半导体物理第七章总结复习_北邮.doc

第七章一、基本概念1.半导体功函数: 半导体的费米能级EF与真空中静止电子的能量E0的能量之差。 金属功函数：金属的费米能级EF与真空中静止电子的能量E0的能量之差2.电子亲和能: 要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。3. 金属-半导体功函数差o: (EF)s-(EF)m=Wm-Ws 4. 半导体与金属平衡接触平衡电势差: 5.半导体表面空间电荷区 : 由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。表面空间电荷区=阻挡层=势垒层 6.电子阻挡层：金属功函数大于N型半导体功函数（WmWs）的MS接触中，电子从半导体表面逸出到金属，分布在金属表层，金属表面带负电。半导体表面出现电离施主，分布在一定厚度表面层内，半导体表面带正电。电场从半导体指向金属。取半导体内电位为参考，从半导体内到表面，能带向上弯曲，即形成表面势垒，在势垒区，空间电荷主要有带正电的施主离子组成，电子浓度比体内小得多，因此是是一个高阻区域，称为阻挡层。 【电子从功函数小的地方流向功函数大的地方】7.电子反阻挡层：金属功函数小于N型半导体功函数（WmWs）的MS接触,电子从金属流向半导体,半导体表面带负电,金属表面带正电,电场方向指向半导体。从半导体内到表面，能带下弯曲，半导体表面电子浓度比体内高（N型反阻挡层）。8.半导体表面势垒(肖特基势垒)高度: 9.表面势垒宽度：10.半导体表面势: 取半导体体内为参考电位，半导体表面的势能Vs。11 .表面态: 在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面能级。 表面态一般分为施主型和受主型两种。若能级被电子占据时呈中性，施放电子后呈正电性，成为施主型表面态；若能级空着的时候为电中性，接收电子后带负电，则成为受主型表面态。一般表面处存在一个距离价带顶为qf的能级，电子刚好填满该能级以下所有表面态时呈电中性。 电子填充了该能级以上部分则表面带负电，电子未填充满该能级以下的所有能级则表面带正电。12.钉扎效应: 若表面态密度高，金属半导体接触时，电子充入或放出表面态，半导体表面形成与体内符号相反的电荷、形成高度为2/3半导体禁带宽度的表面势垒，费米能级钉住在表面中性能级上。 半导体电子逸出到金属的势垒高度基本不变，与半导体掺杂浓度、金属功函数无关，只与表面中性能级位置有关。功函数差产生的接触电势差大部分降落在金属表面与半导体表面之间，少部分降落在半导体表面势垒区。13.施主型表面态: 电子占据时为电中性、无电子时带正电的表面态为施主型表面态。 14.受主型表面态: 无电子时为电中性，有电子时带负电的表面态为受主型表面态。15.表面中性能级: 价带顶以上约1/3禁带宽度处的能级是表面中性能级。16.表面态密度： 17.理想欧姆接触: 非整流接触，不产生明显阻抗，不使半导体平衡载流子浓度发生显著改变，线性对称电流-电压关系。18.接触电阻: 19.高低结: N+N 结或 P+P 结, 内建电场从高杂质浓度区指向低杂质浓度区。20.肖特基势垒二极管: 特点： 正向电流由半导体多子注入金属形成，注入电子在金属中不积累，直接漂移流走，高频特性好；正向导通电压0.3V左右，比PN结二极管低；制作工艺简单；制作MS结构后，不能有高于金属-半导体合金温度的工艺；21.MS肖特基模型: 当金属和半导体接触时，不考虑接触界面状态的影响，电子从功函数较小材料逸出到功函数较大材料，接触面附近两种材料表面状态变化，产生阻止半导体多子继续转移的接触电势差，当功函数差引起的电子转移和接触电势差阻止转移达到平衡时，金属和半导体的费米能级相等，形成稳定的MS接触势垒。 22.MS巴丁模型: 表面态在禁带中准连续分布；价带顶以上约1/3禁带宽度处的能级是表面中性能级。平衡过程中，表面中性能级高于体费米能级时，表面态放出电子带正电，表面附近体内带负电，能带下弯曲；表面中性能级低于体费米能级时，电子充入表面态带负电，表面附近体内带正电，能带上弯曲；若表面态密度很高，体费米能级被“钉住”在表面中性能级，表面中性能级始终等于体费米能级。 二、图像1.金属-N型半导体接触形成电子阻挡层情况下的能带图 2.金属-N型半导体接触形成电子反阻挡层情况下的能带图 3.正向偏压下，金属/N型半导体接触能带图表示 4.金属与半导体欧姆接触的基本结构示意图 三、论述题1.扩散理论模型对肖特基势垒二极管电流-电压关系的解释 答：扩散理论在计算肖特基势垒二极管的IV特性时，以“厚势垒层”方式进行，即根据电流密度的连续性，计算通过势垒区任意点的电流密度，该电流密度包括扩散和漂移，通过对整个势垒区积分，将外加偏压的作用考虑在电流中（势垒区厚度时外加偏压的函数），从而得到IV特性。扩散理论：半导体表面与金属自由交换电子，即使在外加电压下，半导体表面电子浓度始终等于表面平衡电子浓度，电流主要由因子exp(qV/k0T)-1决定。扩散理论适合阻挡层宽度远大于载流子平均自由程（半导体杂质浓度很低）的情况2.热电子发射理论模型对肖特基势垒二极管电流-电压关系的解释 答：热电子发射理论在计算肖特基势垒二极管的IV特性时，以“薄势垒层”方式进行，通过计算垂直于MS接触面、能量高于半导体势垒顶点的电子浓度（这部分浓度与外加偏压有关）得到电流密度与偏压的关系。热电子发射理论：金属电子进入半导体的势垒高度不随外加电压变化，其电子电流密度等于不加电压时从半导体到金属的电子电流密度（方向相反），流过MS接触的热电子发射总电流密度，与外加电压无关，强烈依赖温度。热电子发射理论适合阻挡层宽度远小于载流子平均自由程（半导体杂质浓度很高）的情况。【MS肖特基势垒二极管两种理论的推导不必掌握其每个步骤，只要求掌握方法】3.形成金属与半导体欧姆接触的基本原理和手段 答: 重掺杂的pn结可以产生显著的隧道电流。金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。4.肖特基势垒二极管的主要特点 答：特点： 正向电流由半导体多子注入金属形成，注入电子在金属中 不积累，直接漂移流走，高频特性好；正向导通电压0.3V左右，比PN结二极管低；制作工艺简单；制作MS结构后，不能有高于金属