半导体物理第10次.ppt

欧姆接触,如果两种材料接触处的电阻很小，而且电阻与电流方向及大小无关，则称这种电接触为欧姆接触。 欧姆接触应该具有电学和机械稳定性，而且不应该存在少子的注入现象； 好的欧姆接触应当具有10-5Wcm2或者更低的电阻率。 方法：金属半导体化合物、同型结,金属-半导体欧姆接触,可以利用带有积累层的金半接触作为欧姆按触，这时金属的热电子功函数应该比N型半导体的小或者比P型半导体的要大。 缺点：满足以上要求的金属-半导体组合非常少。另外，这种金半接触或多或少存在少子的注入现象。,同型结P+P，N+N,由导电类型但载流子浓度不同的两种材料形成的N+-N 结或P+-P结称为同型结，其中N+或P+区为重掺杂浓度区。 同型结具有很大的实际意义，可以用在 1、电极制备 2、避免向N区注入空穴,N+N结,设N+区施主浓度为ND2，N区则为ND1，浓度变化为台阶状。 由于电子从N+向N区的扩散，靠近界面的N+区缺少电子形成正空间电荷区，而在N区则引起电子积累形成负空间电荷区。 电荷的分离和空间电荷区的形成引起电场的产生，因而能带发生弯曲，形成势垒。 与PN结不同，同型结重掺的一边为耗尽区，轻掺的一边为积累区。,接触电势差与能带弯曲,同型结 PN结,I-V特性,与串联的PN结相比，N+N和P+P上的压降很小，因此 所以在偏压较小时，不管偏压方向如何，同型结的I-V特性为线性。 因同型结只涉及一种载流子，Js与PN结的不同。,IV特性图示,大偏压,小偏压,N+-N结非线性伏安特性：反偏压,反向偏置 随着电场强度的增加，载流子耗尽区向N区体内扩展，因此，N 区电阻将增加一些，伏安特性的反向电流曲线偏离线性关系。 反向偏置时空穴被排斥（抽出），相应的电子浓度也要下降以保持电中性。因此，N+-N结作为避免向N区注入空穴的结而可以利用。 正向偏置 随着偏压的增加，空穴在边界处积累（注入），相应的电子浓度也要增加，因此N+N结的电阻降低。因此，伏安特性的正向电流变为非线性。正偏压越大，非线性越强。,I-V特性图示,隧道效应,矩形势垒,任意势垒,利用同型结实现欧姆接触,直接利用金属-半导体形成欧姆比较困难。 因为隧道效应，金属-重掺半导体肖特基势垒电阻较小。 P+P、N+N在小偏压时I-V有线性关系，即有电阻特性。 因此M1/P+/PN/N+/M2结构可以实现欧姆接触所需的线性特性。 好处：可在较大范围内选取金属。,半导体三极管-T,三极管的极、区、结,基极、基区 b 发射极、发射区、发射结 b 集电极、集电区、集电结 c,三极管的放大作用,共基极 共发射极 共集电结 条件：发射极正向偏置、集电极反向偏置。,共基极接法（NPN三极管）,由于发射极正向偏置，势垒降低，电子从发射区注入到基区 （Ie）。 注入到基区的电子（非平衡少子）在基区中扩散形成扩散电流。 由于集电结反偏，集电结势垒增大，基区中扩散到集电结附近的电子全部被集电结吸收（Ic）。 基区中的空穴在发射极偏压的作用下也向发射区注入（Ib）。 为了减小载流子在基区的复合，要求基区很薄。,发射效率,忽略基区中载流子的产生和复合，则流过发射极的电流应该等于基区进入发射区的空穴电流和发射区进入基区的电子之和，即 。 发射效率 注入电子电流/发射极总电流，即,提高发射效率的方法：不对称结,为了提高发射效率，即使发射效率尽可能接近1，要求基区注入到发射区的空穴电流小。 通过提高基区掺杂浓度的办法可以降低基区的空穴浓度，从而减小基区注入到发射区的空穴电流浓度。一般基区施主的浓度为发射区受主浓度的100倍左右。,集电极电流,假如不考虑基区中载流子的产生与复合，则从发射极注入到基区的电子流最后全部被集电结吸收。 为了实现高的接受效率，要求基区较薄以减少复合，同时要求集电区面积较大，使得各个方向的载流子都可以被收集。,共基极接法的电压放大,因为集电结反向偏压的变化并不改变集电结电流的大小，因此RL可以取得很大，而rbe由于发射极正向偏置，所以很小，因此电压放大倍数可以很大。,共射极接法的放大倍数,因此只要Ib有很小的变化，Ic就会有很大的变化（b倍），因此可以在负载上获得放大的信号。,结场型晶体管-JFET,双极型晶体管：电子、空穴 单极型晶体管：单一载流子，JFET，MOS 源极S、漏极D、栅极G N沟道 P沟道,工作原理,G-S间加反向电压，因此P+N二极管反偏，随着反向偏压的增加，耗尽层扩大。因此S-D之间的电阻增大。 控制G-S电压的大小可以控制流过S-D之间的电流。 一般N区很窄，因此栅极电压的微小变化就会导致S-D间电阻的很大变化，由此实现信号放大的目的。,特点,由于栅极反向偏置，流过的电流很小，所以是电压控制型器件。 只要有很小的电流即可以控制很大的电流或功率。,MOS 和MIS结构 MOS: Metal-Oxide-Semiconductor MIS: Metal-Insulator-Semiconductor,MOSFET,MOS器件可以说是集成电路的基本构成单元之一，是半导体平面工艺得以推广的基础。可以说没有MOS电路，就没有今天的大规模、超大规模集成电路。 MOS器件是一种平面器件，可以通过光刻等手段在硅片上同时制作许多相同的器件，每个器件的所有部分均在表面附近，因此可通过氧化、刻蚀、离子注入、扩散、沉积等方法制作。 为了了解MOS器件，必须对MOS结构有一了解。,理想MOS的电容-电压特性,氧化层中没有电荷存在； 没有表面态即界面态； 金属的功函数与半导体的相同。 对于这种理想的MOS结构，在没有外场时半导体的能带是平的，也没有空间电荷区存在。,MOS器件的C-V特性,外加电压分为两部分，一部分降落在绝缘层中，另外一部分降落在半导体的空间电荷区中，因此微分电容也可以分为两部分，其值等于两者的串联电容，即 这里C、Ci、Cs分别为总电容、绝缘层电容、表面空间电荷区电容。,归一化电容,一般来说，绝缘层的厚度及介电常数不会随外电场改变，所以Ci为一常数，其数值一般只与绝缘层的厚度及所用材料有关； 通常将总电容用总电容与绝缘层电容的比值表示，即归一化电容 这里e0、er为介电常数，di为绝缘层厚度。,以P型半导体为例,积累层情况： 1、 当金属板上加上较高的负偏压时，表面能带向上弯曲，因此表面空穴浓度大大增加，此时只要表面势稍有变化就会使得载流子浓度大量指数增加，所以半导体表面电容很大，因此在串联电路中可以将它忽略，即总电容基本上由绝缘层电容决定，并基本保持不变。 2、当偏压减小时，表面能带弯曲程度减小，所以表面空穴浓度很快下降，半导体表面电容随着变小，它对总电容的影响也不能再忽略，所以随着负偏压绝对值的降低，电容减小。,平带情况,当偏压为0时，能带不发生弯曲，此时所以半导体表面的电容为CS，总电容为绝缘体电容与它的串联。,耗尽区与弱反型区,若金属板上所加电压大于0，但数值较小，半导体表面层为耗尽层或弱反型区。 半导体表面载流子浓度很低，所以半导体表面的电容很小，因此总电容基本上由它决定。 因为在耗尽层近似下空间电荷区厚度随外场的增加而增加，所以表面电容随外场的增加而减小，因此总电容也随外场的增加而减小。,强反型区,此时偏压很大，半导体表面少数载流子浓度很高，导电类型与体内的相反。 反型区与体内之间还有一个耗尽区，所以总电荷由反型区的电荷及耗尽区的电荷之和。 对于积累区及耗尽区，电荷变化主要通过多子的流动实现，它的速度主要由材料的介驰豫时间决定，一般跟得上外场的变化。但对于反型区，由于电子在体材料中是少子，所以反型层中少子浓度的变化是通过产生与复合实现的。,少子的复合与产生需要较长的时间，一般为几十到几百微秒,所以如果外加电压频率较低，少子的变化跟得上外场的变化，此时CsCi，因此半导体的总电容由绝缘层电容决定。 反之如果外场频率很高以至少子的产生与复合速度跟不上外场的变化，即反型层对总电容几乎没有贡献，此时半导体的电容主要由耗尽区决定，所以总电容的变化类似于没有反型层时的情况，随外场的增加而减小。 当外场增加到一定程度使得表面强反型层形成后，反型层中电子浓度很高，屏蔽了外场，耗尽层不再变化，其宽度达到一个极大值，此时总电容达到极小值。,理想MOS的C-V特性,实际MOS的C-V特性,氧化层中有电荷存在； 有表面态即界面态存在； 金属的功函数与半导体的不相同。 以上三种情况都会在没有偏压的情况下导致能带的弯曲，使得C-V曲线发生移动。 好处：通过分析MOS的C-V特性可以了解绝缘层中的电荷、半导体-绝缘层间的界面态等情况，是研究半导体表面的有力工具。,接触电势差的影响,假定半导体为P型半导体，且其功函数大于金属的功函数（例如铝），则接触电势差小于0，即半导体的电位比金属的低。这相当于加上了一个正偏压，因此半导体的能带向下弯曲。 要使得能带变直，必须加上一个负电压去抵消接触势差的影响，此电压称为平带电压，即Vfb=Vms。 对于外加电压V，加在半导体上的有效电压只有V-Vfb。从C-V曲线上看，相当于曲线沿横坐标平移了Vfb。 如果不考虑其他因素的影响，通过测量此平移值可获得接触势差的数值，由此可以知道半导体材料的功函数，由此可以获得半导体材料的费米能级、掺杂浓度等信息。,接触电势差引起的曲线移动,绝缘层中正电荷的影响,绝缘层中往往存在某些固定或可动的电荷，例如缺陷或杂质离子，这些电荷往往是正的。 这些电荷的存在会在金属板及半导体表面感应出负电荷，使得半导体表面能带向下弯曲。 为了使得半导体表面能带平直，金属板上要加上一个负电压，使得绝缘层中正电荷发出的电力线全部终止于金属板上而对半导体无影响，这个电压也叫平带电压。 无论是P型半导体还是N型半导体，绝缘层中的正电荷均使C-V曲线向左平移。,绝缘层中正电荷的影响,绝缘层中电荷位置与平带电压,假定氧化层中的电荷并不总是集中在半导体-氧化层交界处的，而是分布在整个氧化层中。假定分布在离开金属板x处，则 推论：当电荷集中到金属与氧化层交界处时，氧化层中的电荷对平带电压的影响最小；当电荷集中到氧化层与半导体交界处时，氧化层中的电荷对平带电压的影响最大。 假如绝缘层中存在可以移动的电荷，则通过温度-偏压处理，绝缘层中的可动电荷会发生移动。测量处理前后平带电压的变化，可以确定氧化层中的可动电荷密度。,表面态（界面态）的影响,表面态一般位于禁带中心附近。当偏压变化时能带弯曲，导致有电子流入表面态，或电子从表面态流出，使得表面带负电或正电。 表面态引起的电荷将部分抵消偏压，使得有效偏压下降。 如：金属板上加正压，能带向下弯曲，表面态有电子流入，带负电。此负电荷吸收金属板发出的部分正电荷，使得施加到半导体内的电场减弱。,MOS场效应管,工作原理-N沟道增强型,未