半导体物理_第七章

1、 第七章第七章 PNPN结与金属半导体接触结与金属半导体接触本章学习要点：本章学习要点：1. 1. 了解了解PNPN结的构成及空间电荷区的概念；结的构成及空间电荷区的概念；2. 2. 掌握零偏状态下掌握零偏状态下PNPN结的特性，例如内建势垒高度、结的特性，例如内建势垒高度、 内建电场以及空间电荷区宽度等；内建电场以及空间电荷区宽度等；3. 3. 掌握反偏状态下掌握反偏状态下PNPN结的空间电荷区宽度、内建电场结的空间电荷区宽度、内建电场 以及以及PNPN结电容特性；结电容特性；4. 4. 掌握金属半导体接触的整流特性；掌握金属半导体接触的整流特性；5. 5. 了解正偏条件下了解正偏条件下PN

2、PN结与肖特基接触的电流电压特性结与肖特基接触的电流电压特性6. 6. 理解金属半导体欧姆接触的形成机理；理解金属半导体欧姆接触的形成机理；7.1 PN7.1 PN结的基本结构结的基本结构1. PNPN结的构造结的构造 从原理上说，从原理上说，PN结就是由一个结就是由一个N型掺杂区型掺杂区和一个和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。界面称为冶金结界面。2. 制造制造PN结的方法：结的方法：（1）外延方法：突变）外延方法：突变PN结；结；（2）扩散方法：缓变）扩散方法：缓变PN结；结；（3）离子注入方法：介于突变结与缓变结之间；）离子注入方法

3、：介于突变结与缓变结之间；3.PN3.PN结空间电荷区的形成：结空间电荷区的形成： 由于由于PNPN结两侧存在电子和空穴的浓度梯度，结两侧存在电子和空穴的浓度梯度，因此电子和空穴将分别由因此电子和空穴将分别由N N型区和型区和P P型区向对方型区向对方扩散，同时在扩散，同时在N N型区中留下固定的带正电荷的施型区中留下固定的带正电荷的施主离子，在主离子，在P P型区中则留下固定的带负电荷的受型区中则留下固定的带负电荷的受主离子。主离子。 这个固定的正负电荷区即为空间电荷区，空这个固定的正负电荷区即为空间电荷区，空间电荷区中将形成内建电场，间电荷区中将形成内建电场，内建电场引起载内建电场引起载流

4、子的漂移运动，载流子的漂移运动与载流子流子的漂移运动，载流子的漂移运动与载流子的扩散运动方向相反，最后二者达到平衡。的扩散运动方向相反，最后二者达到平衡。空间电荷区及内建电场的形成过程示意图空间电荷区及内建电场的形成过程示意图 由于空间电荷区中的可动载流子相对于体由于空间电荷区中的可动载流子相对于体区的多子来说基本处于耗尽状态，因此空间电区的多子来说基本处于耗尽状态，因此空间电荷区也称作耗尽区。荷区也称作耗尽区。平衡状态的平衡状态的PNPN结能带图具有统一的费米能级结能带图具有统一的费米能级7.2 7.2 零偏状态下的零偏状态下的PNPN结结1. 1. 内建势垒：内建势垒： 在达到平衡状态的在

5、达到平衡状态的PNPN结空间电荷区中存在结空间电荷区中存在一个内建电场，从能带图的角度来看在一个内建电场，从能带图的角度来看在N N型区和型区和P P型区之间建立了一个内建势垒，该内建势垒的型区之间建立了一个内建势垒，该内建势垒的高度为：高度为：称为热电压tVw7.3 7.3 反偏状态下的反偏状态下的PNPN结结 当在当在PNPN结的两边外加一个电压时，此时整个结的两边外加一个电压时，此时整个PNPN结就不再处于热平衡状态，因此整个结就不再处于热平衡状态，因此整个PNPN结系结系统中也就不再具有统一的费米能级。统中也就不再具有统一的费米能级。 在在PNPN结的结的N N型区上相对于型区上相对于

6、P P型区外加一个正电型区外加一个正电压压V VR R时（这种情形称为反向偏置）时（这种情形称为反向偏置）w零偏零偏 外加电场的存在将会使得能带图中外加电场的存在将会使得能带图中N N型区的费型区的费米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量。电子势能变化量。 此时，此时，PNPN结上总的势垒高度增大为：结上总的势垒高度增大为：1. 1. 势垒高度、空间电荷区宽度与势垒高度、空间电荷区宽度与PNPN结中的电场结中的电场 当当PNPN结两侧外加反向偏压结两侧外加反向偏压V VR R时，时，PNPN结内部结内部空间电荷区中的电场将增强，因此空

7、间电荷区中的电场将增强，因此PNPN结界面两结界面两侧的空间电荷区宽度将会进一步展宽。侧的空间电荷区宽度将会进一步展宽。 利用前面已经推导出的空间电荷区宽度公式，利用前面已经推导出的空间电荷区宽度公式，只需将公式中的只需将公式中的PNPN结内建势垒代换为反偏结内建势垒代换为反偏PNPN结上结上总的势垒高度，即：总的势垒高度，即： 由此可见，由此可见，PNPN结中总的空间电荷区宽度随着结中总的空间电荷区宽度随着外加反向偏置电压外加反向偏置电压V VR R的增大而不断增大。的增大而不断增大。 同样，空间电荷区在同样，空间电荷区在PNPN结两侧的扩展宽度也结两侧的扩展宽度也可以分别求得，其中在可以分

8、别求得，其中在N N型区一侧的扩展宽度为：型区一侧的扩展宽度为： 当当PNPN结反向偏压结反向偏压改变时，改变时，PNPN结中耗结中耗尽区的宽度也发生尽区的宽度也发生变化，因此变化，因此PNPN结两结两侧侧耗尽区中的电荷耗尽区中的电荷也会随之而发生改也会随之而发生改变，变，这种充放电作这种充放电作用就是用就是PNPN结的电容结的电容效应效应2.PN2.PN结的电容效应（耗尽电容）结的电容效应（耗尽电容） 上述上述PNPN结电容，通常也称为结电容，通常也称为耗尽层电容耗尽层电容。如果。如果将其与表示耗尽区宽度的公式做对比：将其与表示耗尽区宽度的公式做对比： 此式与单位面积的平行板电容公式完全相同

9、。此式与单位面积的平行板电容公式完全相同。只是这里需要注意的是，电容是随着反向偏置只是这里需要注意的是，电容是随着反向偏置电压的改变而不断变化的。电压的改变而不断变化的。3. 3. 单边突变单边突变PNPN结结 假定假定PNPN结两侧的掺杂结两侧的掺杂浓度相差很大（浓度相差很大（称之为称之为单边突变单边突变PNPN结结），例如），例如P P型区的掺杂浓度远远型区的掺杂浓度远远大于大于N N型区的掺杂浓度型区的掺杂浓度（称之为（称之为P PN N结），即结），即N Na aNNd d，则有：，则有： 可见，可见，PNPN结电容倒数的平方与反向偏置电压结电容倒数的平方与反向偏置电压V VR R成线

10、性关系。成线性关系。 利用此线性关利用此线性关系可外推出系可外推出PNPN结的结的内建电势。也内建电势。也可以可以通过直线的斜率求通过直线的斜率求出出PNPN结低掺杂一侧结低掺杂一侧的掺杂浓度的掺杂浓度。 第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结9.19.1金属半导体接触的整流特性金属半导体接触的整流特性 所谓整流特性，理想情况下指的就是单向导所谓整流特性，理想情况下指的就是单向导电特性，电特性，广义上说，凡是正反向非对称的广义上说，凡是正反向非对称的I IV V特特性，都可以在一定意义上称之为整流特性。性，都可以在一定意义上称之为整流特性。 众所周知，最早的半导体整流器

11、就是采用金众所周知，最早的半导体整流器就是采用金属半导体接触形成的，例如早期的矿石检波器，属半导体接触形成的，例如早期的矿石检波器，就是采用一根金属触针与一块半导体硒矿石晶体就是采用一根金属触针与一块半导体硒矿石晶体相接触而制作的。相接触而制作的。 目前，目前，各种金属半导体接触大多采用在半各种金属半导体接触大多采用在半导体晶体材料的表面淀积一层金属薄膜的方式导体晶体材料的表面淀积一层金属薄膜的方式来制备（溅射工艺）。来制备（溅射工艺）。例如可以在硅晶体材料例如可以在硅晶体材料的表面淀积一层金属铝膜，从而形成金属半的表面淀积一层金属铝膜，从而形成金属半导体之间的整流接触。这种类型的半导体整流导

12、体之间的整流接触。这种类型的半导体整流结通常称为肖特基势垒结，有时也简称为肖特结通常称为肖特基势垒结，有时也简称为肖特基结。基结。1. 1. 肖特基势垒肖特基势垒 我们我们以金属和以金属和N N型半导体材料接触为例来讨型半导体材料接触为例来讨论肖特基结论肖特基结，首先看零偏置状态下的结特性。，首先看零偏置状态下的结特性。 功函数：功函数：金属或者半导体内的电子克服原子金属或者半导体内的电子克服原子核的束缚，逸出体外（真空）所需要的功核的束缚，逸出体外（真空）所需要的功（平（平均值，定义为均值，定义为E E0 0E E F F）。 亲和能：亲和能：=E=E0 0-E-Ec c e em m是金属

13、材料的功函数，是金属材料的功函数，eeS S是半导体材是半导体材料的功函数，料的功函数，是半导体材料中电子的亲和势是半导体材料中电子的亲和势 各种不同金属材料的功函数各种不同金属材料的功函数, ,电子亲和势则如电子亲和势则如下表所示。下表所示。 在下图所示的实例中，我们在下图所示的实例中，我们假设了假设了m mS S，因因此当形成金属半导接触之后，电子将从此当形成金属半导接触之后，电子将从N N型半导型半导体材料一侧流向金属材料一侧，最终使得整个系体材料一侧流向金属材料一侧，最终使得整个系统具有统一的费米能级。统具有统一的费米能级。 下图所示是未形成金属半导体接触之前，金下图所示是未形成金属半

14、导体接触之前，金属材料和半导体晶体材料各自的能带示意图，其属材料和半导体晶体材料各自的能带示意图，其中中E E0 0为真空能级，也就是能带图的参考能级。为真空能级，也就是能带图的参考能级。 电子由电子由N N型半导体材料一侧流向金属材料一型半导体材料一侧流向金属材料一侧之后，将在侧之后，将在N N型半导体材料中留下带正电的固型半导体材料中留下带正电的固定施主离子电荷，并在定施主离子电荷，并在N N型半导体材料表面形成型半导体材料表面形成一个空间电荷区（耗尽区），同时形成一个由一个空间电荷区（耗尽区），同时形成一个由半导体材料指向金属材料的内建电场。半导体材料指向金属材料的内建电场。 金属材料和

15、半导体接触，达到平衡之后整金属材料和半导体接触，达到平衡之后整个系统具有统一的费米能级。个系统具有统一的费米能级。达到平衡状态时的能带图：达到平衡状态时的能带图： 从上图可见，金属材料中的电子要进入从上图可见，金属材料中的电子要进入N N型半导体材料，必须越过的势垒高度为型半导体材料，必须越过的势垒高度为B0B0，这个势垒高度就是所谓的这个势垒高度就是所谓的肖特基势垒肖特基势垒： 从从N N型半导体一侧来看，导带中的电子要型半导体一侧来看，导带中的电子要进入到金属材料中，必须越过的势垒高度为进入到金属材料中，必须越过的势垒高度为V Vbibi，这个势垒高度也就是肖特基结的这个势垒高度也就是肖特

16、基结的内建势垒内建势垒： 这使得这使得V VBiBi变成了一个与半导体材料掺杂浓度变成了一个与半导体材料掺杂浓度相关的函数，因为：相关的函数，因为：2. 2. 反偏状态下的肖特基结反偏状态下的肖特基结 对于上述金属和对于上述金属和N N型半导体材料相接触所形型半导体材料相接触所形成的肖特基结，当我们在半导体材料一侧外加成的肖特基结，当我们在半导体材料一侧外加一个相对于金属材料为正的电压，此时的肖特一个相对于金属材料为正的电压，此时的肖特基结即处于反偏状态。基结即处于反偏状态。 从图中可见，电子从半导体材料一侧到金从图中可见，电子从半导体材料一侧到金属材料一侧所需越过的势垒高度增加了，属材料一侧

17、所需越过的势垒高度增加了，增加增加的幅度就是外加的反向偏置电压的幅度就是外加的反向偏置电压V VR R，而从金属，而从金属材料一侧到半导体材料一侧所需越过的势垒高材料一侧到半导体材料一侧所需越过的势垒高度度B0B0仍然保持不变。仍然保持不变。 外加电压使得肖特基结的空间电荷区（也外加电压使得肖特基结的空间电荷区（也就是耗尽区）宽度增加，肖特基结界面处的最就是耗尽区）宽度增加，肖特基结界面处的最大电场强度也相应地大大增强。大电场强度也相应地大大增强。 与反向偏置的与反向偏置的PNPN结情况类似，可以对反向偏结情况类似，可以对反向偏置的肖特基结空间电荷区应用泊松方程，求得置的肖特基结空间电荷区应用

18、泊松方程，求得肖特基结空间电荷区的宽度为：肖特基结空间电荷区的宽度为：9.2 9.2 正偏状态下的正偏状态下的PNPN结与肖特基结结与肖特基结 前面的分析讨论中，无论是处于前面的分析讨论中，无论是处于热平衡的热平衡的零偏状态，还是有外加反向电压的反偏状态零偏状态，还是有外加反向电压的反偏状态，PNPN结中都存在一个势垒，这个势垒阻挡了结中都存在一个势垒，这个势垒阻挡了N N型区型区中的电子向中的电子向P P型区中的进一步扩散，也阻挡了型区中的进一步扩散，也阻挡了P P型区中的空穴向型区中的空穴向N N型区中的进一步扩散。型区中的进一步扩散。因此在因此在零偏或反偏状态下，零偏或反偏状态下，PNP

19、N结中基本没有电流流过结中基本没有电流流过 类似地，类似地，在零偏或反偏状态下，肖特基结在零偏或反偏状态下，肖特基结中基本上也没有电流流过。中基本上也没有电流流过。1. 1. 正偏状态下的正偏状态下的PNPN结特性结特性 当我们在当我们在PNPN结的结的P P型区一侧外加一个相对于型区一侧外加一个相对于N N型区的正电压时，型区的正电压时，PNPN结即处于正向偏置状态，此结即处于正向偏置状态，此时外加电压所形成的电场与内建电场方向相反。时外加电压所形成的电场与内建电场方向相反。 由于外加电场削弱了内建电场的作用，由于外加电场削弱了内建电场的作用，PNPN结中的势垒高度也相应降低，因此漂移电流与

20、结中的势垒高度也相应降低，因此漂移电流与扩散电流不再保持平衡，同时扩散电流不再保持平衡，同时PNPN结两边也不再结两边也不再具有统一的费米能级。具有统一的费米能级。2. 2. 正偏状态下的肖特基结特性正偏状态下的肖特基结特性 9.2 9.2 金属半导体欧姆接触金属半导体欧姆接触 各种半导体器件和集成电路最后都需要通各种半导体器件和集成电路最后都需要通过金属引线将其与外部世界相连接，这种连接过金属引线将其与外部世界相连接，这种连接就必须是欧姆接触。就必须是欧姆接触。 所谓欧姆接触，就是金属和半导体材料之所谓欧姆接触，就是金属和半导体材料之间的一种接触类型，其正反向特性是完全对称间的一种接触类型，

21、其正反向特性是完全对称的，均为线性的电阻特性，而不是非对称的整的，均为线性的电阻特性，而不是非对称的整流特性。流特性。通常有两种类型的欧姆接触，一种是通常有两种类型的欧姆接触，一种是理想的理想的非整流接触势垒非整流接触势垒，另一种则是所谓的，另一种则是所谓的隧隧道穿透势垒道穿透势垒。 对于前面所讨论过的金属和对于前面所讨论过的金属和N N型半导体材型半导体材料之间形成的肖特基接触势垒，当料之间形成的肖特基接触势垒，当m mS S时，时，实际所形成的就是一种非整流接触势垒，即欧实际所形成的就是一种非整流接触势垒，即欧姆接触。此时，没有形成接触之前，金属材料姆接触。此时，没有形成接触之前，金属材料

22、的费米能级要高于的费米能级要高于N N型半导体材料的费米能级。型半导体材料的费米能级。1 1、非整流接触势垒、非整流接触势垒 当当m mS S时，也是一种非整流接触势垒，时，也是一种非整流接触势垒，即欧姆接触。即欧姆接触。此时，在没有形成接触之前，金此时，在没有形成接触之前，金属材料的费米能级要低于属材料的费米能级要低于P P型半导体材料的费米型半导体材料的费米能级。能级。 此时，无论是外加正向电压还是外加反向电此时，无论是外加正向电压还是外加反向电压，与前面的分析类似，金属和压，与前面的分析类似，金属和P P型半导体之间型半导体之间同样也表现为电阻性的导通特性，即为欧姆接同样也表现为电阻性的

23、导通特性，即为欧姆接触。触。 当当m mS S时，金属和时，金属和P P型半导体材料形成型半导体材料形成接触之后的能带图，二者具有统一的费米能级，接触之后的能带图，二者具有统一的费米能级，此时半导体材料表面空穴的浓度增加，形成了此时半导体材料表面空穴的浓度增加，形成了一层空穴的积累层。一层空穴的积累层。 从肖特基接触上分析对从肖特基接触上分析对n n型半导体只型半导体只要要 ，对，对P P型半导体只要型半导体只要 即可即可获得欧姆接触。获得欧姆接触。smsm 但是，肖特基接触仅仅是一种理想的接触，但是，肖特基接触仅仅是一种理想的接触，只考虑了功函数的影响，没有考虑表面态（界只考虑了功函数的影响，没有考虑表面态（界面态），对于实际的半导体材料面态），对于实际的半导体材料Si