中科院半导体器件物理 第二章.pdf

2 2 2 2 异质结异质结异质结异质结 在两种不同的半导体材料之间形在两种不同的半导体材料之间形在两种不同的半导体材料之间形 在两种不同的半导体材料之间形 成的结成的结成的结成的结 外延技术外延技术外延技术外延技术 2 导电类型相同导电类型相同导电类型相同导电类型相同 同型异质结同型异质结同型异质结同型异质结 导电类型不同导电类型不同导电类型不同导电类型不同 异型异质结异型异质结异型异质结异型异质结 主要器件主要器件主要器件主要器件 发光二级管发光二级管发光二级管发光二级管 激光器激光器激光器激光器 光电探测器光电探测器光电探测器光电探测器 太阳电池太阳电池太阳电池太阳电池 基本器件模型基本器件模型基本器件模型基本器件模型 能带结构和电输运能带结构和电输运能带结构和电输运能带结构和电输运 超晶格结构超晶格结构超晶格结构超晶格结构 主要内容主要内容主要内容主要内容 形成异质结的两种材料通常有不同的能隙宽度形成异质结的两种材料通常有不同的能隙宽度形成异质结的两种材料通常有不同的能隙宽度形成异质结的两种材料通常有不同的能隙宽度EgEg和介电常数和介电常数和介电常数 和介电常数 异质结界面异质结界面异质结界面异质结界面 E EC C E EV V E EC C E E f f E EV V 3 一一一一 基本器件模型基本器件模型基本器件模型基本器件模型 理想突变异质结理想突变异质结理想突变异质结理想突变异质结的能带模型的能带模型的能带模型的能带模型Anderson Anderson 异质结能带模型异质结能带模型异质结能带模型异质结能带模型 能够初步解释部分异质结的输运过程能够初步解释部分异质结的输运过程能够初步解释部分异质结的输运过程能够初步解释部分异质结的输运过程 假设两种材料晶格结构 晶格常数 热膨胀系数假设两种材料晶格结构 晶格常数 热膨胀系数假设两种材料晶格结构 晶格常数 热膨胀系数 假设两种材料晶格结构 晶格常数 热膨胀系数 相同 忽略悬键的产生和界面态 相同 忽略悬键的产生和界面态 相同 忽略悬键的产生和界面态 相同 忽略悬键的产生和界面态 4 功函数功函数功函数功函数 q q m m 电子亲合能电子亲合能电子亲合能电子亲合能q q 从从从从费米能级费米能级费米能级费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料将一个电子移到刚巧在该种材料将一个电子移到刚巧在该种材料 将一个电子移到刚巧在该种材料 之外的一个位置之外的一个位置之外的一个位置之外的一个位置 真空能级真空能级真空能级真空能级 所需的能量所需的能量所需的能量所需的能量 从从从从导带底导带底导带底导带底将一个电子移到刚巧在该种材料之将一个电子移到刚巧在该种材料之将一个电子移到刚巧在该种材料之 将一个电子移到刚巧在该种材料之 外的一个位置外的一个位置外的一个位置外的一个位置 真空能级真空能级真空能级真空能级 所需的能量所需的能量所需的能量所需的能量 带阶带阶带阶带阶 价带边的能量差价带边的能量差价带边的能量差 价带边的能量差 E EV V 价带带阶价带带阶价带带阶价带带阶 几个概念几个概念几个概念几个概念 导带边的能量差导带边的能量差导带边的能量差 导带边的能量差 E EC C 导带带阶导带带阶导带带阶导带带阶 下面分析几种同型和异型异质结 下面分析几种同型和异型异质结 下面分析几种同型和异型异质结 下面分析几种同型和异型异质结 通常设右侧材料具有较宽的通常设右侧材料具有较宽的通常设右侧材料具有较宽的 通常设右侧材料具有较宽的 带隙带隙带隙带隙 分别讨论 分别讨论 分别讨论 分别讨论n n p p n n n n p p n n p p p p异质结的能带结构 异质结的能带结构 异质结的能带结构 异质结的能带结构 5 1 1 理想理想理想理想n n p p异质结异质结异质结异质结 窄带隙的 窄带隙的 窄带隙的 窄带隙的n n型和宽带隙的型和宽带隙的型和宽带隙的型和宽带隙的p p型 且型 且型 且型 且 1 1 2 2 两片孤立半导体能带图两片孤立半导体能带图两片孤立半导体能带图两片孤立半导体能带图 6 形成结 平衡时 形成结 平衡时 形成结 平衡时 形成结 平衡时 1 1和和和和2 2 在结处各形成耗尽区在结处各形成耗尽区在结处各形成耗尽区 在结处各形成耗尽区 W WD1 D1 W WD2 D2 结处能带弯曲 结处能带弯曲 结处能带弯曲 结处能带弯曲 1 1中局部电子耗尽 中局部电子耗尽 中局部电子耗尽 中局部电子耗尽 能带上弯能带上弯能带上弯能带上弯 2 2中局部空穴耗尽 中局部空穴耗尽 中局部空穴耗尽 中局部空穴耗尽 能带下弯能带下弯能带下弯能带下弯 总内建势为总内建势为总内建势为 总内建势为 q Vq Vb1 b1 V Vb2 b2 E EF1 F1 E E F2F2 费米能级在两侧一致 费米能级在两侧一致 费米能级在两侧一致 费米能级在两侧一致 形成结时 热平衡状态下理形成结时 热平衡状态下理形成结时 热平衡状态下理 形成结时 热平衡状态下理 想想想想n n p p异质结的能带图异质结的能带图异质结的能带图异质结的能带图 7 结处电子亲和势不连结处电子亲和势不连结处电子亲和势不连 结处电子亲和势不连 续 界面处能量突变 续 界面处能量突变 续 界面处能量突变 续 界面处能量突变 形成带阶形成带阶形成带阶形成带阶 EcEc q q 1 1 2 2 EvEv EgEg q q EvEv EcEc EgEg 真空能级在各处平行于带边 真空能级在各处平行于带边 真空能级在各处平行于带边 真空能级在各处平行于带边 形成结时 热平衡状态下理形成结时 热平衡状态下理形成结时 热平衡状态下理 形成结时 热平衡状态下理 想想想想n n p p异质结的能带图异质结的能带图异质结的能带图异质结的能带图 8 耗尽层宽度 耗尽层宽度 耗尽层宽度 耗尽层宽度 求解界面两侧的突变结泊松方程得到耗尽层宽度和电容 求解界面两侧的突变结泊松方程得到耗尽层宽度和电容 求解界面两侧的突变结泊松方程得到耗尽层宽度和电容 求解界面两侧的突变结泊松方程得到耗尽层宽度和电容 电容电容电容电容 各半导体中承受的相对电压满足各半导体中承受的相对电压满足各半导体中承受的相对电压满足各半导体中承受的相对电压满足 2 1 22111 212 1 2 ADD biA D NNqN VVN W 2 1 22112 211 2 2 ADA biD D NNqN VVN W 2 1 2211 2121 2 VVNN NqN C biAD AD 11 22 22 11 D A b b N N VV VV 21 VVV 外加偏压外加偏压 当两半导体材料相同时 当两半导体材料相同时 当两半导体材料相同时 当两半导体材料相同时 1 1 2 2 以上简化成同质以上简化成同质以上简化成同质以上简化成同质p p n n结的情况 结的情况 结的情况 结的情况 9 2 2 理想理想理想理想n n n n同型异质结 设宽带隙材料具有较小的功函数 同型异质结 设宽带隙材料具有较小的功函数 同型异质结 设宽带隙材料具有较小的功函数 同型异质结 设宽带隙材料具有较小的功函数 理想理想理想理想n n n n同型异质结能带图同型异质结能带图同型异质结能带图同型异质结能带图 10 理想理想理想理想p p n n异质结能带图异质结能带图异质结能带图异质结能带图 3 3 理想理想理想理想 p p n n异质结 窄带隙的异质结 窄带隙的异质结 窄带隙的异质结 窄带隙的p p型和宽带隙的型和宽带隙的型和宽带隙的型和宽带隙的n n型 型 型 型 11 理想理想理想理想p p p p异质结能带图异质结能带图异质结能带图异质结能带图 4 4 理想理想理想理想p p p p异质结异质结异质结异质结 12 补充说明 补充说明 补充说明 补充说明 1 1 关于两种材料的能带结构对应关系 以上讨论的四种情 关于两种材料的能带结构对应关系 以上讨论的四种情 关于两种材料的能带结构对应关系 以上讨论的四种情 关于两种材料的能带结构对应关系 以上讨论的四种情 况 都满足窄带隙材料的带隙全部包括在宽带隙材料中 况 都满足窄带隙材料的带隙全部包括在宽带隙材料中 况 都满足窄带隙材料的带隙全部包括在宽带隙材料中 况 都满足窄带隙材料的带隙全部包括在宽带隙材料中 此时 能带图中通常给出一个尖峰 此时 能带图中通常给出一个尖峰 此时 能带图中通常给出一个尖峰 此时 能带图中通常给出一个尖峰 第一类异质结构 第一类异质结构 第一类异质结构 第一类异质结构 第一类异质结构第一类异质结构第一类异质结构第一类异质结构 若带隙错开 可以形成第二类异质结构 若带隙错开 可以形成第二类异质结构 若带隙错开 可以形成第二类异质结构 若带隙错开 可以形成第二类异质结构 13 I I型型型型 跨骑式跨骑式跨骑式跨骑式 straddlingstraddling IIIIII型型型型 裂隙式裂隙式裂隙式裂隙式 brockenbrocken gapgap IIII型型型型 交错式交错式交错式交错式 staggeredstaggered 有时 也会将异质结分为三类有时 也会将异质结分为三类有时 也会将异质结分为三类有时 也会将异质结分为三类 E EC C E EV V E EC C E EV V E EC C E EV V E EC C E EV V 14 补充说明 补充说明 补充说明 补充说明 2 2 关于 关于 关于 关于AndersonAnderson定则 虽然一直沿用 但定则 虽然一直沿用 但定则 虽然一直沿用 但定则 虽然一直沿用 但模型中带阶由模型中带阶由模型中带阶由 模型中带阶由 电子亲和势的差来决定电子亲和势的差来决定电子亲和势的差来决定电子亲和势的差来决定 这在忽略界面态时基本合理 这在忽略界面态时基本合理 这在忽略界面态时基本合理 这在忽略界面态时基本合理 但实际上 界面的性质直接影响带阶大小 实验中对带但实际上 界面的性质直接影响带阶大小 实验中对带但实际上 界面的性质直接影响带阶大小 实验中对带 但实际上 界面的性质直接影响带阶大小 实验中对带 阶的测量是比较困难的 实验数据非常分散 而且亲和阶的测量是比较困难的 实验数据非常分散 而且亲和阶的测量是比较困难的 实验数据非常分散 而且亲和 阶的测量是比较困难的 实验数据非常分散 而且亲和 势是一个很大的量 而带阶很小 用亲和势来确定带阶势是一个很大的量 而带阶很小 用亲和势来确定带阶势是一个很大的量 而带阶很小 用亲和势来确定带阶 势是一个很大的量 而带阶很小 用亲和势来确定带阶 将引入大的误差 因此 完全用将引入大的误差 因此 完全用将引入大的误差 因此 完全用将引入大的误差 因此 完全用AndersonAnderson定则来确定带定则来确定带定则来确定带 定则来确定带 阶并不准确 需要其他的模型 阶并不准确 需要其他的模型 阶并不准确 需要其他的模型 阶并不准确 需要其他的模型 15 导电机制导电机制导电机制导电机制 多数载流子的热发射多数载流子的热发射多数载流子的热发射 多数载流子的热发射 热电子发射热电子发射热电子发射热电子发射 决定 决定 决定 决定 exp exp exp 1222 kT qV kT qV kT qV TAJ b 有效里查孙常数有效里查孙常数有效里查孙常数有效里查孙常数 电流密度电流密度电流密度电流密度 5 5 电流电流电流电流 电压特性和输运模型电压特性和输运模型电压特性和输运模型电压特性和输运模型 以理想以理想以理想以理想n n n n同型异质结为例同型异质结为例同型异质结为例同型异质结为例 16 1 exp 1 0 kT qV V V JJ bi exp 0 kT qV k TVqA J bibi 电流电流电流电流 电压 总的外加电压 关系电压 总的外加电压 关系电压 总的外加电压 关系电压 总的外加电压 关系 反向电流反向电流反向电流反向电流不会饱和 随不会饱和 随不会饱和 随不会饱和 随V V线性增加线性增加线性增加线性增加 正向电流正向电流正向电流正向电流 kT qV Jexp 17 主要的输运模型主要的输运模型主要的输运模型主要的输运模型 1 1 热发射模型 热发射模型 热发射模型 热发射模型 AndersonAnderson 2 2 考虑隧道效应 考虑隧道效应 考虑隧道效应 考虑隧道效应 3 3 考虑界面复合 考虑界面复合 考虑界面复合 考虑界面复合 能够说明异质结的电流输运特点 得到电流能够说明异质结的电流输运特点 得到电流能够说明异质结的电流输运特点 得到电流能够说明异质结的电流输运特点 得到电流 电压方程 电压方程 电压方程 电压方程 但与实际结果有比较大的差异 但与实际结果有比较大的差异 但与实际结果有比较大的差异 但与实际结果有比较大的差异 能带不连续的突变和尖峰 引起载流子的隧道效应 能带不连续的突变和尖峰 引起载流子的隧道效应 能带不连续的突变和尖峰 引起载流子的隧道效应 能带不连续的突变和尖峰 引起载流子的隧道效应 在异质结的制备和处理过程中 必然会有悬键存在 还存在在异质结的制备和处理过程中 必然会有悬键存在 还存在在异质结的制备和处理过程中 必然会有悬键存在 还存在 在异质结的制备和处理过程中 必然会有悬键存在 还存在 各种缺陷态 这些都可能构成禁带中的界面态 有界面复合各种缺陷态 这些都可能构成禁带中的界面态 有界面复合各种缺陷态 这些都可能构成禁带中的界面态 有界面复合 各种缺陷态 这些都可能构成禁带中的界面态 有界面复合 电流存在 电流存在 电流存在 电流存在 根据以上三种输运过程 有很多输运模型提出 实际的异质根据以上三种输运过程 有很多输运模型提出 实际的异质根据以上三种输运过程 有很多输运模型提出 实际的异质 根据以上三种输运过程 有很多输运模型提出 实际的异质 结的输运机制 要根据能带不连续性和界面态参数等来确结的输运机制 要根据能带不连续性和界面态参数等来确结的输运机制 要根据能带不连续性和界面态参数等来确 结的输运机制 要根据能带不连续性和界面态参数等来确 定 往往同时存在多种电流输运机制 定 往往同时存在多种电流输运机制 定 往往同时存在多种电流输运机制 定 往往同时存在多种电流输运机制 18 二 异质结器件二 异质结器件二 异质结器件二 异质结器件 外延外延外延外延 epitaxyepitaxy 工艺工艺工艺工艺 同型和异型异质结同型和异型异质结同型和异型异质结同型和异型异质结 异质结的制备 异质结的制备 异质结的制备 异质结的制备 两种材料两种材料两种材料两种材料 外延层外延层外延层外延层 无位错 有应力无位错 有应力无位错 有应力无位错 有应力 形成弛豫型结构形成弛豫型结构形成弛豫型结构形成弛豫型结构 有位错有位错有位错有位错 失配度 失配度 失配度 失配度 e se a aa 外延层晶外延层晶外延层晶 外延层晶 格常数格常数格常数格常数 衬底晶格衬底晶格衬底晶格 衬底晶格 常数常数常数常数 在具有晶格失配的两种材料之间形成异质结在具有晶格失配的两种材料之间形成异质结在具有晶格失配的两种材料之间形成异质结在具有晶格失配的两种材料之间形成异质结 19 一些元素半导体和二元化合物半导体的带隙与晶格常数关系一些元素半导体和二元化合物半导体的带隙与晶格常数关系一些元素半导体和二元化合物半导体的带隙与晶格常数关系一些元素半导体和二元化合物半导体的带隙与晶格常数关系 20 异质结特点 异质结特点 异质结特点 异质结特点 1 1 界面处出现能带的突起和凹陷 可以促进或阻挡载流子 界面处出现能带的突起和凹陷 可以促进或阻挡载流子 界面处出现能带的突起和凹陷 可以促进或阻挡载流子 界面处出现能带的突起和凹陷 可以促进或阻挡载流子 2 2 界面处存在局域态 起到复合和俘获中心的作用 界面处存在局域态 起到复合和俘获中心的作用 界面处存在局域态 起到复合和俘获中心的作用 界面处存在局域态 起到复合和俘获中心的作用 3 3 两侧材料带隙宽度不同 宽带材料成为窄带材料的窗口 两侧材料带隙宽度不同 宽带材料成为窄带材料的窗口 两侧材料带隙宽度不同 宽带材料成为窄带材料的窗口 两侧材料带隙宽度不同 宽带材料成为窄带材料的窗口 4 4 两侧材料折射率不同 折射率小的材料成为折射率大 两侧材料折射率不同 折射率小的材料成为折射率大 两侧材料折射率不同 折射率小的材料成为折射率大 两侧材料折射率不同 折射率小的材料成为折射率大 的材料的反射层 使光封闭于高折射率的材料中 的材料的反射层 使光封闭于高折射率的材料中 的材料的反射层 使光封闭于高折射率的材料中 的材料的反射层 使光封闭于高折射率的材料中 最重要的应用 光电子器件方面最重要的应用 光电子器件方面最重要的应用 光电子器件方面最重要的应用 光电子器件方面 半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器 光探测器光探测器光探测器光探测器 太阳电池太阳电池太阳电池太阳电池 21 超晶格结构 超晶格结构 超晶格结构 超晶格结构 2 2 也可以有一种半导体的掺杂浓度发生周期性变化 一系 也可以有一种半导体的掺杂浓度发生周期性变化 一系 也可以有一种半导体的掺杂浓度发生周期性变化 一系 也可以有一种半导体的掺杂浓度发生周期性变化 一系 列同质结 列同质结 列同质结 列同质结 掺杂调制超晶格掺杂调制超晶格掺杂调制超晶格掺杂调制超晶格 1 1 可以是多层异质结排列 可以是多层异质结排列 可以是多层异质结排列 可以是多层异质结排列 组分变化的超晶格组分变化的超晶格组分变化的超晶格组分变化的超晶格 22 调制掺杂超晶格结构能带图调制掺杂超晶格结构能带图调制掺杂超晶格结构能带图调制掺杂超晶格结构能带图 高迁移率特性高迁移率特性高迁移率特性高迁移率特性 体体体体 GaAsGaAs 和调制掺杂和调制掺杂和调制掺杂 和调制掺杂 超晶格结构的迁移率超晶格结构的迁移率超晶格结构的迁移率 超晶格结构的迁移率 与温度的关系与温度的关系与温度的关系与温度的关系 2 3 2 3 2 3 2 3 金属金属金属金属 半导体半导体半导体 半导体 接触接触接触接触 24 金属金属金属金属 半导体接触 可在界面处形成势垒 半导体接触 可在界面处形成势垒 半导体接触 可在界面处形成势垒 半导体接触 可在界面处形成势垒 一 能带关系和势垒一 能带关系和势垒一 能带关系和势垒一 能带关系和势垒 1 1 低表面态的理想状态 低表面态的理想状态 低表面态的理想状态 低表面态的理想状态 2 2 具有高密度表面态情况 具有高密度表面态情况 具有高密度表面态情况 具有高密度表面态情况 考虑两种极限情形考虑两种极限情形考虑两种极限情形考虑两种极限情形 该势垒具有整流作用 称为肖特基势垒该势垒具有整流作用 称为肖特基势垒该势垒具有整流作用 称为肖特基势垒该势垒具有整流作用 称为肖特基势垒 势垒如何形成 势垒如何形成 势垒如何形成 势垒如何形成 25 1 1 不存在表面态的情况 不存在表面态的情况 不存在表面态的情况 不存在表面态的情况 理想状态理想状态理想状态理想状态 金属金属金属金属 半导体接触的能带图半导体接触的能带图半导体接触的能带图半导体接触的能带图 不接触不接触不接触不接触 各自独立各自独立各自独立各自独立 连接连接连接连接 费米能级一致费米能级一致费米能级一致费米能级一致 接触电势差 接触电势差 接触电势差 接触电势差 mm Bn0Bn0 有电场存在有电场存在有电场存在有电场存在 间隙间隙间隙间隙 缩小 电场加强缩小 电场加强缩小 电场加强缩小 电场加强 金属表面不断积累负电荷金属表面不断积累负电荷金属表面不断积累负电荷金属表面不断积累负电荷 半导体耗尽层等量正电荷半导体耗尽层等量正电荷半导体耗尽层等量正电荷半导体耗尽层等量正电荷 能带弯曲 势垒能带弯曲 势垒能带弯曲 势垒能带弯曲 势垒q q Bn0 Bn0 减小减小减小减小 间隙为零间隙为零间隙为零间隙为零 0 0 q q Bn0Bn0达到极限 达到极限达到极限达到极限 空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区WW qVqVbi bi半导体内 半导体内半导体内 半导体内 建势建势 建势建势 26 对对对对n n型半导体 势垒高度的型半导体 势垒高度的型半导体 势垒高度的 型半导体 势垒高度的 极限值为金属功函数和半导极限值为金属功函数和半导极限值为金属功函数和半导 极限值为金属功函数和半导 体电子亲合势之差 体电子亲合势之差 体电子亲合势之差 体电子亲合势之差 mBn qq 对对对对P P型半导体 势垒高度的型半导体 势垒高度的型半导体 势垒高度的 型半导体 势垒高度的 极限值极限值极限值极限值 mgBp qEq 对给定的半导体 对给定的半导体 对给定的半导体 对给定的半导体 n n型型型型 P P型衬底的势垒高度之和型衬底的势垒高度之和型衬底的势垒高度之和型衬底的势垒高度之和 带隙 带隙 带隙 带隙 肖特基模型肖特基模型肖特基模型肖特基模型 肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到 实测的势实测的势实测的势 实测的势 垒高度和理想条件存在偏差垒高度和理想条件存在偏差垒高度和理想条件存在偏差垒高度和理想条件存在偏差 原因原因原因原因 1 1 不可避免的界面层不可避免的界面层不可避免的界面层不可避免的界面层 0 0 2 2 界面态的存在界面态的存在界面态的存在界面态的存在 3 3 镜像力的作用镜像力的作用镜像力的作用镜像力的作用 27 2 2 半导体表面有高密度的表面态 半导体表面有高密度的表面态 半导体表面有高密度的表面态 半导体表面有高密度的表面态 实验发现 很多半导体在与金属形成金实验发现 很多半导体在与金属形成金实验发现 很多半导体在与金属形成金实验发现 很多半导体在与金属形成金 半接触时 半导体半接触时 半导体半接触时 半导体 半接触时 半导体 中的势垒高度几乎与所用金属无关 只与半导体有关 几中的势垒高度几乎与所用金属无关 只与半导体有关 几中的势垒高度几乎与所用金属无关 只与半导体有关 几 中的势垒高度几乎与所用金属无关 只与半导体有关 几 乎是常数 乎是常数 乎是常数 乎是常数 特别是对于共价键较强的半导体特别是对于共价键较强的半导体特别是对于共价键较强的半导体特别是对于共价键较强的半导体 悬键多悬键多悬键多悬键多 吸附外来原子吸附外来原子吸附外来原子吸附外来原子 大量大量大量大量表面态表面态表面态表面态 表面态能够与体内交换电子和空穴表面态能够与体内交换电子和空穴表面态能够与体内交换电子和空穴表面态能够与体内交换电子和空穴 表面能带弯曲表面能带弯曲表面能带弯曲表面能带弯曲 28 半导体表面费米能级模型 半导体半导体表面费米能级模型 半导体半导体表面费米能级模型 半导体半导体表面费米能级模型 半导体 表面层表面层表面层表面层 体内体内体内体内 表面看作一薄层表面看作一薄层表面看作一薄层表面看作一薄层 在禁带中具有能量连续分布的局域态 由在禁带中具有能量连续分布的局域态 由在禁带中具有能量连续分布的局域态 由 在禁带中具有能量连续分布的局域态 由 于表面处电荷的填充 有自己的平衡费米能级于表面处电荷的填充 有自己的平衡费米能级于表面处电荷的填充 有自己的平衡费米能级于表面处电荷的填充 有自己的平衡费米能级E EFS0 FS0 若表面态密度若表面态密度若表面态密度若表面态密度 体内电子填充表面能级 且不显著改变 体内电子填充表面能级 且不显著改变 体内电子填充表面能级 且不显著改变 体内电子填充表面能级 且不显著改变 表面费米能级位置 体内表面费米能级位置 体内表面费米能级位置 体内表面费米能级位置 体内E E F F 下降与下降与下降与下降与E EFS FS平齐 造成能带弯 平齐 造成能带弯平齐 造成能带弯 平齐 造成能带弯 曲 形成空间电荷区 曲 形成空间电荷区 曲 形成空间电荷区 曲 形成空间电荷区 E EF F E E FS0FS0 表面态密度很大时 表面态密度很大时 表面态密度很大时 表面态密度很大时 E EFS FS E EFS0 FS0 费米能级定扎 费米能级定扎 费米能级定扎 费米能级定扎 29 金属金属金属金属 半导体接触的能带图半导体接触的能带图半导体接触的能带图半导体接触的能带图 表面态密度足够高 可提供表面态密度足够高 可提供表面态密度足够高 可提供表面态密度足够高 可提供 减小时需要转移到金属的电荷 而减小时需要转移到金属的电荷 而减小时需要转移到金属的电荷 而 减小时需要转移到金属的电荷 而 又不显著改变填充能级又不显著改变填充能级又不显著改变填充能级又不显著改变填充能级E E F F 位置 则半导体内空间电荷不受影响 位置 则半导体内空间电荷不受影响 位置 则半导体内空间电荷不受影响 位置 则半导体内空间电荷不受影响 巴丁模型巴丁模型巴丁模型巴丁模型 势垒高度完全由半导体表面性质决定 与金属功函数无关 势垒高度完全由半导体表面性质决定 与金属功函数无关 势垒高度完全由半导体表面性质决定 与金属功函数无关 势垒高度完全由半导体表面性质决定 与金属功函数无关 30 耗尽层 耗尽层 耗尽层 耗尽层 在不同的偏置状态金属在不同的偏置状态金属在不同的偏置状态金属在不同的偏置状态金属 n n型和型和型和型和p p型半导体接触的能带图 型半导体接触的能带图 型半导体接触的能带图 型半导体接触的能带图 反向反向反向反向 热平衡热平衡热平衡热平衡 正向正向正向正向 31 根据突变结近似 根据突变结近似 根据突变结近似 根据突变结近似 x W x x W W 0 0 dV dxdV dx 0 0 耗尽层宽度耗尽层宽度耗尽层宽度耗尽层宽度 q kT VV qN W bi D s 2 耗尽层宽度 耗尽层宽度 x qN ExW qN xE s D m s D Bn s D xWx qN xV 2 1 2 来自多数载流子来自多数载流子来自多数载流子 来自多数载流子 分布尾的贡献分布尾的贡献分布尾的贡献分布尾的贡献 最大电场最大电场最大电场最大电场 32 W qkTVV q kT VV qN xEE bi bi s D m 22 0 q kT VVNqWqNQ biDsDSC 2 2 2 cmF WqkTVV Nq V Q C s bi Ds SC 最大电场在最大电场在最大电场在最大电场在x 0 x 0处 处 处 处 半导体半导体半导体半导体单位面积单位面积单位面积单位面积的空间电荷的空间电荷的空间电荷的空间电荷Q Q 单位面积单位面积单位面积单位面积的耗尽层电容 的耗尽层电容 的耗尽层电容 的耗尽层电容 33 dVCdq N s D 1 12 2 Ds bi Nq qkTVV C 21 2 Ds NqdV Cd 2 1 2 若在整个耗尽区内若在整个耗尽区内若在整个耗尽区内若在整个耗尽区内N N D D 为常数 做为常数 做为常数 做为常数 做1 C1 C 2 2 V V关系应该为直线 关系应该为直线 关系应该为直线 关系应该为直线 或或 34 3 3 肖特基效应 肖特基效应 肖特基效应 肖特基效应 镜像力造成势垒高度降低镜像力造成势垒高度降低镜像力造成势垒高度降低镜像力造成势垒高度降低 肖特基效应 加电场时 载流子发射的势能因感生镜象力的肖特基效应 加电场时 载流子发射的势能因感生镜象力的肖特基效应 加电场时 载流子发射的势能因感生镜象力的 肖特基效应 加电场时 载流子发射的势能因感生镜象力的 作用而降低的现象 作用而降低的现象 作用而降低的现象 作用而降低的现象 镜像力和镜像电荷镜像力和镜像电荷镜像力和镜像电荷镜像力和镜像电荷 若距离金属表面若距离金属表面若距离金属表面若距离金属表面 x x 处有一个电子 该电子处有一个电子 该电子处有一个电子 该电子 处有一个电子 该电子 会在金属表面感应出一个正电荷 电子与这个正电荷之间的引会在金属表面感应出一个正电荷 电子与这个正电荷之间的引会在金属表面感应出一个正电荷 电子与这个正电荷之间的引 会在金属表面感应出一个正电荷 电子与这个正电荷之间的引 力等于电子与位于力等于电子与位于力等于电子与位于力等于电子与位于 x x 处的等量正电荷之间的静电引力 处的等量正电荷之间的静电引力 处的等量正电荷之间的静电引力 处的等量正电荷之间的静电引力 此正电荷叫镜像电荷 该引力叫镜像力 此正电荷叫镜像电荷 该引力叫镜像力 此正电荷叫镜像电荷 该引力叫镜像力 此正电荷叫镜像电荷 该引力叫镜像力 x x x x 0 0 35 在金属表面和真空之间的能带图 在金属表面和真空之间的能带图 在金属表面和真空之间的能带图 在金属表面和真空之间的能带图 金属功函数为金属功函数为金属功函数为金属功函数为q q m m 当金属表面加电场时 有效 当金属表面加电场时 有效 当金属表面加电场时 有效 当金属表面加电场时 有效功函数功函数功函数功函数 或势或势或势 或势 垒垒垒垒 降低 这种降低来自电场和镜象力的联合效应 降低 这种降低来自电场和镜象力的联合效应 降低 这种降低来自电场和镜象力的联合效应 降低 这种降低来自电场和镜象力的联合效应 先考虑先考虑先考虑先考虑金属金属金属金属 真空系统真空系统真空系统真空系统 E E 36 1 1 无电场时 将金属中的电子移到真空 需要能量无电场时 将金属中的电子移到真空 需要能量无电场时 将金属中的电子移到真空 需要能量无电场时 将金属中的电子移到真空 需要能量q q m m 2 2 有外电场 有外电场 有外电场 有外电场 以金属表面为电势能零点以金属表面为电势能零点以金属表面为电势能零点以金属表面为电势能零点 不考虑镜像力不考虑镜像力不考虑镜像力不考虑镜像力 真空中电真空中电真空中电 真空中电 子的电势能 随着离开金属表面的距离增加 按照子的电势能 随着离开金属表面的距离增加 按照子的电势能 随着离开金属表面的距离增加 按照子的电势能 随着离开金属表面的距离增加 按照 q E xq E x降低 降低 降低 降低 3 3 若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷 有镜像力和镜若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷 有镜像力和镜若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷 有镜像力和镜 若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷 有镜像力和镜 像势能存在 如图 像势能存在 如图 像势能存在 如图 像势能存在 如图 4 4 结果 电子的能量由电场力和镜像力联合作用 使有效功函数结果 电子的能量由电场力和镜像力联合作用 使有效功函数结果 电子的能量由电场力和镜像力联合作用 使有效功函数 结果 电子的能量由电场力和镜像力联合作用 使有效功函数 降低 降低 降低 降低 37 真空中一个电子与金属相距真空中一个电子与金属相距真空中一个电子与金属相距真空中一个电子与金属相距x x 在金属表面感生正电荷 在金属表面感生正电荷 在金属表面感生正电荷 在金属表面感生正电荷 电子与感生电荷之间的吸引力 镜像力 电子与感生电荷之间的吸引力 镜像力 电子与感生电荷之间的吸引力 镜像力 电子与感生电荷之间的吸引力 镜像力 2 2 2 2 16 2 4x q x q F oo 将一个电子从无穷远移到将一个电子从无穷远移到将一个电子从无穷远移到将一个电子从无穷远移到x x点过程中所作的功 点过程中所作的功 点过程中所作的功 点过程中所作的功 x q Fdxx o x 16 2 相当于距金属表相当于距金属表相当于距金属表 相当于距金属表 面面面面x x处的一个电子处的一个电子处的一个电子 处的一个电子 在镜像力作用下在镜像力作用下在镜像力作用下 在镜像力作用下 的势能 的势能 的势能 的势能 真空介电常数真空介电常数真空介电常数真空介电常数 x x x x 0 0 势能的降低可以求解 势能的降低可以求解 势能的降低可以求解 势能的降低可以求解 38 cm q x o m 16 m o x q 2 4 给出肖特基势垒给出肖特基势垒给出肖特基势垒 给出肖特基势垒 降低量降低量降低量 降低量 对总的能量求导 对总的能量求导 对总的能量求导 对总的能量求导 给出势垒降低所在给出势垒降低所在给出势垒降低所在 给出势垒降低所在 的位置的位置的位置的位置 o 5 A60 12 0 10E m xVcmV 两个能量的作用出现一个极值 对应势垒降低所在的位置两个能量的作用出现一个极值 对应势垒降低所在的位置两个能量的作用出现一个极值 对应势垒降低所在的位置两个能量的作用出现一个极值 对应势垒降低所在的位置 势垒降低与势垒降低与势垒降低与 势垒降低与 外加电场有外加电场有外加电场有 外加电场有 关 关 关 关 eVxq x q xPE o 16 2 外加恒定电场外加恒定电场外加恒定电场外加恒定电场E E 总势能 总势能 总势能 总势能 电场电场电场电场 o 7 A10 2 1 10E m xVcmV 例 例 例 例 在高电场在高电场在高电场 在高电场 下 势垒下 势垒下 势垒 下 势垒 大大降低 大大降低 大大降低 大大降低 39 对于对于对于对于金属金属金属金属 半导体系统 半导体系统 半导体系统 半导体系统 s m q 4 将原来的肖特基势垒在界面处近似为线性 则界面附近导带底势将原来的肖特基势垒在界面处近似为线性 则界面附近导带底势将原来的肖特基势垒在界面处近似为线性 则界面附近导带底势 将原来的肖特基势垒在界面处近似为线性 则界面附近导带底势 能曲线 能曲线 能曲线 能曲线 电场用界面处的最大电场代替 介电常数用电场用界面处的最大电场代替 介电常数用电场用界面处的最大电场代替 介电常数用电场用界面处的最大电场代替 介电常数用 s s 代替 给出势垒代替 给出势垒代替 给出势垒 代替 给出势垒 降低量 降低量 降低量 降低量 qExxE 40 在在在在AuAu SiSi二极管内实测势垒降低量与电场的关系 二极管内实测势垒降低量与电场的关系 二极管内实测势垒降低量与电场的关系 二极管内实测势垒降低量与电场的关系 41 有肖特基效应的不同偏置状态下的金属有肖特基效应的不同偏置状态下的金属有肖特基效应的不同偏置状态下的金属有肖特基效应的不同偏置状态下的金属 半导体接触能带图 半导体接触能带图 半导体接触能带图 半导体接触能带图 正偏正偏正偏正偏 平衡平衡平衡平衡 反偏反偏反偏反偏 42 4 4 金属 金属 金属 金属 半导体系统的势垒高度的确定半导体系统的势垒高度的确定半导体系统的势垒高度的确定半导体系统的势垒高度的确定 关于势垒高度的一般表示 考虑界面层关于势垒高度的一般表示 考虑界面层关于势垒高度的一般表示 考虑界面层关于势垒高度的一般表示 考虑界面层 半导体表面态 基于半导体表面态 基于半导体表面态 基于 半导体表面态 基于 以下假定 以下假定 以下假定 以下假定 1 1 金属 金属 金属 金属 半导体紧密接触 界面层为原子尺度 对电子透明 半导体紧密接触 界面层为原子尺度 对电子透明 半导体紧密接触 界面层为原子尺度 对电子透明 半导体紧密接触 界面层为原子尺度 对电子透明 并能够承受电压 并能够承受电压 并能够承受电压 并能够承受电压 2 2 界面处表面态是半导体表面的属性 与金属无关 界面处表面态是半导体表面的属性 与金属无关 界面处表面态是半导体表面的属性 与金属无关 界面处表面态是半导体表面的属性 与金属无关 金属功函数金属功函数金属功函数金属功函数 界面界面界面界面 镜像力作用镜像力作用镜像力作用镜像力作用 考虑界面层考虑界面层考虑界面层考虑界面层 半导体表面态半导体表面态半导体表面态半导体表面态 43 m q BnB 0 0 q q sc Q ss Q M Q s D i 金属功函数金属功函数金属功函数金属功函数 势垒高度势垒高度势垒高度势垒高度 界面态中性能级界面态中性能级界面态中性能级界面态中性能级 界面层上的电势界面层上的电势界面层上的电势界面层上的电势 半导体亲和能半导体亲和能半导体亲和能半导体亲和能 界面层厚度界面层厚度界面层厚度界面层厚度 半导体空间电荷半导体空间电荷半导体空间电荷半导体空间电荷 界面陷阱电荷密度界面陷阱电荷密度界面陷阱电荷密度界面陷阱电荷密度 金属表面电荷密度金属表面电荷密度金属表面电荷密度金属表面电荷密度 界面陷阱密度界面陷阱密度界面陷阱密度界面陷阱密度 界面层界面层界面层界面层 真空真空真空真空 介电常数介电常数介电常数介电常数 半导体介电常数半导体介电常数半导体介电常数半导体介电常数 s 界面层为原子间距的界面层为原子间距的界面层为原子间距的 界面层为原子间距的 金属金属金属金属 n n型半导体接触型半导体接触型半导体接触 型半导体接触 的细致能带图 的细致能带图 的细致能带图 的细致能带图 44 32 cc m 1 022 q E cc g mBn 势垒高度 势垒高度 势垒高度 势垒高度 si i Dq c 2 2 表面态密度表面态密度表面态密度表面态密度 s D 10 2 c qqEq gBn 0 0 2 s D1 2 c qqq mBn 界面处的费米能级被表面态钉扎在价带之上的界面处的费米能级被表面态钉扎在价带之上的界面处的费米能级被表面态钉扎在价带之上的界面处的费米能级被表面态钉扎在价带之上的q q 0 0 处 势垒处 势垒处 势垒 处 势垒 高度与金属功函数高度与金属功函数高度与金属功函数高度与金属功函数 无关 完全取决于半导体的掺杂浓度和无关 完全取决于半导体的掺杂浓度和无关 完全取决于半导体的掺杂浓度和 无关 完全取决于半导体的掺杂浓度和 表面性质 表面性质 表面性质 表面性质 忽略表面性质的理性肖特基势垒 忽略表面性质的理性肖特基势垒 忽略表面性质的理性肖特基势垒 忽略表面性质的理性肖特基势垒 45 金属金属金属金属 n n型硅接触的势垒高度实验结果 型硅接触的势垒高度实验结果 型硅接触的势垒高度实验结果 型硅接触的势垒高度实验结果 52 027 0 mBn 27 0 2 c eVq33 0 0 eVcmDs 104 213 其他金属其他金属其他金属其他金属 半导体接触半导体接触半导体接触 半导体接触 有类似的结果 有类似的结果 有类似的结果 有类似的结果 46 5 5 势垒高度的调节 势垒高度的调节 势垒高度的调节 势垒高度的调节 在在在在n n型衬底上加一层型衬底上加一层型衬底上加一层型衬底上加一层 n n 层或层或层或层或 p p 层分别可提供降低势垒和升高势层分别可提供降低势垒和升高势层分别可提供降低势垒和升高势 层分别可提供降低势垒和升高势 垒的理想化可控势垒接触 垒的理想化可控势垒接触 垒的理想化可控势垒接触 垒的理想化可控势垒接触 47 二 电流输运过程二 电流输运过程二 电流输运过程二 电流输运过程 对于对于对于对于pnpn结输运结输运结输运结输运 少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子 正向偏置下的五种基本输运过程正向偏置下的五种基本输运过程正向偏置下的五种基本输运过程正向偏置下的五种基本输运过程 1 1 从半导体 从半导体 从半导体 从半导体 金属 金属 金属 金属 越过势垒越过势垒越过势垒越过势垒 中等掺 中等掺 中等掺 中等掺 杂 中等温度主要过程 杂 中等温度主要过程 杂 中等温度主要过程 杂 中等温度主要过程 2 2 穿过势垒 量子隧穿 穿过势垒 量子隧穿 穿过势垒 量子隧穿 穿过势垒 量子隧穿 重掺杂 低温 主 重掺杂 低温 主 重掺杂 低温 主 重掺杂 低温 主 要针对欧姆接触 要针对欧姆接触 要针对欧姆接触 要针对欧姆接触 3 3 在空间电荷区复合 在空间电荷区复合 在空间电荷区复合 在空间电荷区复合 4 4 耗尽区内电子扩散 耗尽区内电子扩散 耗尽区内电子扩散 耗尽区内电子扩散 其他 其他 其他 其他 边缘漏电流 界面电流边缘漏电流 界面电流边缘漏电流 界面电流边缘漏电流 界面电流 对于金属对于金属对于金属对于金属 半导体结半导体结半导体结半导体结 多数载流子多数载流子多数载流子多数载流子 5 5 或空穴从金属注入 或空穴从金属注入 或空穴从金属注入 或空穴从金属注入 并扩散到半导体 相当并扩散到半导体 相当并扩散到半导体 相当 并扩散到半导体 相当 于中性区的复合 于中性区的复合 于中性区的复合 于中性区的复合 48 1 1 从半导体从半导体从半导体从半导体 金属 金属 金属 金属 越过势垒越过势垒越过势垒越过势垒 高迁移率半导体高迁移率半导体高迁移率半导体高迁移率半导体 热发射理论热发射理论热发射理论热发射理论 低迁移率半导体低迁移率半导体低迁移率半导体低迁移率半导体 扩散理论扩散理论扩散理论扩散理论 二者综合 广义的热电子扩散理论二者综合 广义的热电子扩散理论二者综合 广义的热电子扩散理论二者综合 广义的热电子扩散理论 两个过程 两个过程 两个过程 两个过程 电子扩散漂移通过耗尽层 再从半导体向金属发射电子扩散漂移通过耗尽层 再从半导体向金属发射电子扩散漂移通过耗尽层 再从半导体向金属发射电子扩散漂移通过耗尽层 再从半导体向金属发射 49 1 1 热电子发射理论热电子发射理论热电子发射理论热电子发射理论 BetheBethe提出提出提出提出 适用于通常的高迁移率半导体适用于通常的高迁移率半导体适用于通常的高迁移率半导体适用于通常的高迁移率半导体 Si Si GaAsGaAs 1 1 肖特基势垒高度肖特基势垒高度肖特基势垒高度肖特基势垒高度 q q Bn Bn kTkT 2 2 发射平面热平衡建立发射平面热平衡建立发射平面热平衡建立发射平面热平衡建立 3 3 静电流不影响平衡静电流不影响平衡静电流不影响平衡静电流不影响平衡 模型中忽略载流子碰撞散射等过程 认为迁移率非常大模型中忽略载流子碰撞散射等过程 认为迁移率非常大模型中忽略载流子碰撞散射等过程 认为迁移率非常大模型中忽略载流子碰撞散射等过程 认为迁移率非常大 几个假设 几个假设 几个假设 几个假设 50 总电流总电流总电流总电流 半导体半导体半导体半导体 金属电流金属电流金属电流金属电流 金属金属金属金属 半导体电流半导体电流半导体电流半导体电流 热电子发射为极限情形 热电子发射为极限情形 热电子发射为极限情形 热电子发射为极限情形 E E FnFn在整个耗尽区水平 在整个耗尽区水平在整个耗尽区水平在整个耗尽区水平 势垒顶电子浓度受偏压势垒顶电子浓度受偏压势垒顶电子浓度受偏压 势垒顶电子浓度受偏压 控制 控制 控制 控制 V V越大 势垒顶越越大 势垒顶越越大 势垒顶越 越大 势垒顶越 接近费米能级 浓度高 接近费米能级 浓度高 接近费米能级 浓度高 接近费米能级 浓度高 与金属中的电子处于非与金属中的电子处于非与金属中的电子处于非 与金属中的电子处于非 平衡状态 为热电子 平衡状态 为热电子 平衡状态 为热电子 平衡状态 为热电子 热 电 子 进 入 金热 电 子 进 入 金热 电 子 进 入 金 热 电 子 进 入 金 属 与金属晶格属 与金属晶格属 与金属晶格 属 与金属晶格 和冷电子碰撞 和冷电子碰撞 和冷电子碰撞 和冷电子碰撞 很快失掉能量 很快失掉能量 很快失掉能量 很快失掉能量 最终达到平衡 最终达到平衡