固体与半导体物理(第七章)

第七章半导体器件物理基础P－n结金属－半导体接触{7.1P－n结P－n结的形成单向导电性同种材料形成的P－n结－同质结pnGeGepnSiSi不同种材料形成的P－n结－异质结pnGeSipnsaaGAGP一.平衡P－n结(一)P－n结的杂质分布合金法离子注入法扩散法外延生长法1.突变结在结处杂质分布突然变化jxx()ANxNjxx()DNxN2.缓变结ADNNjxxjxxADNN在结处杂质分布随距离变化(二)p－n结的空间电荷区1.空间电荷区载流子浓度不均匀产生扩散2.自建场从n区指向p区平衡时，扩散运动=漂移运动空间电荷区和自建场一定P－n结处于平衡态(三）能带图1.载流子的扩散是由于两区费米能级不一致所引起的2.平衡p-n结，具有统一的费米能级FnFpEE3.能带弯曲的原因自建场从n区p区电势V(x)从n区到p区电势能qV(x)从n区到p区DFnFpqVEE(四)p-n结的接触电势差接触电势差－p区和n区电势之差DV势垒高度DqV从载流子浓度公式如何理解？势垒区空间电荷区结区DV与哪些因素有关？n区平衡电子浓度()/0CFnBEEkTnCnNeP区平衡电子浓度()/0CFpBEEkTpCnNe()/00FnFpBEEkTnpnen001ln()nFnFppBnEEnkTDFnFpqVEE1()DFnFpVEEq00lnnBpnkTqn同为一区域(五)P－n结的载流子分布P区电势低于n区电势(1)电势V(x)p区：()0pVxn区：()nDVxV势垒区中任一点x的电势V(x)为正值200ppinpn利用200pninpn注意02lnnpoBDinpkTVqn常温下，杂质全电离0nDnN0pApN2lnBDADikTNNVqn(2)电势能－qV(x)()DqVqVx势垒区内任一点x处的电势能()()ExqVx比n区电子的电势能高()()()DDqVxqVqVqVx(3)势垒区内载流子分布A:势垒区内x处的电子浓度[()]/0()cnDFBEqVqVxEkTCnxNe[]/[()]/cnFBDBEEkTqVqVxkTCNee[()]/0DBqVqVxkTnne()nDVxV00()nnnxn()0pVx/000()DBqVkTppnnxnneB:势垒区内x处的空穴浓度()/0BqVxkTppe00()pppxp/000()DBqVkTnnppxppe(4)估算势垒区内某一处的载流子浓度A:假如0.7DqVevx处的势能比n区势能高0.1ev()0.1DqVqVxev0.026BkTev室温下：[()]/00()DBqVqVxkTnnxne{[()]}/0()FvpBEEqVxkTVpxNe0.1/0.026000()50nnnnxneB:()0.6qVxev0.6/0.02610000()10pppxpep结区的载流子浓度很小，已经耗尽。－耗尽区二.非平衡p－n结正向反向P－n结的伏安特性P－n结的单向导电性是因为势垒的存在（一）正向偏压下p－n结的特性非子的注入1.p－n结势垒的变化势垒高度降低()DDfqVqVV势垒宽度变窄－扩散－复合fV外加正向偏压与自建场反向载流子的扩散运动大于漂移运动电子从n区到p区，空穴从p区到n区的净扩散流构成从p区到n区的正向电流2.载流子在势垒区外的运动（1）非子的注入在处存在电子的积累，成为p区的非平衡少数载流子px在处存在空穴的积累，成为n区的非平衡少数载流子nx外加电压，使非平衡载流子进入半导体的过程非子电注入（2）扩散区在该区完成了少子扩散电流与多子漂移电流的转换(3)中性区载流子浓度接近平衡值主要是多子的漂移电流通过任一截面电子电流和空穴电流不相等电流连续性原理通过任一截面的总电流相等npJJJ空穴扩散电子漂移电子扩散空穴漂移3.正向p－n结能带图平衡p－n结能带图正向偏压下p－n结能带图(1)势垒区和扩散区存在非子npFFEE(2)中性区非子基本复合完毕npFFEE0FdEdx电流通过p－n结()()fnnpnJJxJx()pnJxnx－处空穴的扩散电流密度()()ppnnpDJxqpxLnx－处非平衡少子空穴浓度()npx()()nnnpJxJx＝()()nnppnDJxqnxLpx－处非平衡少子电子的浓度()()()()pnnpnpJxJxpxnx计算和归结为计算和()pnx4.P－n结正向电流公式平衡p－n结/00DBqVkTpnnne0()pppnxnn＝正向偏压下()DDfqVqVV势垒从[()]/DfBqVVkTpnnne//0fBDBqVkTqVkTnnee0nnnn0nnnnnnnn忽略/0fBqVkTppnne0()pppnxnn＝/0[1]fBqVkTpne同样()npx/0[1]fBqVkTnpe()()fnppnJJxJx//00(1)(1)fBfBqVkTqVkTpnpnnpDDqneqpeLL/00()(1)fBqVkTpnnpnpnDpDqeLL/(1)fBqVkTSJeffVJ，指数式fV势垒高度扩散运动fJ（二)反向偏压下p－n结的特性非子的产生1.P－n结势垒的变化在反偏下rV与同向势垒区加宽势垒高度增高漂移运动大于扩散运动2.少子的抽取边界处的少子扫向对方，体内补充少子的抽取－扩散－抽取3.反向p－n结的能带图（1）势垒区和扩散区存在非子nPFFEE正偏反偏nPFFEEnPFFEE（2）nPFFEE和在扩散区变化正偏反偏0,0nP0,0nP扩散区存在少子注入扩散区存在少子抽取这两个区4.P－n结反向电流公式rV/[1]rBqVkrsJJersJJsJ－反向饱和电流密度（三）理想p－n结的电流－电压公式1.小注入2.突变耗尽层3.忽略势垒区中载流子的产生和复合4.载流子分布满足玻尔兹曼分布/[1]BqVksJJe0fVV0fJJ从p区流向n区的正向电流0rVV0rJJ从n区流向p区的反向电流实际p－n结的电流－电压公式与理想有较大的偏差三.p－n结电容“存”“放”电荷的特性1.势垒电容正偏反偏势垒区的空间电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应发生在势垒区2.扩散电容扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应发生在扩散区3.说明(1)电容值随外加电压变化可变电容(2)反偏时，势垒电容为主，扩散电容很小正偏时，既有势垒电容，也有扩散电容（3）势垒电容效应明显，扩散电容效应不明显四.p－n结击穿BV－击穿电压nnJqnnJ1.雪崩击穿碰撞电离引起载流子倍增碰撞电离使载流子浓度急剧增加的效应为载流子倍增效应反偏压很大势垒区电场很强A:势垒高度↑↑B:能带很倾斜C:P区价带顶比n区导带底高D:A点电子能量和B点电子能量相等E:p区A点电子有一定几率穿过禁带进入n区导带的B点2.隧道击穿(齐纳击穿）在强电场作用下，发生隧道效应F:短到一定程度，大量电子从p区价带通过隧道穿透，进入n区导带xG:反向电流↑↑，p－n结发生隧道击穿（三）两种击穿的主要区别1.隧道击穿主要取决于外场雪崩击穿除与电场有关还与势垒区宽度有关2.隧道击穿,BTV,gTE12(gExPe隧道穿透几率）BV雪崩击穿,BTV,T热运动速度BV碰撞电离率，3.一般掺杂雪崩击穿为主重掺杂隧道击穿为主121()DxN{7.2半导体表面表面状态的变化会影响半导体器件的稳定性、可靠性利用表面效应可制作MOS器件、CCD器件、表面发光器件等一.纯净表面和实际表面纯净表面没有杂质吸附层和氧化层的理想表面（1）超高真空下解理（2）高温加热（3）离子轰击实际表面外表面内表面与体内晶体结构不同的原子层二.表面态（1）从能带角度当晶体存在表面，在垂直表面方向成了半无限周期势场表面存在而产生的附加电子能级－表面能级对应的电子能态－表面态（2）从化学键角度表面是原子周期排列终止的地方未饱和键－悬挂键纯净表面的表面态密度为15210cm实际表面的表面态密度1113210~10cm2SiO2sio三.表面电场效应1.表面电场（1）表面态与体内电子态之间交换电子（2）金属－半导体接触（3）MOS结构和MIS结构2.空间电荷层及表面势FESFE（1）SFFEEn型P型A:电子从体内转移到表面态－表面受主态B:正空间电荷层C:表面势为SV0SVD:空间电荷层能带弯曲电子势垒空穴势阱n型P型（2）SFFEEn型P型A:电子从表面态转移到体内－表面施主态B:负空间电荷层C:表面势0SVD:电子势阱空穴势垒n型P型空穴势垒电子势阱3.空间电荷层内载流子浓度的变化体内0()/0CFBEEkTCnNe0()/0FVBEEkTVpNe在空间电荷层内，电势能变化()SqVx0()()CCSExEqVx0()()VVSExEqVx[()]/()CFBExEkTsCnxNe0[()]/CSFBEqVxEkTCNe()/0BSqVxkTne[()]/()FCBEExkTsVpxNe0[()]/FVSBEEqVxkTVNe()/0BSqVxkTpe4.表面空间电荷层的三种基本状态（1）积累层SFFEE0SV能带从体内到表面上弯以p型为例空间电荷层的载流子浓度与体内的关系0()spxp0SV空间电荷层处于多子堆积状态－积累层（2）耗尽层SFFEE0SV能带从体内到表面下弯0()spxp空间电荷层处于多子耗尽状态0SV－耗尽层iE－参考能级反型层耗尽层（3）反型层{7.3金属－半导体接触:Aabn型导电性反型层FiEE:BbcFiEE耗尽层热蒸发溅射电镀（1）整流接触单向导电性（2）欧姆接触低电阻的非整流接触1.金属和半导体的功函数一.肖特基势垒功函数费米能级上的电子逸出体外所作的功0()mFmWEE0()sFSnWEEE－电子亲和能0E－真空能级功函数不同费米能级高低不一致－系统不平衡载流子流动形成空间电荷层自建场势垒系统平衡费米能级一致2.肖特基势垒高度mSWW以为例()()FSFmEE()()DmSFSFmqVWWEE肖特基势垒高度mDnmSnqVEWWEmSSm3.金－半接触类型决定SBD特性的重要物理参数mA:金属与n型半导体接触mSWW电子势垒n型阻挡层mSWW电子势阱n型反阻挡层DSmqVWWDnAqVE()SmSmWB:金属与p型半导体接触mSWWmSWW空穴势阱空穴势垒P型反阻挡层P型阻挡层B？对于一定的半导体一定mmW随金属功函数变化121mmWWev121mmev例：理论计算：实际测试：120.2mmev？mSWWmSWW许多半导体asSiGeGA、、形成阻挡层不管还是？表面态的存在二.巴丁模型?mgmEWmgW＝－E－mSWWmSWWP型反阻挡层P型阻挡层涉及三个子系统的平衡金属表面态半导体1.半导体与表面态接触n型：0))((FnFEEp型：0))((FpFEEn型表面受主态表面能级接受电子带负电空间电荷层带正电能带由体内到表面向上弯曲形成电子势垒00()()DFnFnEEWWqV2.半导体－表面态系统与金属接触mSWW)()(FSFmEE流向金属的电子主要来自表面态因表面态密度比较高，能够提供足够多的电子半导体势垒区几乎不变化平衡时)()(FSFmEEDnmqVE0nn0WmSWW金属中的电子流向表面态)(FSE基本保持不变3.巴丁极限对于大多数半导体表面态密度在13210/