半导体光电子器件

1、1 概述概述 半导体器件基本类型半导体器件基本类型 电子器件电子器件光电子器件光电子器件 理论基础理论基础结构基础结构基础 漂移漂移-扩散模型扩散模型 扩散扩散-漂移模型漂移模型 pn结结 组组 合合 MIS 金半结金半结 异质结异质结 发展发展 新原理，新结构器件新原理，新结构器件 量子器件？光电器件？量子器件？光电器件？ 光子器件？集成光路？光子器件？集成光路？ 2 1.1.4 pin结结(结构结构) 1. 基本结构基本结构 pin：高掺杂：高掺杂p区和区和n区之间区之间 有一本征层（有一本征层（i区）的结。区）的结。 本征层很难实现，通常用高阻本征层很难实现，通常用高阻 p-型层或高阻型

2、层或高阻n-型层代替：型层代替： 称：称： pp-n-pn; pn-n-pn (b)-掺杂分布掺杂分布 3 2.空间电荷区电荷分布空间电荷区电荷分布 pin: 负电荷在负电荷在p区侧，正电荷在区侧，正电荷在n区侧区侧 pp-n-pn: 负电荷在负电荷在p区侧和区侧和p-区，正电荷在区，正电荷在n区侧区侧 pn-n-pn: 负电荷在负电荷在p区侧，正电荷在区侧，正电荷在n区侧和区侧和n-区区 3.空间电荷区电场分布空间电荷区电场分布 (c)空间电荷分布空间电荷分布 (d)电场分布电场分布 4 3. 基本特性基本特性 单位面积单位面积势垒电容近似常数：势垒电容近似常数： i s T w C 0 击

3、穿电压高：击穿电压高： ( (v v) )w wV V m mB B 储存时间（电荷消失时间）短：储存时间（电荷消失时间）短： R f R O S I I I Q t m-临界击穿电场临界击穿电场 少数载流子寿命少数载流子寿命 (IR If) P+ P- n P+ P- n Wi n n- P+ Wi P+n Q0 5 pn基本特性基本特性要点要点 一、空间电荷区形成及特性一、空间电荷区形成及特性 平衡状态空间电荷区内平衡状态空间电荷区内 载流子扩散运动与自建载流子扩散运动与自建 电场产生的漂移运动动电场产生的漂移运动动 态平衡，净电流为零态平衡，净电流为零 x (x) 6 二、能带结构二、能

4、带结构 电子、空穴势垒电子、空穴势垒 7 三、平衡状态载流子分布三、平衡状态载流子分布 空间电荷区空间电荷区(势垒区势垒区)边界载流子浓度等于其平衡值边界载流子浓度等于其平衡值 2 i KT/ )x(q P KT/ )x(q p nenep)x(n)x(p 8 四、非平衡状态载流子分布四、非平衡状态载流子分布 P区区 n区区 pp0 pn0 nn0 np0 pn0exp(qVF/kT) np0exp(qVF/kT) P区区 n区区 pp0 pn0 nn0 np0 pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT) 正正 偏：偏： 反偏：反偏： 载载 流流 子子 动动 态态 平平 衡衡 被

5、被 破破 坏坏 ) KT qV exp(n)x(p)x(n)x(p)x(n A 2 inp 9 五、电学特性五、电学特性 1.伏安特性方程伏安特性方程 1eJJ KT A qV S 2.伏安特性曲线伏安特性曲线 I VA 10 六、势垒电容六、势垒电容 T A C dV |Q|d P区区 n区区 P区区 n区区 空穴补偿空穴补偿 电子补偿电子补偿 空穴释放空穴释放电子释放电子释放 偏压上升偏压上升(含正负含正负)： 变窄变窄 偏压下降偏压下降(含正负含正负) ： 变宽变宽 11 七、扩散电容七、扩散电容 八、击穿电压八、击穿电压 (x)(x) D A n A p C dV |Q|d dV dQ

6、 P区区 n区区 pn 雪崩击穿！雪崩击穿！ m 12 九、九、pin 基本特性基本特性 单位面积单位面积势垒电容近似常数：势垒电容近似常数： i s T w C 0 击穿电压高：击穿电压高： )(vwV imB 储存时间（电荷消失时间）短：储存时间（电荷消失时间）短： R f R O S I I I Q t m-临界击穿电场临界击穿电场 少数载流子寿命少数载流子寿命 (IR If) P+ P- n P+ P- n Wi n n- P+ Wi P+n Q0 13 1-2 异质结与超晶格异质结与超晶格 基本内容：基本内容： 1.2.1 异质结及其能带结构异质结及其能带结构 1.2.2 异质结的电

7、流输运机构异质结的电流输运机构 1.2.3 异质结在器件中的应用异质结在器件中的应用 1.2.4 半导体超晶格半导体超晶格 14 异质结定义：异质结定义： 二种不同半导体材料以价健形式结合在一起，二种不同半导体材料以价健形式结合在一起， 那么其界面及二测少子密度那么其界面及二测少子密度(与平衡状态相比与平衡状态相比)发发 生变化的区域称为异质结生变化的区域称为异质结 异质结特征：异质结特征： 二个区域禁带宽度不同二个区域禁带宽度不同 异质结形成：异质结形成： 外延技术外延技术APCVD; MBE; MOCVD 15 异质结类型：异质结类型： 异质结表征：异质结表征： 导电类型划分导电类型划分

8、同型异质结同型异质结(二种半导体材料二种半导体材料导电类型相同导电类型相同) ； 反型异质结反型异质结(二种半导体材料二种半导体材料导电类型不同导电类型不同)。 能带结构划分能带结构划分 突变结；缓变结突变结；缓变结。 p-nGe-Si; p-nSiGe-Si; n-pGaAs-AlGaAs; p-pSiGe-Si; n-nGe-Si,等等 (p-Ge/n-Si; p-SiGe/n-Si; n-GaAs/p-AlGaAs; p-SiGe/p-Si; n-Ge/n-Si) 本章约定：本章约定： 前者表示窄禁带前者表示窄禁带(用下标用下标1表示表示)， 后者表示宽禁带后者表示宽禁带(用下标用下标2

9、表示表示)。 16 1.2.1 异质结及其能带结构异质结及其能带结构 一、一、理想状态能带结构理想状态能带结构 1.异质结孤立状态能带结构及形成过程异质结孤立状态能带结构及形成过程(以反型结为例以反型结为例) 载流子向对方扩散载流子向对方扩散-扩散流扩散流；形成电荷区；形成电荷区-空间电荷区空间电荷区； 产生电场产生电场自建电场自建电场；形成漂移流；形成漂移流与扩散流方向相反与扩散流方向相反； 动态平衡动态平衡-形成平衡异质结；形成平衡异质结；能带弯曲能带弯曲形成接触电势形成接触电势 差差VD；但但 不变。不变。 2.形成形成 EFP EFn EF EF 1 2 1 2 W1 W2 W1 W2

10、 EC EV E0 + + + + - - - - E V + + + + + + - - - - - - V E 17 3.能带结构特征能带结构特征(以异质以异质pn结为例结为例) 1).能隙差：能隙差： Eg= EC+ EV = Eg2 Eg1 EC=1-2 EV= Eg - EC 2).势垒区电场分布：势垒区电场分布： 界面处电场不连续，界面处电场不连续， 电位移连续；电位移连续； 3).势垒区电位分布：势垒区电位分布： n区电位高于区电位高于p区区-V(x)； 接触电势差：接触电势差： VD = VD1+VD2 qVD=EFn-EFp= W1-W2 = qVD1+ qVD2 x1x2

11、E(x) EFP EFn 1 2 W1 W2 EC EV E0 + + + + + - - - - - V(x) E(x) 18 4).平衡状态能带结构平衡状态能带结构 由于由于n区电位高于区电位高于p区区-V(x)，所以导带、价带如图所示变化。，所以导带、价带如图所示变化。 本征费米能级本征费米能级Ei? 19 5).费米能级费米能级 平衡状态：平衡状态：EFp=EFn 证明证明:(思路思路-证明宽带、窄带侧势垒区内证明宽带、窄带侧势垒区内EF为常数。以为常数。以p型窄带为例型窄带为例) 设：中性设：中性p区本征费米能级位区本征费米能级位Eip,且为电势参考点，且为电势参考点， 那么势垒区内

12、：那么势垒区内： Eip(x)= Eip- qV(x) p型窄带势垒区内：型窄带势垒区内： 0J dx )x(dp qD)x(E)x(pqJJJ npppDpp )x(E dx )x(dV dx )x(dE q 1 ip 有有；另外另外 KT ExE expn)x(p Fip i 那么那么 0 dx dE xp dx dE dx xdE q 1 dx xdE q 1 )x(pqJ F p F ipip pp 显然有显然有 0 dx dEF ；同理可证明宽带区同理可证明宽带区 20 6).界面能带尖峰位置与缓变结界面能带尖峰位置与缓变结 尖峰位置决定于掺杂浓度：尖峰位置决定于掺杂浓度： 掺杂浓度

13、低则电位降大，掺杂浓度低则电位降大， 尖峰高；尖峰高； 缓变结：缓变结： 通过掺入元素实现。通过掺入元素实现。 21 二、界面态对能带结构影响二、界面态对能带结构影响 界面态：界面态：异质结界面处的电子态异质结界面处的电子态 1.界面态产生原因：界面态产生原因：晶格失配晶格失配、杂质、温度、杂质、温度 晶格失配晶格失配(%)定义：定义：a2a1 2.界面态形成机理：界面态形成机理： 晶格失配产生的悬挂键晶格失配产生的悬挂键 3. 悬挂键悬挂键(界面态界面态)(面面)密度密度-NS： NS= NS1- NS2 键键(面面) 密度密度NS由晶格常数及晶面决定。由晶格常数及晶面决定。 NS=1/晶胞

14、中晶面面积晶胞中晶面面积 晶面中键数晶面中键数 12 12 12 12 aa )aa( 2 2 aa aa 如：二种都为金刚石结构材料如：二种都为金刚石结构材料 (111)晶面：晶面： (110)晶面：晶面： (100)晶面：晶面： 2 2 2 1 2 1 2 2 S aa aa 3 4 N 2 2 2 1 2 1 2 2 S aa aa 2 4 N 2 2 2 1 2 1 2 2 S aa aa 4N 晶面原子晶面原子 2 悬挂键悬挂键2 晶面原子晶面原子 4 悬挂键悬挂键4 晶面原子晶面原子 2 悬挂键悬挂键4 22 4.界面态对能带结构影响界面态对能带结构影响 巴丁极限：巴丁极限：对金刚

15、石结构，当表面态面密度对金刚石结构，当表面态面密度1013cm-2,表面处表面处 费米能级位于费米能级位于1/3禁带。禁带。 表面态作用：表面态作用： n型半导体，起受主作用型半导体，起受主作用(因电子密度高因电子密度高) 使能带向上弯曲；使能带向上弯曲； p型半导体，起施主作用型半导体，起施主作用(因空穴密度高因空穴密度高) 使能带向下弯曲。使能带向下弯曲。 能带结构：能带结构： Eg/3 Eg/3 n型半导体型半导体 p型半导体型半导体 应用中应选择晶格失配小的异质材料应用中应选择晶格失配小的异质材料 施主作用施主作用 受主作用受主作用 23 三、三、平衡状态平衡状态突变反型异质结接触电势

16、差及势垒区宽度突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度 1.电场电场 01 1 1A 2 1 2 xxx qN dx xVd 20 2 2D 2 2 2 xxx qN dx xVd 边界条件：边界条件： 0 xE dx xdV 11x 1 1 0 xE dx xdV 22x 2 2 有有 011 1 11A1 xxxxE xxqN dx xdV 202 2 22D2 xxxxE xxqN dx xdV 结论：电场线性分布，且在界面处不连续结论：电场线性分布，且在界面处不连续 x0 x 1 x2 NA1 ND2 VD2VD1 x xE 思路：求解泊松方程思路：求解泊松方程-电场电场-电位电位-接触电

17、势差接触电势差-势垒区宽度势垒区宽度 24 2.电位及接触电势差电位及接触电势差 将电场积分：将电场积分： 1 1 11A 1 2 1A 1 D XXqN 2 XqN xV 2 2 22D 2 2 2D 2 D XXqN 2 XqN xV x0 x1x2 NA1 ND2 VD2VD1 令：令：V1(x1)=0， 则：则：V2(x2)=VD，那么：，那么： 2 2 22D D2 1 2 11A 1 2 XqN VD 2 XqN D 又：又： V1(x0)=V2(x0)；且；且V1(x0)=VD1， V2(x2)- V1(x0)= VD2，所以，所以 2 XX 2D D2 1 XX 1A 1 2

18、qN VxV 2 qN xV 2 2 2 1 2 XX 2D 1 XX 1A D 2 qN 2 qN V 2 02 2 10 电位电位： 接触电位差：接触电位差： 及：及： 2 XX 2D 2D 1 XX 1A 1D 2 qN V 2 qN V 2 02 2 10 25 因为因为 XD=(x2-x0)+(x0-x1) 且且 qNA1(x0-x1)=qND2 (x2-x0)=Q 有有 2D1A D1A 02 2D1A D2D 10 NN XN XX NN XN XX 将上式分别代入将上式分别代入VD、 VD1、 VD2， 有有 2 2D1A D1A 2D1 2 2D1A D2D 1A2 21 D

19、 NN XN N NN XN N 2 q V 2D21A1 D1A1 2D 2D21A1 D2D2 1D NN VN V NN VN V # 1A1 2D2 2D 1D N N V V 能带弯曲量能带弯曲量(VD1、 VD2)与掺杂浓度反比，与掺杂浓度反比， 掺杂浓度高一侧能带弯曲量小，反之则大掺杂浓度高一侧能带弯曲量小，反之则大。 VD、 VD1、 VD2另一形式：另一形式： x0 x1x2 NA1 ND2 VD2VD1 26 3.势垒区宽度势垒区宽度 四、四、非非平衡状态平衡状态突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度 解解VD表达式有表达式有 2 1 2D

20、21A12D1A D 2 2D1A21 D )NN(NqN V)NN(2 X 2 1 2D21A11A D2D21 101 )NN(qN VN2 )xx (d 2 1 2D21A12D D1A21 022 )NN(qN VN2 )xx (d XD分别代入分别代入(x0-x1)、(x2-x0)有有 若外加偏压为若外加偏压为V，窄带与宽带区压降分别为，窄带与宽带区压降分别为V1与与V2，那么，那么 只要将上述试中只要将上述试中VD用用(VD-V)代替，代替， VD1与与VD2分别用分别用(VD1- V1)、 (VD2-V2)代替即可。代替即可。V、V1、V2大于零表示正偏，反大于零表示正偏，反 之

21、反偏。之反偏。 27 五、突变反型异质结势垒电容五、突变反型异质结势垒电容 因为因为 2 1 2D21A1 D2D1A21 022D101A11A NN )VV(NqN2 )xx (qN)xx (qNdqNQ 2 1 D2D21A1 2D1A21 2 1 2D21A1 D2D1A21 T )VV)(NN( 2 NqN dV NN )VV(NqN2 d dV dQ C 则单位面积势垒电则单位面积势垒电 容容 28 六、六、突变反型异质结接触电势差、势垒区宽度表征突变反型异质结接触电势差、势垒区宽度表征 上述上述VD、XD互为函数，得不到解。互为函数，得不到解。 VD可通过实验获得：将可通过实验获

22、得：将CT表达为：表达为： 2121 2211 2 )( 2 )( 1 DA DDA T NqN VVNN C 2 T) C( 1 与与(VD-V)成线性关系，将反偏成线性关系，将反偏 实验曲线外推至零，即为实验曲线外推至零，即为VD。 有了有了VD即可求得即可求得XD。 2 T) C( 1 VD(VD-V) 29 1.2.2 异质结电流输运机构异质结电流输运机构 一、电流输运机构一、电流输运机构 1.缓变势垒结缓变势垒结2.低尖峰势垒突变结低尖峰势垒突变结2.高尖峰势垒突变高尖峰势垒突变 结结 qVD1 qVD2 EC EV -x1 0 x2 电子势垒电子势垒:(qVDEC) 空穴势垒空穴势

23、垒:(qVD+EV) 电子势垒电子势垒: qVD2 (EC qVD1) （负反向势垒）（负反向势垒）（正反向势垒）（正反向势垒） 30 一、电流输运机构一、电流输运机构 n1(-x1)=n10exp(qV/KT) n10=n2exp-(qVDEC)/KT p2(x2)=p20exp(qV/KT) p20=p1exp-(qVD+ EV) /KT n1(-x1)=n10exp(qV/KT) n10=n2exp(-qVD2/KT) qVD1 qVD2 EC EV -x1 0 x2 电子势垒电子势垒:(qVDEC) 空穴势垒空穴势垒:(qVD+EV) 电子势垒电子势垒: qVD2 (EC qVD1)

24、扩散模型扩散模型；发射模型；发射；发射模型；发射-复合模型；隧道模型；隧道复合模型；隧道模型；隧道-复合模型复合模型 31 1.负反向势垒负反向势垒(低尖峰势垒突变结、缓变结低尖峰势垒突变结、缓变结) 电子流：电子流： 0 nxn dx xnd D n 11 2 1 2 1n P区区n区区 边界条件：边界条件：n1(-x1)=n10exp(qV/KT) n10=n2exp-(qVDEC)/KT 10 nn1 1n 1CD 2101 L xx exp1 KT qV exp KT EqV expnnxn有：有： 1 KT qV exp L nqD 1 KT qV exp KT EqV exp L

25、nqD dx xdn qDJ 1n 101n CD 1n 21n 1 1n1n 1 xx 32 空穴流：空穴流： 0 pxp dx xpd D p 202 2 2 2 2p 边界条件：边界条件： 2p 2 20202 L xx exp1 KT qV expppxp 有：有： 1 KT qV exp L pqD dx xdp qDJ 2p 202p 2 2pp 2 xx p2(x2)=p20exp(qV/KT) p20=p1exp-(qVD+ EV) /KT 202 pp 1 KT qV exp L nqD 1 KT qV exp L nqD L pqD JJJ 1n 101n 1n 101n

26、2p 202p np 33 2.正反向势垒正反向势垒(高尖峰势垒突变结高尖峰势垒突变结) 电子流：思路电子流：思路- 求求p区进入区进入n区与区与n区进入区进入p区电子流之差区电子流之差 热平衡热平衡p区进入区进入n区电子与区电子与n区进入区进入p区电子相等，区电子相等， 为为 KT )qVE( expn KT qV expn 1DC 1 2D 2 加偏置电压加偏置电压 V=V1+V2，那么，那么 KT )VV(q expnxn 2 2D 211 KT )VV(qE expnxn 11DC 122 以上即为电子边界条件以上即为电子边界条件 34 从从p区进入区进入n区的电子分布区的电子分布 解

27、载流子连续性方程有解载流子连续性方程有 1n 122D 2101 L xx exp1 KT qV exp KT qV expnnxn 1 KT qV exp KT qV exp L nqD qDJ 22D 1n 21n dx xdn 1n 1n 1 xx 同理从同理从n区进入区进入p区的电子分布区的电子分布 2n 211DC 1 1DC 12 L xx exp1 KT qV exp KT qVE expn KT qVE expnxn 1 KT qV exp KT qVE exp L nqD qDJ 11DC 2n 12n dx xdn 2n 2n 2 xx KT qV exp KT qV ex

28、p KT qV exp L nqD JJJ 122D n 2n 2n1nn 空穴流与负反向势垒相同：空穴流与负反向势垒相同： pn JJJ 35 二、载流子超注入特性二、载流子超注入特性 EFn EFp EC1 EC2 定义：定义：窄带少子密度窄带少子密度 与宽带多子密度与宽带多子密度 KT EE expNn Fn1C 1C1 KT EE expNn Fn2C 2C2 KT EE exp n n 1C2C 2 1 36 #异质结超晶格异质结超晶格 定义：二种禁带宽度（或导电类型）不同的半导体薄层材料定义：二种禁带宽度（或导电类型）不同的半导体薄层材料 交替生长组成的一维周期性结构。薄层周期小于

29、电子的平均交替生长组成的一维周期性结构。薄层周期小于电子的平均 自由程。自由程。 一、基本结构一、基本结构 1.禁带宽度不同（组份）超晶格禁带宽度不同（组份）超晶格 2.掺杂超晶格掺杂超晶格 Eg1 Eg2 EC EV略能带弯曲略能带弯曲 b c L p nn 37 量子阱量子阱 二、能级状态二、能级状态 1.单势阱单势阱载流子能量量子化；载流子能量量子化； 二维电子气二维电子气(2DEG)、二维空穴气、二维空穴气(2DHG) 。 0L V0 势阱中电子遵循薛定谔方程势阱中电子遵循薛定谔方程 x x y z zyxEzyxzVzyx m )( 2 2 2 Lx LxxV zV 00 0 )(

30、0 )()()(ZUyxzyx z z z V与与x、y无关无关 38 ),(),( 2 2 2 yxEyx m xy )( 2 22 2 yxxy kk m E 波形式：波形式： 代入有：代入有： x、y面能量连续 2DEG/2DHG xy平面内平面内: ( () )( () ) ykxkjexpAy,x yx + += = )()( 2 2 2 zUEzU m z 2 2 2 321 00 000 Lm )n( EE ,nnkz kzsin,c )L()( nz Z方向能量量子化 ) )k k( (k k 2 2m mL L2 2m m n n) )( ( E E 2 2 y y 2 2

31、x x 2 2 2 2 2 2 x xy yz z 总能量总能量 量子阱量子阱 Z方向：方向： U(0)U(L) 2 2 2 z Em ( ( ) )( () )czsinBzU+ += = ( () )0= =zsin Ln 39 二、能级状态二、能级状态 2.超晶格超晶格载流子受晶格周期性势场和可控的超晶格周期载流子受晶格周期性势场和可控的超晶格周期 性势场作用。那么载流子的波函数也可人为控制。性势场作用。那么载流子的波函数也可人为控制。 )()()()( 2 2 2 zEzzVz m z 2 2 2 z Em 0)( )( 2 2 2 z dz zd 薛定谔方程薛定谔方程 边界条件边界条

32、件 V(z)= 0 0 z 1013cm-2,表面处表面处 费米能级位于费米能级位于1/3禁带。禁带。 能带结构：能带结构： Eg/3 Eg/3 n型半导体型半导体 p型半导体型半导体 应用中应选择晶格失配小的异质材料应用中应选择晶格失配小的异质材料 施主作用施主作用 受主作用受主作用 47 5.异质结电流输运异质结电流输运 1.缓变势垒结缓变势垒结2.低尖峰势垒突变结低尖峰势垒突变结2.高尖峰势垒突变结高尖峰势垒突变结 （负反向势垒）（负反向势垒）（正反向势垒）（正反向势垒） 空穴势垒空穴势垒:(qVD+EV) KT E wN wN KT EE wN wN I I g bBpe eEnbcv

33、 bBpe eEnb PE nE expexp qVD1 qVD2 EC EV -x1 0 x2 电子势垒电子势垒:(qVDEC) 电子势垒电子势垒: qVD2 48 6.6.异质结量子阱异质结量子阱 2DEG-沟道区；沟道区； 掺杂区与沟道区分离，杂质掺杂区与沟道区分离，杂质散射减小散射减小迁移率高迁移率高； 减小离化电荷减小离化电荷散射散射-加入加入本征层本征层。 GaAs MESFETGaAs MESFET：电子：电子迁移率迁移率从从900090002 2/V/Vs s 下降到下降到2000200030003000cmcm2 2/V/Vs s。 AlAlx xGaGa1-x 1-xAs/

34、GaAs As/GaAs 量子阱量子阱：电子电子迁移率迁移率可做到可做到92009200厘米厘米2 2/ /（伏（伏秒）。秒）。 AlGaAs GaA s 本征本征 N型型 N型型 N型型 2DEG 2DEG AlGaAs GaA s AlGaAs GaA s + 孤立孤立 应用？应用？ 49 Ec + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - E(z) E(z) 50 量子阱、超晶格：量子阱、超晶格： 量子阱：量子阱： 能量量子化（垂直界面方向）：能量量子化（垂直界面方向）： 二维载流子气（平行界面方向）：二维载流子气（平行界面方向）： 各能级态密度

35、是常数：各能级态密度是常数： 超晶格：超晶格： 2 2 2Lm )n( EE * nz 2 y 2 x 2 2 xyz kk m2Lm2 n E 2 2 2 m Eg 量子化能级分裂成子能带；量子化能级分裂成子能带； 布里渊区变成了正常晶体的布里渊区变成了正常晶体的L/a倍个；倍个； 有效禁带宽度可调。有效禁带宽度可调。 应用？应用？ 51 1-3 金属与半导体的接触金属与半导体的接触 52 1-3.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数 sFs mFm EEW EEW )( )( 0 0 表示一个费米能级处的电子，表示一个费米能级处的电

36、子， 逸出到真空能级所需要的最小能量。逸出到真空能级所需要的最小能量。 功函数的大小标志着束缚电子能力。功函数的大小标志着束缚电子能力。 53 金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化。 54 1-3. 2 接触电势差接触电势差 sm WW q WW V ms ms 金属金属-n型半导体型半导体 金属金属-p型半导体型半导体 sm WW 接触电势差接触电势差 55 1-3. 3 表面态对接触电势的影响表面态对接触电势的影响 实验表明：不同金属的功函数相差较大，但与半导体形成的 接触势垒高度相差较小。（Au：4.8eV，Al：4.25eV） 原因：半导体表面存在表面态原因：半导体表面存在表面态

37、56 半导体表面态：半导体表面态： 半导体表面禁带中的能级。半导体表面禁带中的能级。 表面态类型：表面态类型： 施主型施主型-电子占据呈电中性，电子占据呈电中性， 释放电子呈正电性；释放电子呈正电性； 受主型受主型-空态时呈电中性，空态时呈电中性， 电子占据呈负电性。电子占据呈负电性。 施主型与受主型能级界点施主型与受主型能级界点-q0： 大多数半导体，大多数半导体，q0约在价带约在价带 之上三分之一禁带宽度处。之上三分之一禁带宽度处。 半导体表面态影响：半导体表面态影响： 表面态积累电荷；表面态积累电荷； 态密度很高时，费米能级钉扎。态密度很高时，费米能级钉扎。 表面态对金表面态对金-半接触

38、影响：半接触影响： 金属与表面态交换电荷金属与表面态交换电荷 57 1-3.4 金属金属-半导体接触整流理论半导体接触整流理论 -势垒接触势垒接触or肖特基接触肖特基接触 平衡态平衡态正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置 势垒接触具有类似势垒接触具有类似p-n结的伏结的伏-安特性，即整流作用安特性，即整流作用 一、一、势垒接触特性势垒接触特性 58 1、扩散理论、扩散理论 适用范围：势垒宽度适用范围：势垒宽度 大于电子的平均自由程。大于电子的平均自由程。 二、势垒接触理论二、势垒接触理论 1expexp 2 00 21 0 00 2 Tk qV Tk q VV qN Tk NDq J ns s r

39、 Dcn 1exp 0T k qV JJ sD #正向导通电压低，反向电流不饱和正向导通电压低，反向电流不饱和 59 2 2、热电子发射理论、热电子发射理论 适用范围：电子平均适用范围：电子平均 自由程大于势垒宽度。自由程大于势垒宽度。 1) Tk qV exp(J 1) Tk qV )exp( Tk q exp(TA JJJ 0 sT 00 ns2* smms #反向电流饱和反向电流饱和 60 三、镜象力和隧道效应的影响三、镜象力和隧道效应的影响 1.镜像力影响镜像力影响 61 镜像力与隧道效应使电流增大镜像力与隧道效应使电流增大 62 1-3.5 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 金属金属

40、-半导体势垒接触，称为肖特基势垒二极管。半导体势垒接触，称为肖特基势垒二极管。 特点：多子器件；特点：多子器件； 优点：无载流子积累，高频特性好；优点：无载流子积累，高频特性好； 正向导通电压低。正向导通电压低。 63 1-3.6 欧姆接触欧姆接触 金属与半导体非整流接触，称欧姆接触金属与半导体非整流接触，称欧姆接触。 特性：特性： 电流在接触处产生的压降远小于器件本征压降；电流在接触处产生的压降远小于器件本征压降； 不产生明显的附加阻抗；不产生明显的附加阻抗； 实现方法：形成反阻挡层；实现方法：形成反阻挡层； 利用隧道效应利用隧道效应。 表征：表征： 1 0 V c V I R 64 金属金

41、属-半导体接触要点：半导体接触要点： 1.能带结构、机理；能带结构、机理； 2.接触类型、机理；接触类型、机理； 3.接触电势差；接触电势差； 4.载流子输运。载流子输运。 q WW V ms ms sm WW sm WW 65 1-4 MIS结构结构 66 67 堆积堆积 耗尽耗尽 本征本征 反型反型 平带平带 强反型强反型 P- - 弯曲原因：弯曲原因： 金金-半功函数；半功函数； 氧化层电荷；氧化层电荷； 偏置电压。偏置电压。 深耗尽深耗尽 1-4.1 、 MIS结构半导体表面基本状态结构半导体表面基本状态: 68 阈值电压阈值电压 VT : 定义定义: : VG=VT时时，s=2F。

42、VT = VG = Vox+ 2F Qs/ Cox = (40sq NAF)1/2/Cox Qn / Cox 开始强反型时，开始强反型时，Qn可以忽略。因此，可以忽略。因此，n n型沟道型沟道 VT = ms Qss / Cox + (40sq NAF)1/2/Cox + 2(kT/q)(NA/ni) Vox= VFB Qs/ Cox VFB = ms Qss / Cox 69 1-4.2 MOSMOS系统半导体表面物理基础系统半导体表面物理基础( (以以p型半导体为例型半导体为例) ) 金属功函数金属功函数-qm ; 半导体半导体功函数功函数-qsi 1. qm = qsi MOS系统系统平

43、带平带 2. qmqsi MOS系统系统-能带弯曲能带弯曲 1-4.1.1 MOS系统半导体平带电压系统半导体平带电压 一、金属一、金属-半导体功函数差影响半导体功函数差影响 平带电压：平带电压： 1 = m si = ms qmqsiqmqsi + + + + + + + + - - - - 真空能级真空能级 qm qsi - - - - 真空能级真空能级 qm qsi 70 二、二、Si-SiO2界面和界面和SiO2中电荷中电荷影响影响 1. SiO2电荷：电荷： a.固定正电荷固定正电荷： 由过剩的带正电硅离子（未与氧结合）产生，在由过剩的带正电硅离子（未与氧结合）产生，在Si-SiO2

44、界面界面SiO2侧；侧； 面密度：几个面密度：几个1010 cm-2，按（，按（100 (110) (111)顺序增加，比例为顺序增加，比例为1:2:3； b.可动可动正正电荷：电荷： 氧化过程中正的钠离子或钾离子沾污，在电场作用下很容易移动；氧化过程中正的钠离子或钾离子沾污，在电场作用下很容易移动； 面密度：几个面密度：几个1010 cm-2。 c.Si-SiO2界面态电荷界面态电荷: : 来源于硅表面处晶体周期性被破坏及界面处来源于硅表面处晶体周期性被破坏及界面处Si价键未被氧全键价键未被氧全键 合；合；面密度：面密度：约为约为1010-1012cm 2， ，按按(100)(110)0；能

45、带向上弯曲时，；能带向上弯曲时，sVFB，S0， 表面能带向下弯曲；表面能带向下弯曲； 半导体表面离化受主负电荷半导体表面离化受主负电荷与电子负电荷与电子负电荷 ， 金属表面正电荷金属表面正电荷。 半导体表面空穴耗尽；半导体表面空穴耗尽； 2. 耗尽耗尽: 离化电荷区离化电荷区 -耗尽区耗尽区 可略可略 76 3.本征：本征： VGVFB，S=(Ei EF) /q 0，表面能带向下弯曲；，表面能带向下弯曲； 半导体表面离化受主负电荷半导体表面离化受主负电荷与电子负电荷与电子负电荷; 金属表面正电荷金属表面正电荷。 半导体表面：半导体表面：ns=ps=ni ； 可略可略 77 4.4.弱反弱反

46、型型 : VGVFB，S (Ei EF) /q 0，表面能带向下弯曲；，表面能带向下弯曲； 半导体表面：半导体表面： 载流子反型，载流子反型，ns VFB，S 2(Ei EF) /q 0，表面能带向下弯曲；，表面能带向下弯曲； 半导体表面：半导体表面：离化受主负电荷，反型载流子电子负电荷离化受主负电荷，反型载流子电子负电荷； 金属表面：金属表面：正电荷正电荷。 半导体表面：半导体表面：ns NA ，载流子强反型。，载流子强反型。 定义：定义： 79 6. 表面积累：表面积累： VG 0，s 光光子子动动量量 96 1.本征吸收本征吸收 价带电子吸收光子能量跃迁至导带。价带电子吸收光子能量跃迁至

47、导带。 Ec EV g Ehh 0 h )( )( 24. 1 0 0 m eVE hc Eh g g 长波限：长波限： # 高掺杂半导体：高掺杂半导体： Eg 能量能量-动量守恒动量守恒 直接带隙直接带隙 间接带隙间接带隙 g Eh 97 g Eh 0 h 1).直接带隙半导体直接带隙半导体 能量守恒：能量守恒： 动量守恒：动量守恒： 即电子跃迁保持波矢不变即电子跃迁保持波矢不变-直接跃迁直接跃迁。 吸收系数：吸收系数： C与折射率、有效质量、与折射率、有效质量、 介电常数、光速等有关的介电常数、光速等有关的 量，近似为常数。量，近似为常数。 Eh kk 0hkhk 子动量子动量光子动量远小

48、于能带电光子动量远小于能带电光子动量光子动量 g gg Eh EhEhC 0 2 1 直接跃迁直接跃迁 k kE 164 1010 cm 98 2).间接带隙半导体间接带隙半导体 存在：直接跃迁；存在：直接跃迁； 间接跃迁。间接跃迁。 间接跃迁间接跃迁-光子、电子、声子共同参与。光子、电子、声子共同参与。 能量守恒：能量守恒： 动量守恒：动量守恒： 吸收系数：吸收系数： kE k 直接跃迁直接跃迁 间接跃迁间接跃迁 含直接跃迁含直接跃迁 跃迁导带低跃迁导带低 电子能量差电子能量差 g g p p Eh Eh eVE Eh 2 10 p p kkk hkhkhk 即即 光光子子动动量量 Tk E

49、 EEh A EEhEE Tk E EEh Tk E EEh A EEh p pg pgpg p pg p pg pg 0 2 0 2 0 2 exp exp1exp 跃跃迁迁，吸吸收收系系数数时时，只只能能发发生生吸吸收收声声子子在在 数数跃跃迁迁皆皆可可发发生生，吸吸收收系系时时，吸吸收收和和发发射射声声子子的的在在 13 101 cm 声子分布函数声子分布函数 99 2.杂质吸收杂质吸收 电电离离能能 1 Eh Ec Ev 跃迁过程：跃迁过程： 施主能级电子施主能级电子导带导带 受主能级空穴受主能级空穴-价带价带 电离受主能级电子电离受主能级电子-导带导带 电离施主能级空穴电离施主能级空

50、穴-价带价带 能量关系：能量关系： 施主能级电子施主能级电子导带导带 受主能级空穴受主能级空穴-价带价带 电离受主能级电子电离受主能级电子-导带导带 电离施主能级空穴电离施主能级空穴-价带价带 动量关系：束缚状态无一定准动量，跃迁后状态不受波矢限制；动量关系：束缚状态无一定准动量，跃迁后状态不受波矢限制； 可越迁至任意能级，引起连续吸收光谱。可越迁至任意能级，引起连续吸收光谱。 1 EEh g 100 3.自由载流子吸收自由载流子吸收 导带及价带内电子从低能级跃迁到高能级。导带及价带内电子从低能级跃迁到高能级。 能量守恒：能量守恒： 动量守恒：吸收或释放声子。动量守恒：吸收或释放声子。 特征：

51、吸收系数随波长增大而增强。特征：吸收系数随波长增大而增强。 (跃迁能量间隔小，参与声子少跃迁能量间隔小，参与声子少) h 自由载流子等吸收自由载流子等吸收 kE k 直接跃迁直接跃迁 间接跃迁间接跃迁 101 4.激子吸收激子吸收 激子：激子： 处于禁带中的电子与价带中的空穴在处于禁带中的电子与价带中的空穴在 库仑场作用下束缚在一起形成的电中库仑场作用下束缚在一起形成的电中 性系统。激子可以在整个晶体中运动，性系统。激子可以在整个晶体中运动， 不形成电流。不形成电流。 激子吸收：激子吸收： 价带电子受激跃至禁带，形成激子。价带电子受激跃至禁带，形成激子。 激子吸收特征：激子吸收特征： 5.晶格

52、吸收晶格吸收 光子能量直接转换成晶格振动动能。光子能量直接转换成晶格振动动能。 g Eh 102 # 半导体的光吸收半导体的光吸收 机理：载流子吸收光能跃迁；机理：载流子吸收光能跃迁； 晶格振动吸收光能。晶格振动吸收光能。 机制：本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收，机制：本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收， 激子吸收，晶格振动吸收。激子吸收，晶格振动吸收。 条件：能量守恒条件：能量守恒- 动量守恒动量守恒- Eh 光光子子动动量量= =hkhk- kk hk = = 光光子子动动量量 103 三、半导体的光辐射三、半导体的光辐射 处于激发态处于激发态(高能态高能态)的电子跃迁至低能态，能量以光

53、辐的电子跃迁至低能态，能量以光辐 射射(光子光子)形式释放形式释放-光辐射。光辐射。 光辐射光辐射光吸收逆过程。光吸收逆过程。 g Eh 1.辐射跃迁过程辐射跃迁过程 1).本征跃迁本征跃迁 导带电子跃迁到价带，与空穴复合。导带电子跃迁到价带，与空穴复合。 直接跃迁直接跃迁(直接复合直接复合)： 能量守恒：能量守恒： 波矢相等：辐射效率高。波矢相等：辐射效率高。 间接跃迁间接跃迁(间接复合间接复合)： 能量守恒：能量守恒： 波矢不等：辐射效率低。波矢不等：辐射效率低。 pg nEEh kE k 直接跃迁直接跃迁 间接跃迁间接跃迁 104 1.辐射跃迁过程辐射跃迁过程 2).非本征跃迁非本征跃迁

54、 a.导带电子跃迁到杂质能级；导带电子跃迁到杂质能级； b.杂质能级电子跃迁到价带；杂质能级电子跃迁到价带； c.杂质能级电子跃迁到杂质能级；杂质能级电子跃迁到杂质能级； d.激子复合：激子复合：激子中电子与空穴复合，激子中电子与空穴复合， e.等电子中心复合：等电子中心复合： 等电子：同价原子替代晶体原子。等电子：同价原子替代晶体原子。 等电子中心：等电子中心：替代原子与晶体原子序数不同，内层原子结构不替代原子与晶体原子序数不同，内层原子结构不 同，电负性不同。原子序数小，对电子亲和力大，易俘获电子，同，电负性不同。原子序数小，对电子亲和力大，易俘获电子， 形成负电中心。反之，形成正电中心。

55、该中心成为等电子中心。形成负电中心。反之，形成正电中心。该中心成为等电子中心。 等电子中心复合：等电子中心俘获相反类型载流子，形成激子等电子中心复合：等电子中心俘获相反类型载流子，形成激子- 复合。复合。 f.等分子中心复合：等分子中心复合： 等分子中心：等分子中心：化合物材料中分子被另一种等价分子替代，电负化合物材料中分子被另一种等价分子替代，电负 性不同，形成等分子中心。性不同，形成等分子中心。 等分子中心复合：等分子中心复合：等分子中心俘获电子，形成负电中心，再俘等分子中心俘获电子，形成负电中心，再俘 获相反类型载流子，形成激子获相反类型载流子，形成激子-复合。复合。 束缚能；束缚能；

56、Eh 105 2.光子与电子相互作用的物理过程光子与电子相互作用的物理过程 a.光的自发辐射光的自发辐射 处于激发态的电子以处于激发态的电子以一定几率、随机一定几率、随机地跃迁地跃迁 至低能态与空穴复合发光。至低能态与空穴复合发光。 特征：特征：非相干光非相干光-发光二极管发光二极管工作基础。工作基础。 b.光的受激辐射光的受激辐射 高能电子在光子作用下，跃迁至能量差与光高能电子在光子作用下，跃迁至能量差与光 子能量相等的低能级，同时发射另一个与入子能量相等的低能级，同时发射另一个与入 射光子射光子全同全同的光子。的光子。 特征：特征：相干光相干光激光器激光器工作基础。工作基础。 c.光的受激

57、吸收光的受激吸收 低能态电子吸收光子能量跃迁高能态低能态电子吸收光子能量跃迁高能态 。 特征：特征：光电探测器光电探测器太阳电池太阳电池CCD工作基础。工作基础。 106 a.光的自发辐射光的自发辐射 自发发射自发发射(辐射辐射)速率速率 r21(sp)： 单位时间、单位体积内从单位时间、单位体积内从E2能级跃迁到能级跃迁到E1能级的电子数。能级的电子数。 与：与： 电子占据电子占据E2能级几率、能级几率、E2能级密度，能级密度， 电子未占据电子未占据E1能级几率、能级几率、 E1能级密度成正比。能级密度成正比。 爱因斯坦自发辐射系数爱因斯坦自发辐射系数 21 A kT EE Ef kT EE

58、 Ef EfENEfENAspr FF VC 1 1 2 2 11222121 exp1 1 1; exp1 1 1)()( E2 E1 107 受激发射受激发射(辐射辐射)速率速率r21(st)： 单位时间、单位体积内，在能量为单位时间、单位体积内，在能量为hv=E2- E1光子作用下从光子作用下从E2能能 级跃迁到级跃迁到 E1能级电子数。能级电子数。 显然：受激发射速率与电子占据显然：受激发射速率与电子占据E2能级几率、能级几率、E2能级密度，能级密度， 电子未占据电子未占据E1能级几率、能级几率、 E1能级密度，光子流密度正比。能级密度，光子流密度正比。 b.光的受激辐射光的受激辐射

59、数数：爱爱因因斯斯坦坦受受激激发发射射系系光光子子密密度度 21 1 1 2 2 11222121 ;: )( exp1 1 1; exp1 1 )(1)()( Bh kT EE Ef kT EE Ef hEfENEfENBstr FF VC E2 E1 108 c.光的受激吸收光的受激吸收 受激吸收速率受激吸收速率r12 (st)： 单位时间、单位时间、 单位体积内单位体积内E1能级上电子在能量为能级上电子在能量为hv=E2- E1光子作光子作 用下，跃迁到用下，跃迁到E2能级电子数。能级电子数。 显然：受激吸收速率与电子占据显然：受激吸收速率与电子占据E1能级几率、能级几率、E1能级密度，

60、能级密度， 电子未占据电子未占据E2能级几率、能级几率、 E2能级密度，光子流密度正比。能级密度，光子流密度正比。 数数：爱爱因因斯斯坦坦受受激激吸吸收收系系光光子子密密度度 12 2 2 1 1 22111212 ;: exp1 1 1; exp1 1 )(1 B kT EE Ef kT EE Ef hEfENEfENBstr FF CV E2 E1 109 3.自发发射、受激发射、受激吸收爱因斯坦系数的关系自发发射、受激发射、受激吸收爱因斯坦系数的关系 strstrspr 122121 自发辐射光子数自发辐射光子数受激辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数受激吸收光子数 热平衡条件下，总发