半导体物理学第六章

一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构九．半导体异质结构半导体物理学结型器件种类PN结型二极管（第六章）(a)(b)(c)PN结二极管原理性结构(a),符号(b)与I-V特性曲线(c))1(DSDkTqVeII肖特基结二极管（第七章）金属与半导体接触金属与掺杂半导体接触形成的肖特基二极管的工作原理基于GaAs和InP的MESFET和HEMT器件中，其金属栅极与沟道材料之间形成的结就属于肖特基结。因此，它们的等效电路中通常至少包含栅-源和栅-漏两个肖特基结二极管。MOS晶体管的基本结构（第八章）n型MOS管p掺杂半导体衬底nn导体绝缘体漏极栅极源极耗尽型电路符号栅极源极漏极衬底增强型电路符号栅极源极漏极衬底p型MOS管n掺杂半导体衬底pp导体绝缘体漏极栅极源极栅极源极漏极衬底栅极源极漏极衬底耗尽型电路符号增强型电路符号MOS管的物理结构与电路符号欧姆接触第6章pn结•6.1pn结及其能带图6.2pn结电流电压特性6.3pn结电容6.4pn结击穿6.5pn结隧道效应6.1.1PN结形成及杂质分布•PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界•PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件•典型制造过程–合金法–扩散法1.合金法液体为铝硅熔融体，p型半导体为高浓度铝的硅薄层合金结的杂质分布：NDNAN(x)xpn单边突变结（P+-n结）：由两边杂质浓度相差很大的p、n型半导体形成的p-n结为单边突变结。p区的施主杂质浓度为1019cm-3,而n区的杂质浓度为1016cm-3。浅结、重掺杂（1um）或外延的PN结2.扩散法通过氧化、光刻、扩散等工艺形成p-n结。nSiSiO2nSinSiP缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的p-n结为缓变结。深结（3um）上面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析6.1.2空间电荷区•空间电荷区——在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。•扩散运动——P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。•漂移运动——在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。•内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。•耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。PN结的形成6.1.3PN结能带图：平衡的PN结，没有外加偏压载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势自建场和自建势图6-8电势电子势能(能带)能带结构•费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：•E=EF时，能级被占据的几率为1/2•本征费米能级位于禁带中央kTEEFeEf/)(11)(自建势qVD平衡时的能带结构0xEnjFnn0xEpjFpp0dxdEF费米能级平直6.1.4PN结接触电势差：内建电势ECEfnEVECEfpEV------EF－－－－－－－－－－qVDqVDx空间电荷区空间电荷区内电势由np区不断下降，空间电荷区内电势能由np区不断升高，p区能带相对向上移，n区能带向下移，至费米能级相等，n-p结达平衡状态，没有净电流通过。势垒高度：qVD=EFn—EFpxV(x)VD-xpxnx－－－－－－－－－－qVDqVDxqV(x)0xn-xp接触电势差)(ln)(ln)(1/;)(1ln)exp();exp(200002000000000iADpnFpFnDAipDnFpFnpniFpipiFninFpFnDnNNqTknnqTkEEqVNnnNnEETknnTkEEnnTkEEnnEEqVPN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度2lnADDiNNkTVqn式中NA：P区掺杂浓度；ND：N区掺杂浓度ni：本征载流子浓度0.026300tkTVVTKq对于锗PN结，通常可取VD=0.3—0.4V对于硅PN结，通常可取VD=0.6—0.7V热电压图6-8电势电子势能(能带)6.1.5p-n载流子的分布♦当电势零点取x=-xp处,则有:♦势垒区的载流子浓度为:)()(xqVExECCCCpExExx)(,DCCnqVExExx)(,()()()0()=CFCFEqVxEEEqVxkTkTkTCCqVxkTpnxNeNeenekTxqVpkTxqVEEVepeNxpVF)(0)()()()(xqVExEVV即有:00pppxxnnpp00nnnxxnnpp0000DDeVeVkTkTnpnpnneppe()()00()()npeVxeVxkTkTppxxxnxnepxpe图6-9•平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点:♦同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼关系♦处处都有n•p=ni2♦势垒区是高阻区(常称作耗尽层)突变结StepJunction能带内建电势电场电荷第6章pn结•6.1pn结及其能带图6.2pn结电流电压特性6.3pn结电容6.4pn结击穿6.5pn结隧道效应6.2pn结电流电压特性•V0条件下的突变结：外加电压全部降落在耗尽区，V大于0时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为VD-V正偏能带图反偏PN结准费米能级正偏：少子扩散；反偏：少子抽取xεnp0pn(x)pn0np(x)xpn(xn)np(-xp)np(x)pn(x)pn0np06.2.2理想二极管方程•PN结正偏时理想二极管方程•PN结反偏时定量方程•基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PN结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间电荷区的产生—复合作用。P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。PN结电流1/00kTqVPnPNpNeLpDLnDqAIAIJeJJeIIkTqVskTqV/,11//s，肖克莱方程：单向导电性PN结电流与温度的关系6.2.3与理想情况的偏差*大注入效应空间电荷区的复合单向导电性应用•整流二极管•检波二极管•开关二极管第6章pn结•6.1pn结及其能带图6.2pn结电流电压特性6.3pn结电容6.4pn结击穿6.5pn结隧道效应电容6.3.1PN结电容的来源PN结的两端有等效电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-NCB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。★电容效应•p-n结有存储和释放电荷的能力。①势垒电容CT—当p-n结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应.♦当p-n结上外加的正向电压增加，势垒高度降低空间电荷减少♦当p-n结上外加的反向电压增加，势垒高度增加空间电荷增加②扩散电容CD—当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应.♦当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加♦在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大,扩散电容可忽略•p-n结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化--CT和CD都是微分电容:C=dQ/dV6.3.2突变结的势垒电容1.突变结的电场电势分布①耗尽层近似下的空间电荷:突变结+杂质完全电离+耗尽近似的条件下，势垒区中电离杂质组成空间电荷•势垒宽度:XD=Xp+Xn•势垒区中单位面积的正负电荷总量相等：|Q|=eNAXp=eNDXn()(0)()(0)ApDnxqNxxxqNxx势垒区能带空间电荷分布矩形近似②电场:♦泊松方程：♦积分一次22021202220(),(0)()(0)ApDndVxdxdVqNxxdxdVqNxxxdx110220()(0)()()(0)ApDndVqNxCxxdxdVqNxxCxxdx♦利用边界条件定出待定常数得电场在x=0处,内建电场数值达到极大③电势:再积分一次得电势分布（抛物线），利用边界条件确定待定系数000ADMpnQeNeNExx110220()()(0)()()(0)AppDnnqNxxdVExxxdxqNxxdVExxxdx2110022200()(0)2()(0)22ApApDnDnqNxqNVxxxDxxqNxqNVxxxDxx空间电荷电场电势能带2.突变结的势垒宽度宽度:•上面公式得到•利用XD=Xp+Xn和NAXp=NDXn可得•代入上式220()2ApDnDqNxNxV,ADDDnpDADANXNXxxNNNN20()2ADDDDANNqVXNN♦则，平衡p-n结♦当加外电压V,ADDDnpDADANXNXxxNNNN1202()DADDDANNXVeNN1202()()DADDDANNXVVeNN1202=()()DADnDDAeNNQeNXVVNN♦单边突变结:♦势垒区主要在轻掺杂一边•对p+-n结,NB代表ND•对p-n+结,NB代表NAnDxX1202()DDBVVXeNpDxXP+-n结3.突变结的势垒电容•反向偏压下的突变结势垒电容(单位面积):1202()()DATDADeNNCdQAdVNNVV0TDCAX1/21()TDCVV•几点说明:①p-n结的势垒电容可以等效为一个平行板电容器,势垒宽度即两平行极板的距离②这里求得的势垒电容,主要适用于反向偏置情况③单边突变结的势垒电容:120002()BTDBeNCAVVXd6.3.4扩散电容•扩散电容CD—当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应.()()DpppxnxpDnnnCdQQpxedxAdVCdQQnxedxAdV•少子在扩散区中的分布:♦在空穴扩散区♦在电子扩散区0()(),()(1)nxxeVLkTnnnpxpxepxpe0()(),()(1)PxxeVLkTpppnxnxenxne•PN结的单位面积微分扩散电容为:♦扩散电容在正向偏压和低频下起重要的作用.2200()eVDppDnnDkTCenLCepLCeAAAkTkT第6章pn结•6.1pn结及其能带图6.2p