半导体器件基本结构.pdf

半导体器件基本结构半导体器件基本结构 1 金属 半导体接触 金属 半导体接触 2 pn结二极管结二极管 3 金属 绝缘体 半导体结构 金属 绝缘体 半导体结构 金属 半导体接触金属 半导体接触 目的目的 1 掌握相关的基本概念 功函数 电子亲和势 表面势等 掌握相关的基本概念 功函数 电子亲和势 表面势等 2 画出金属 画出金属 半导体接触能带图半导体接触能带图 3 知道制作欧姆接触的方法 知道制作欧姆接触的方法 功函数功函数 金属的功函数W金属的功函数Wm m 金属的功函数表示一个起始能量等于费米能级 的电子 由金属内部逸出到表面外的真空中所 需要的最小能量 金属的功函数表示一个起始能量等于费米能级 的电子 由金属内部逸出到表面外的真空中所 需要的最小能量 E0 EF m Wm 0 mFm WEE E E0 0为真空中电子的能量 又称为真空能级 为真空中电子的能量 又称为真空能级 半导体的功函数半导体的功函数Ws E0与费米能级之差称为半导体的功函数 与费米能级之差称为半导体的功函数 0 sFs WEE Ec EF s Ev E0 Ws 表示从 表示从Ec到到E0的能量间隔 的能量间隔 0c EE 称 为电子的亲和能 它表示要使半导体导带 底的电子逸出体外所需要的最小能量 称 为电子的亲和能 它表示要使半导体导带 底的电子逸出体外所需要的最小能量 En Ep scFn s WEEE n型半导体 n型半导体 Ec EF s Ev E0 Ws En Ep p型半导体 p型半导体 soFsgp WEEEE 设想有一块金属和一块设想有一块金属和一块非简并n型非简并n型半导体 并假定 金属的功函数大于半导体的功函数 即 半导体 并假定 金属的功函数大于半导体的功函数 即 ms WW 2 接触电势差 接触电势差 接触前 接触前 FF sm EE FFms sm EEWW E0 E Ec c E EF F s s E Ev v WWs s E En n WWm m E EF F m m E0 E Ec c E EF F s s E Ev v WWs s E En n WWm m E EF F m m E En n E Ec c E Ev v E EF F s s eVeVD D e e ns ns WWm m 接触前 接触后 金属 n型半导体 E smD WWV e mnSm nSnDns WEWW EVEVe ee W Wm m W Ws s 形成表面势垒 接触电势差 形成表面势垒 接触电势差 ns ns W Wm m 势垒区电子浓度比体内小得多势垒区电子浓度比体内小得多 高阻区 阻挡 层 高阻区 阻挡 层 界面处的势垒通常称为肖特基势垒 界面处的势垒通常称为肖特基势垒 E En n E Ec c E Ev v E EF F s s eVeVD D e e ns ns WWm m 金属与n型半导体接触 金属与n型半导体接触 若W若Wm m WW Ws s 能带向 上弯曲 形成P型反阻挡层 金属与p型半导体接触时 若W 能带向 上弯曲 形成P型反阻挡层 金属与p型半导体接触时 若Wm m WW Ws s阻挡层反阻挡层 W 阻挡层反阻挡层 Wm m W Ws s反阻挡层阻挡层反阻挡层阻挡层 上述金半接触模型即为Schottky 模型 上述金半接触模型即为Schottky 模型 Metal Work Function eV 银 Ag silver 4 26 铝 Al aluminum 4 28 金 Au gold 5 1 铜 Cu copper 4 65 铅 Pb lead 4 25 锡 Sn tin 4 42 铬 Cr Chromium 4 6 钼 Mo4 37 钨 Tungsten4 5 镍 Nickel4 6 钛 Titanium4 33 铁 Iron4 5 铂 Platinum5 65 锌 Zinc4 3 电子亲和势 Si 4 05eV GaAs 4 07eV 3 金属半导体接触整流理论3 金属半导体接触整流理论 阻挡层的整流作用 以n型半导体为例 接触电势差V 阻挡层的整流作用 以n型半导体为例 接触电势差VS S 0 势垒高度eV 0 则势垒高度降低为 外加一个正电压V 0 则势垒高度降低为eVD e Vs V 外加一个负电压V 0 势垒高度增加 外加一个负电压VWs 和Wm Ws时p型Si与金属接 触的能带图 2 讨论以p型硅Si形成的肖特基接触的整流特 性 3 制备半导体器件时 金属与半导体接触如何 制备欧姆接触 PN结二极管结二极管 目的目的 从能带的角度定性的理解从能带的角度定性的理解pn结二极管的 工作原理 结二极管的 工作原理 画出画出pn结二极管热平衡 正反偏置的能 带图 结二极管热平衡 正反偏置的能 带图 理解实际二极管与理想二极管特性的区 别 正确的画出 理解实际二极管与理想二极管特性的区 别 正确的画出pn结二极管的电流结二极管的电流 电压 曲线 电压 曲线 明确肖特基二极管与明确肖特基二极管与pn结二极管的区别结二极管的区别 PN结 PN结的形成 热平衡 理想情况 结的形成 热平衡 理想情况 载流子的扩散运动载流子的扩散运动 建立内电场建立内电场 内电场对载流 子的作用 扩散运动和 漂移运动达到 动态平衡 交界面形成稳定的 空间电荷区 即 结 P区 N区 PN结分析导电特性的几个假设结分析导电特性的几个假设 1 外加电压全部降落在耗尽区上 耗尽区以 外的半导体是电中性的 可忽略中性区的体电 阻和接触电阻 外加电压全部降落在耗尽区上 耗尽区以 外的半导体是电中性的 可忽略中性区的体电 阻和接触电阻 2 均匀掺杂 均匀掺杂 3 小注入 小注入 即注入的非平衡少子浓度远小于多即注入的非平衡少子浓度远小于多 子浓度子浓度 4 耗尽区内无复合和产生 耗尽区内无复合和产生 5 半导体非简并 半导体非简并 6 P型区 型区 N型区的宽度远大于少子扩散长度型区的宽度远大于少子扩散长度 pn结二极管 D ED ro p型 n型 nD pA xN xN E dx dU E 麦克斯韦方程 P型型 Ecp EFp Evp Ecn EFn Evn N型型 EF Ecp Evp Ecn Evn eVD 热平衡的热平衡的PN结能带图结能带图 施加正向电压能通过较大电流 正向导通 施加反向电压 时 电流趋于饱和 很小 称 施加正向电压能通过较大电流 正向导通 施加反向电压 时 电流趋于饱和 很小 称PN结处于反向截至 结处于反向截至 PN结具有单向导电性 门槛电压 死区 正向特性 反向特性 小电流小电流 大注入大注入 I I V V 0 7V0 7V 串联电阻串联电阻串联电阻串联电阻 实际pn结二极管电流 电压 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 SBD 和和pn结二极管 结二极管 1 正向导通门限电压和正向压降都比 正向导通门限电压和正向压降都比PN结二极管低 约低 结二极管低 约低0 2V 2 由于 由于SBD是一种多数载流子导电器件 不存在少 数载流子寿命和反向恢复问题 由于 是一种多数载流子导电器件 不存在少 数载流子寿命和反向恢复问题 由于SBD的反向恢 复电荷非常少 故开关速度非常快 开关损耗也特 别小 尤其适合于高频应用 的反向恢 复电荷非常少 故开关速度非常快 开关损耗也特 别小 尤其适合于高频应用 3 SBD的反向势垒较薄 并且在其表面极易发生击 穿 所以反向击穿电压比较低 由于 的反向势垒较薄 并且在其表面极易发生击 穿 所以反向击穿电压比较低 由于SBD比比PN结二 极管更容易受热击穿 反向漏电流比 结二 极管更容易受热击穿 反向漏电流比PN结二极管大 结二极管大 金属 绝缘体 半导体结构金属 绝缘体 半导体结构 Metal insulator semiconductor 目的目的 1 画出能带图 热平衡及正反偏置 2 理解正反偏置时电荷的变化情况 3 画出MIS结构的C V曲线 金属 绝缘体 半导体半导体 理想理想MIS结构 结构 1 在任 何偏置条件下 电荷仅 存在于半导体内及靠近 绝缘层的金属表面上 它们数值相等 符号相 反 也就是说 不存在 界面陷阱和其它氧化层 电荷 在任 何偏置条件下 电荷仅 存在于半导体内及靠近 绝缘层的金属表面上 它们数值相等 符号相 反 也就是说 不存在 界面陷阱和其它氧化层 电荷 2 在直流偏置条 件下 没有通过绝