固体与半导体物理第七章.ppt

合金法,离子注入法,扩散法,外延生长法,1.突变结,在结处杂质分布突然变化,2.缓变结,在结处杂质分布随距离变化,(二)pn结的空间电荷区,1.空间电荷区,载流子浓度不均匀产生扩散,2.自建场,从n区指向p区,平衡时，扩散运动=漂移运动,空间电荷区和自建场一定,Pn结处于平衡态,(三）能带图,1.载流子的扩散是由于两区费米能级不一致所引起的,2.平衡p-n结，具有统一的费米能级,3.能带弯曲的原因,自建场,从n区p区,电势V(x),从n区到p区,电势能qV(x),从n区到p区,(四)p-n结的接触电势差,接触电势差,p区和n区电势之差,势垒高度,从载流子浓度公式如何理解？,势垒区,空间电荷区,结区,与哪些因素有关？,n区平衡电子浓度,P区平衡电子浓度,同为一区域,(五)Pn结的载流子分布,P区电势低于n区电势,(1)电势V(x),p区：,n区：,势垒区中任一点x的电势V(x)为正值,常温下，杂质全电离,(2)电势能qV(x),势垒区内任一点x处的电势能,比n区电子的电势能高,(3)势垒区内载流子分布,A:势垒区内x处的电子浓度,B:势垒区内x处的空穴浓度,(4)估算势垒区内某一处的载流子浓度,A:假如,x处的势能比n区势能高0.1ev,B:,结区的载流子浓度很小，已经耗尽。,耗尽区,二.非平衡pn结,正向,反向,Pn结的伏安特性,Pn结的单向导电性是因为势垒的存在,（一）正向偏压下pn结的特性,非子的注入,1.pn结势垒的变化,势垒高度降低,势垒宽度变窄,扩散,复合,载流子的扩散运动大于漂移运动,电子从n区到p区，空穴从p区到n区的净扩散流,构成从p区到n区的正向电流,2.载流子在势垒区外的运动,（1）非子的注入,在处存在电子的积累，成为p区的非平衡少数载流子,在处存在空穴的积累，成为n区的非平衡少数载流子,外加电压，使非平衡载流子进入半导体的过程,非子电注入,（2）扩散区,在该区完成了少子扩散电流与多子漂移电流的转换,(3)中性区,载流子浓度接近平衡值,主要是多子的漂移电流,通过任一截面电子电流和空穴电流不相等,电流连续性原理,通过任一截面的总电流相等,空穴扩散,电子漂移,电子扩散,空穴漂移,3.正向pn结能带图,平衡pn结能带图,正向偏压下pn结能带图,(1)势垒区和扩散区存在非子,(2)中性区非子基本复合完毕,电流通过pn结,4.Pn结正向电流公式,平衡pn结,正向偏压下,同样,（二)反向偏压下pn结的特性,非子的产生,1.Pn结势垒的变化,在反偏下,势垒区加宽,势垒高度增高,漂移运动大于扩散运动,2.少子的抽取,边界处的少子扫向对方，体内补充,少子的抽取,扩散,抽取,3.反向pn结的能带图,（1）势垒区和扩散区存在非子,正偏,反偏,（2）,正偏,反偏,扩散区存在少子注入,扩散区存在少子抽取,这两个区,4.Pn结反向电流公式,反向饱和电流密度,（三）理想pn结的电流电压公式,1.小注入,2.突变耗尽层,3.忽略势垒区中载流子的产生和复合,4.载流子分布满足玻尔兹曼分布,从p区流向n区的正向电流,从n区流向p区的反向电流,实际pn结的电流电压公式与理想有较大的偏差,三.pn结电容,“存”“放”电荷的特性,1.势垒电容,正偏,反偏,势垒区的空间电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应,发生在势垒区,2.扩散电容,扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应,发生在扩散区,3.说明,(1)电容值随外加电压变化,可变电容,(2)反偏时，势垒电容为主，扩散电容很小,正偏时，既有势垒电容，也有扩散电容,（3）势垒电容效应明显，扩散电容效应不明显,四.pn结击穿,击穿电压,1.雪崩击穿,碰撞电离引起载流子倍增,碰撞电离使载流子浓度急剧增加的效应为载流子倍增效应,反偏压很大,势垒区电场很强,A:势垒高度,B:能带很倾斜,C:P区价带顶比n区导带底高,D:A点电子能量和B点电子能量相等,E:p区A点电子有一定几率,穿过禁带进入n区导带的B点,2.隧道击穿(齐纳击穿）,在强电场作用下，发生隧道效应,F:短到一定程度，大量电子从p区价带通过隧道穿透，进入n区导带,G:反向电流，pn结发生隧道击穿,（三）两种击穿的主要区别,1.隧道击穿主要取决于外场,雪崩击穿除与电场有关,还与势垒区宽度有关,2.隧道击穿,雪崩击穿,3.一般掺杂雪崩击穿为主,重掺杂隧道击穿为主,7.2半导体表面,表面状态的变化会影响半导体器件的稳定性、可靠性,利用表面效应可制作MOS器件、CCD器件、表面发光器件等,一.纯净表面和实际表面,纯净表面,没有杂质吸附层和氧化层的理想表面,（1）超高真空下解理,（2）高温加热,（3）离子轰击,实际表面,外表面,内表面,与体内晶体结构不同的原子层,二.表面态,（1）从能带角度,当晶体存在表面，在垂直表面方向成了半无限周期势场,表面存在而产生的附加电子能级,表面能级,对应的电子能态,表面态,（2）从化学键角度,表面是原子周期排列终止的地方,未饱和键悬挂键,纯净表面的表面态密度为,实际表面的表面态密度,三.表面电场效应,1.表面电场,（1）表面态与体内电子态之间交换电子,（2）金属半导体接触,（3）MOS结构和MIS结构,2.空间电荷层及表面势,（1）,n型,P型,A:电子从体内转移到表面态,表面受主态,B:正空间电荷层,C:表面势为,D:空间电荷层能带弯曲,电子势垒,空穴势阱,n型,P型,（2）,n型,P型,A:电子从表面态转移到体内,表面施主态,B:负空间电荷层,C:表面势,D:电子势阱,空穴势垒,n型,P型,空穴势垒,电子势阱,3.空间电荷层内载流子浓度的变化,体内,在空间电荷层内，电势能变化,4.表面空间电荷层的三种基本状态,（1）积累层,能带从体内到表面上弯,以p型为例,空间电荷层的载流子浓度与体内的关系,空间电荷层处于多子堆积状态,积累层,（2）耗尽层,能带从体内到表面下弯,空间电荷层处于多子耗尽状态,耗尽层,参考能级,反型层,耗尽层,（3）反型层,7.3金属半导体接触,n型导电性,反型层,耗尽层,热蒸发,溅射,电镀,（1）整流接触,单向导电性,（2）欧姆接触,低电阻的非整流接触,1.金属和半导体的功函数,一.肖特基势垒,功函数,费米能级上的电子逸出体外所作的功,电子亲和能,真空能级,功函数不同,费米能级高低不一致,系统不平衡,载流子流动,形成空间电荷层,自建场,势垒,系统平衡,费米能级一致,2.肖特基势垒高度,肖特基势垒高度,3.金半接触类型,决定SBD特性的重要物理参数,A:金属与n型半导体接触,电子势垒,n型阻挡层,电子势阱,n型反阻挡层,B:金属与p型半导体接触,空穴势阱,空穴势垒,P型反阻挡层,P型阻挡层,对于一定的半导体,一定,随金属功函数变化,例：,理论计算：,实际测试：,？,许多半导体,形成阻挡层,不管,还是,？,表面态的存在,二.巴丁模型,P型反阻挡层,P型阻挡层,涉及三个子系统的平衡,金属,表面态,半导体,1.半导体与表面态接触,n型：,p型：,n型,表面受主态,表面能级接受电子带负电,空间电荷层带正电,能带由体内到表面向上弯曲,形成电子势垒,2.半导体表面态系统与金属接触,流向金属的电子主要来自表面态,因表面态密度比较高，能够提供足够多的电子,半导体势垒区几乎不变化,平衡时,金属中的电子流向表面态,基本保持不变,3.巴丁极限,对于大多数半导体,表面态密度在,以上,平衡时,费米能级位于价带上方三分之一的禁带宽度处,不论n型半导体还是p型半导体与金属接触,形成阻挡层,三.金半接触的整流特性,阻挡层的整流作用,外加电压,阻挡层的平衡被破坏,产生电流,n型,P型,1.定性解释,注意与p-n结的不同,V=0,电子电流大小相等，方向相反。,（1）平衡时,（2）正向偏压,（金属接正）,半导体一边的势垒高度降低，金属一边的势垒高度基本不变.,从半导体流向金属的电子数多于从金属流向半导体的电子数.,形成方向从金属到半导体的正向电流,V0,界面两边的金属和半导体相互发射的,构成动态平衡，净电流为零。,（3）反向偏压,（金属接负）,势垒增高,金属流向半导体的电子数占优势,形成方向从半导体到金属的反向电流,很高、且不随外加电压变化，反向电流很小，并趋于饱和。,V0反向V0,反向V0,正反向偏压统一,是势垒高度和温度的函数,势垒高度对肖特基势垒二极管电流的影响,3.肖特基势垒二极管（SBD）与p-n结二极管的比较,（1）SBD高频性能好、开关速度快,SBD的电流为多子电流，,不发生电荷存储效应,p-n结二极管为少子电流，,存在电荷存储效应,越过势垒成为漂移电流,先积累、再扩散,限制了器件在高频和高速器件中的应用,（2）SBD正向导通电压低,SBD的电子热运动速度,p-n结二极管的电子扩散速度,在同样的正向电压下,四.欧姆接触,接触电阻小,电流电压关系应具有对称和线性的关系,若考虑表面态，金属半导体接触形成整流势垒,势垒的存在必然使电流电压关系呈非对称和非线性,利用隧道效应,形成欧姆接触,隧道穿透几率依赖于隧道长度L,若较低，L较宽，隧道效应忽略，电流电压关系由热电子发射理论或扩散理论得出是非对称和非线性。,高掺杂,隧道电流与外加电压关系,采用,隧道电流为主要电流,7.4异质结,导电类型相同的两种不同半导体材料所形成,由导电类型相反的同种半导体材料接触而构成,同质结,由两种不同的半导体材料接触而构成,异质结,（1）同型异质结,p-pGe-GaAs,n-nGe-GaAs,（2）反型异质结,导电类型相反的两种不同半导体材料所形成,p-nGe-GaAs,n-pGe-GaAs,禁带宽度较小的半导体材料写在前面,一.理想异质结的能带图,不考虑表面态,取决于禁带宽度、,功函数、,电子亲和能,1.突变反型异质结能带图,下标为“1”者为禁带宽度小的半导体材料的物理参数,下标为“2”者为禁带宽度大的半导体材料的物理参数,两种材料的过渡发生于几个原子间距,形成突变p-n异质结之前的能带图,（1）突变p-n异质结,形成突变p-n异质结之后的平衡能带图,电子从n型半导体流向p型,空穴的流动方向相反,直至两块半导体有统一的费米能级,交界面的两边形成空间电荷层,n型半导体一边为正空间电荷层,P型半导体一边为负空间电荷层,不考虑界面态,正负空间电荷数相等,空间电荷层内产生电场,能带发生弯曲,能带总的弯曲量,异质结能带的特点：,A:能带在交界面处不连续，有一个突变,导带底在交界面处的突变,价带顶在交界面处的突变,而且,对所有突变异质结都适用,分别称为导带阶和价带阶,重要的物理量,B:n型半导体的导带底在界面处形成一向上的“尖峰”,P型半导体的导带底在界面处形成一向下的“凹口”,C:对于反型异质结，交界面两边都是耗尽层,（2）突变n-p异质结,形成突变n-p异质结之前的能带图,形成突变n-p异质结之后的平衡能带图,2.突变同型异质结能带图,（1）突变n-n异质结,形成突变n-n异质结之前的能带图,形成突变n-n异质结之后的平衡能带图,禁带宽度小的n型半导体一边形成电子的积累层,禁带宽度大的n型半导体一边形成电子的耗尽层,（2）突变p-p异质结,一边是空穴积累层,一边是空穴耗尽层,二.考虑界面态时的能带图,形成异质结的两种半导体材料的晶格失配引入界面态,在界面