信息技术与社会进步-5-2

C00103信息技术与社会进步主讲人：刘纯亮西安交通大学电子与信息工程学院第5章微电子技术（2）5-2固体能带概念与MOS器件2014年07月15日本科生课程“信息技术与社会进步”讲义大纲一、固体能带和载流子概念二、半导体接触三、MOS器件及应用固体的三种形态单晶固体（SingleCrystallineSolid），原子在整个区域周期排列，制备成本最高。多晶固体（Poly-crystallineSolid），原子在很小区域周期排列形成晶粒，整个区域无周期性，制备成本较高。非晶固体（AmorphousSolid），原子在整个区域无序排列，制备成本最低。一、固体能带和载流子概念gcvEEE固体中电子的能量状态可分为三种情况：（1）价带：该能量范围充满电子，但电子不能自由移动。（2）导带：该能量范围可存在电子，且电子能够自由移动。（3）禁带：该能量范围不允许存在电子。导带价带禁带固体中电子的三种能量状态一、固体能带和载流子概念（1）金属（导体）：导带与价带重叠，存在自由移动的电子，能够传导电流，随着温度升高导电性变差。（2）绝缘体：导带与价带分离，禁带宽度很大，价带中充满电子（但不能自由移动），导带中没有电子，不能传导电流。（3）半导体：导带与价带分离，禁带宽度较小，在绝对零度下，价带中充满电子（但不能自由移动），导带中没有电子，不能传导电流。在室温下，由于热激发会有部分电子从价带跃迁到导带，导带存在部分自由移动的电子，可传导电流，随着温度升高导电性增强。固体的三种导电状态一、固体能带和载流子概念一般情况下，由于受到固体表面势垒的阻挡，固体中的电子不能离开固体表面而逃逸出固体。功函数（Φ）是描述固体表面势垒的一个重要物理参量，定义为真空能级（E0）与固体中电子的费米能级（EF）之差。费米能级是描述固体中电子统计分布的一个重要物理参量。对于金属，费米能级代表自由电子的最大能量。对于绝缘体和半导体，在绝对零度下，电子占据费米能级之上和之下状态的概率均为50%。只有给电子提供能量，电子才有可能逃逸出固体表面。给电子提供能量的三种常用方式：（1）热能，加热固体。（2）电场能，外加高电场。（3）光能，激光照射。固体表面功函数一、固体能带和载流子概念从原子能级到固体能带泡利不相容原理：每个量子态最多容纳自旋相反的2个电子。反键态成键态分离原子的能级能量原子间距原子间距分离原子的能级形成分子时的平衡间距能量能带顶部能带底部两个原子结合成分子多个原子结合成固体一、固体能带和载流子概念导带和价带的定义Ex或导带（ConductionBand，CB）：最低的完全空或部分空的能带，EC为导带底的能级。价带（ValanceBand，VB）：最高的完全填充的能带，EV为价带顶的能级。gE禁带宽度（Eg）：导带底到价带顶之间的能量差。gCVEEE禁带一、固体能带和载流子概念金属半导体绝缘体二氧化硅：Eg=8eV金刚石：Eg=6eV室温下硅（Si）：Eg=1.12eV锗（Ge）：Eg=0.66eV砷化镓（GaAs）：Eg=1.42eV铜（Cu）锌（Zn）铅（Pb）导带存在电子导带与价带重叠一、固体能带和载流子概念半导体中载流子的产生在半导体中，如果给价带中的电子提供能量，当电子的能量大于禁带宽度时，电子将从价带跃迁到导带，在导带形成可自由移动的电子，同时，在价带留出一个空位，称为空穴。价带中其它电子有可能填补到空位中，在别的地方产生另一个空位，等价于空穴在价带中运动。导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子（ChargeCarrier）。给价带电子提供能量的三种常用方式：热激发（ThermalExcitation）：加热半导体光激发（OpticalExcitation）：光辐照半导体掺杂（Doping）：掺入另外一种原子一、固体能带和载流子概念对于本征半导体（无杂质），导带电子主要来自热激发或光激发，电子和空穴成对出现。习惯上，用n表示导带电子浓度，用p表示价带空穴浓度。在热平衡条件下，本征半导体中的电子浓度或空穴浓度称为本征载流子浓度，用ni表示。inpn室温下三种半导体中的本征载流子浓度Si：Ge：GaAs：103110/incm133210/incm63210/incm一、固体能带和载流子概念n型半导体如果在硅中掺杂磷（P）原子，由于硅为IV族元素，最外层有4个价电子，磷为V族元素，最外层有5个价电子，磷替代硅后多出1个电子，因此，硅中掺杂磷后将在导带出现多余的自由电子，这种掺杂半导体称为n型半导体。由于磷原子贡献出多余的电子，称其为施主（donor）。施主:P,As,Sb一、固体能带和载流子概念中性磷磷电离硅中掺杂磷后，磷在禁带中导带底附近形成杂质能级，称为施主能级。导带底能级与施主能级之差称为施主电离能Ed。室温下，施主能级中的电子受热激发而跃迁到导带，称为杂质电离。施主能级的电离能与热能十分接近，室温下施主几乎完全电离。550dEmeV300TK26BkTmeV载流子浓度等于施主掺杂浓度DDnNN一、固体能带和载流子概念p型半导体如果在硅中掺杂硼（B）原子，由于硅为IV族元素，最外层有4个价电子，硼为III族元素，最外层有3个价电子，硼替代硅后多出1个空位，因此，硅中掺杂硼后将在价带出现多余的自由空穴，这种掺杂半导体称为p型半导体。由于硼原子存在接受电子的空位，称其为受主（acceptor）。受主:B,Ga,In,Al一、固体能带和载流子概念中性硼硼电离硅中掺杂硼后，硼在禁带中价带顶附近形成杂质能级，称为受主能级。受主能级与价带顶能级之差称为受主电离能Ea。室温下，价带中的电子受热激发而跃迁到受主能级，称为杂质电离。受主能级的电离能与热能十分接近，室温下受主几乎完全电离。550aEmeV300TK26BkTmeV载流子浓度等于受主掺杂浓度AApNN一、固体能带和载流子概念杂质电离与载流子的区别电子：可自由移动，载流子。杂质磷离子（P+）：不能自由移动，形成正的空间电荷分布。空穴：可自由移动，载流子。杂质铝离子（Al-）：不能自由移动，形成负的空间电荷分布。多余电子欠缺电子一、固体能带和载流子概念有关载流子的术语说明施主（donor）：能够增加电子浓度的杂质原子。受主（acceptor）：能够增加空穴浓度的杂质原子。n型材料：包含的电子数多于空穴数。p型材料：包含的空穴数多于电子数。多子（majoritycarrier）：数量占优的载流子，例如，n型材料中的电子，p型材料中的空穴。少子（minoritycarrier）：数量不占优的载流子，例如，n型材料中的空穴，p型材料中的电子。本征半导体（intrinsicsemiconductor）：未掺杂半导体。非本征半导体（extrinsicsemiconductor）：掺杂半导体。一、固体能带和载流子概念大纲一、固体能带和载流子概念二、半导体接触三、MOS器件及应用对半导体能带的再认识（能带弯曲）若用纵坐标表示电子的总能量E，横坐标表示电子在半导体中的位置x，那么，当半导体中无电场时，电子的势能为常数，电子的能量与位置无关，能带为水平直线。当半导体中存在电场时，电子的势能将随位置变化，电子的能量与位置有关，能带将发生弯曲。空穴本质上是移去电子后留下的空位，可看成除电荷符号相反外、其它方面与电子相同的载流子。能带图中的能量采用“电子语言”描述，导带中向上电子能量增大。价带中向下空穴能量增大，原因在于越向下移去电子所花费的能量越大。因此，在能带图中，向上方向电子能量增加，向下方向空穴能量增加。静止电子能量为EC，静止空穴能量为EV。电子动能：nCKEEE空穴动能：pVKEEE若选取势能的参考值为Eref，为保持动能加势能等于总能量，则有电子势能：nCrefPEEE空穴势能：prefVPEEE二、半导体接触由于势能参考值的选取是任意的，且为常数，因此，当半导体中存在电场时，电子（空穴）的势能将随位置变化，这就意味着，EC（EV）随着位置变化，从而导致能带发生弯曲。电子附加静电势能：eV空穴附加静电势能：eV由此可得结论：当半导体中存在电场时，电势越高，能带向下弯曲越大。CVEEeV能带偏移量：电子势能变化量：CE空穴势能变化量：VEnKEpKECEVECEVEErefEnKEVnPEx注意：电势弯曲方向与能带弯曲方向相反。二、半导体接触费米能级的物理含义费米能级的物理含义：半导体中所有载流子的平均能量。费米能级导带价带对于本征（无掺杂）半导体，热激发可产生一定量的电子－空穴对，称为本征载流子浓度。本征半导体中，费米能级近似位于禁带的中间。()/2FCVEEE器件应用中的指导性结论：2种材料接触后，热平衡状态下费米能级必须相等。二、半导体接触掺杂半导体的费米能级n型半导体p型半导体费米能级位于禁带中间费米能级靠近价带顶费米能级靠近导带底本征型半导体当掺杂浓度大于本征载流子浓度时，n型半导体的费米能级高于导带底能级，p型半导体的费米能级低于价带顶能级，称为简并掺杂半导体。本征载流子浓度自由空穴浓度自由电子浓度二、半导体接触半导体与半导体接触（PN接触）掺杂浓度：p型半导体n型半导体pn结多子多子少子少子173010pApNcm173010nDnNcm交界面存在很大的载流子浓度差二、半导体接触接触前刚开始接触接触后平衡状态平衡后能带状态受主能级施主能级导带价带接触区域接触区域费米能级二、半导体接触受主掺杂施主掺杂pn结施主受主自由电子自由空穴p型中性区域从n区扩散过来的自由电子与空穴中和n型中性区域从p区扩散过来的自由空穴与电子中和耗尽区域扩散载流子在该区域复合，形成无自由载流子的杂质电离区载流子浓度差引起多子扩散，在交界面形成仅存在电离杂质的空间电荷区域，从而产生内建电场，并引起少子迁移。二、半导体接触热平衡时，漂移电流与扩散电流相等。受主电离，形成不动的负电荷施主电离，形成不动的正电荷内建电场：内建电势：二、半导体接触费米能级费米能级费米能级内建电势分布扩散电势在内建电场作用下，能带弯曲热平衡时，费米能级必须相等，从而在交界面形成扩散电势，又称为接触电势。二、半导体接触PN结单向电流导通特性零偏压正向偏压反向偏压＋－＋－费米能级二、半导体接触零偏压：扩散电流等于漂移电流正向偏压：扩散电流大于漂移电流反向偏压：扩散电流小于漂移电流无净电流多子扩散形成较大的净电流少子漂移形成很小的净电流二、半导体接触绝缘体与半导体接触（MOS电容器）理想MOS电容器（金属功函数与半导体功函数相等）热平衡时，金属费米能级与半导体费米能级相等。氧化物金属功函数金属p型半导体费米能级半导体功函数二、半导体接触金属负偏压（金属电势低于半导体电势）表面电势半导体电势高，能带向下弯曲。空穴移向半导体与绝缘层交界处，并在该处累积。对于空穴，向上方向为能量降低方向。二、半导体接触金属正偏压（金属电势高于半导体电势）表面电势空穴离开半导体与绝缘层交界处，并在该处留下由电离杂质形成的负空间电荷区，称为耗尽层。半导体电势低，能带向上弯曲。耗尽层厚度对于空穴，向上方向为能量降低方向。二、半导体接触金属正偏压很大（出现反型层）金属正偏压大到一定程度，耗尽层厚度不再变化，其中的空穴已经全部移除。耗尽层厚度半导体电势低，能带向上弯曲。反型层：在p型半导体中出现电子通道，形成n型半导体区域。反型通道中的电子能带向上弯曲很大，紧贴氧化层的导带低于费米能级，形成电子通道，称为反型层。MOS电容器中的反型层，是MOS器件工作的基础。二、半导体接触大纲一、固体能带和载流子概念二、半导体接触三、MOS器件及应用半导体器件微电子半导体器件功率半导体器件射频/微波半导体器件光电半导体器件二极管（Diode），双极性结型晶体管（BipolarJunctionTransistor,BJT），金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor,MOSFET），互补MOSFET（Complement