带向下弯曲，造成空穴的势垒，形成势垒，形成p型阻挡层。型阻挡层。金属金属-半导体肖特基接触伏安特性曲线半导体肖特基接触伏安特性曲线 JSTJVJSDVJ(a)扩散理论扩散理论(b)热电子理论热电子理论二、金属半导体接触的整流理论二、金属半导体接触的整流理论2.1 金属金属半导体接触的整流特性半导体接触的整流特性在金属半导体接触中，金属一侧势垒高度不随外在金属半导体接触中，金属一侧势垒高度不随外加电压而变，半导体一侧势垒高度与外加电压相关。加电压而变，半导体一侧势垒高度与外加电压相关。因此，当外加电压使半导体一侧势垒高度降低时，因此，当外加电压使半导体一侧势垒高度降低时，形成从半导体流向金属的净离子流密度，且随外加形成从半导体流向金属的净离子流密度，且随外加电压而变化；反之，则是从金属到半导体的离子流电压而变化；反之，则是从金属到半导体的离子流密度，该电流较小。且与外加电压几乎无关。密度，该电流较小。且与外加电压几乎无关。这就是金属这就是金属半导体接触整流特性。半导体接触整流特性。02.2.1 扩散理论扩散理论 对于对于n型阻挡层，当势垒宽度比电子的平均自由程大得多时，型阻挡层，当势垒宽度比电子的平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层厚阻挡层。厚阻挡层。当势垒高度远大于当势垒高度远大于k0T时，势垒区可近似为一个耗尽层时，势垒区可近似为一个耗尽层 在耗尽层中，载流子极为稀少，它们对空间电荷的贡献可忽略；在耗尽层中，载流子极为稀少，它们对空间电荷的贡献可忽略；杂质全部电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。杂质全部电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。若半导体是均匀掺杂的，则耗尽层中的电荷密度也是均匀的，若半导体是均匀掺杂的，则耗尽层中的电荷密度也是均匀的，且等于且等于qND，ND是施主浓度。这时泊松方程是：是施主浓度。这时泊松方程是：2.2.2 热电子发射理论热电子发射理论计算超越势垒的载流子数目就是热电子发射理论计算超越势垒的载流子数目就是热电子发射理论 电子从电子从MS所面临的势垒高度不随外加电压变化。所面临的势垒高度不随外加电压变化。从金属到半导体的电子流所形成的电流密度从金属到半导体的电子流所形成的电流密度Jms是个常是个常量，它应与热平衡条件下，即量，它应与热平衡条件下，即V=0时的大小相等，方向时的大小相等，方向相反。因此：相反。因此：由上式得到总电流密度为：由上式得到总电流密度为：Ge、Si、GaAs具有较高的载流子迁移率，即具有较高的载流子迁移率，即有较大的平均自由程，因而在室温下，这些半有较大的平均自由程，因而在室温下，这些半导体材料的肖特基势垒中的电流输运机构主要导体材料的肖特基势垒中的电流输运机构主要是热电子发射。是热电子发射。2.2.3 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的，此二极管将有较低的的多数载流子进入金属形成的，此二极管将有较低的正向导通电压，一般为正向导通电压，一般为0.3V左右。左右。三、欧姆接触三、欧姆接触欧姆接触：不产生明显的附近阻抗，而且不会使半导体欧姆接触：不产生明显的附近阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，形成非整流接内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，形成非整流接触，这是另一类重要的触，这是另一类重要的M-S接触。接触。重掺杂的重掺杂的P-N结可以产生显著的隧道电流。结可以产生显著的隧道电流。M-S接触接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，电子要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，当隧道电流占主导地位时，其接触电阻很小，可以用其接触电阻很小，可以用作欧姆接触。作欧姆接触。N型阻挡层的势垒贯穿型阻挡层的势垒贯穿EFx00yEc欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧道效应制造。层或隧道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在半导体实际生产中，主要利用隧道效应在半导体上制造欧姆接触。上制造欧姆接触。欧姆接触的欧姆接触的I-V特性曲线：特性曲线：VJ一、表面态、表面电场效应一、表面态、表面电场效应 P型半导体表面空间电荷层的四种基本状态型半导体表面空间电荷层的四种基本状态 VG变化变化VS变化变化 能带弯曲能带弯曲电荷分布变化电荷分布变化 VG0 VS0 VG0 多子堆积多子堆积 平带平带 多子耗尽多子耗尽 反型少子堆积反型少子堆积 N型半导体表面空间电荷层的四种基本状态型半导体表面空间电荷层的四种基本状态 第五章第五章 小小 结结1.00.80.60.40.2ABCDEFC0CFBCminCminVmin1低频C02高频GH00+VMIS结构的电容结构的电容电压曲线电压曲线二、理想的二、理想的MIS结构的结构的C-V特性特性三、实际的三、实际的MIS结构的结构的C-V特性特性 1.功函数差的影响功函数差的影响 2.表面态的影响表面态的影响 3.绝缘层中离子的影响绝缘层中离子的影响四、半导体四、半导体p-n结结 1.平衡平衡p-n结及能带结及能带 2.非平衡非平衡p-n结、偏置下的能带及电流密度结、偏置下的能带及电流密度 3.p-n结的击穿结的击穿 4.隧道结的能带及伏安特性隧道结的能带及伏安特性五、金属半导体的接触五、金属半导体的接触 1.接触电势差及接触电势差及M-S接触的整流理论接触的整流理论 2.欧姆接触欧姆接触EcEvEF+pnxDEg五、隧道结五、隧道结(了解了解)重掺杂重掺杂1019/cm3，这种强这种强p型型、强强n型材料形成型材料形成的的p+n+结称为隧道结。结称为隧道结。1隧道结的能带结构隧道结的能带结构2隧道结的伏安特性隧道结的伏安特性JVJpJvVvVp054321(1)平衡隧道结平衡隧道结(2)加正偏，电压加正偏，电压0VVpEcEvEFEgPNEvEgEc(3)当当V=Vp，(EF)p=Ecn(4)正偏继续正偏继续，(EF)nEvp，(EF)pEcnEgEg(5)当当V=VV时，时，Ecn=Evp(6)V再再，与普通的，与普通的p-n结一样结一样(7)加反向电压，势垒加高加反向电压，势垒加高Eg