电子工程物理基础v1.1(5-2)

1、唐洁影唐洁影东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制5.1 半导体与外界作用5.2 半导体与半导体5.3 半导体与金属5.4 半导体与绝缘体5.3 5.3 半导体与金属半导体与金属（metal-semiconductor contact）s sm ms sm ms sm ms sm mW WW WW WW WP P型型半半导导体体金金属属W WW WW WW Wn n型型半半导导体体金金属属四四种种类类型型功函数功函数电子亲和能1. 能带图能带图(1) M-S(n型型), WmWsnsDssnsDssmsmsqqqVWqVWWWn

2、型阻挡层型阻挡层D Dm ms sq qV VW WW W(2) M-S(n型型) , WmWsm ms ss ss sD Dnsnsm ms sD DW WW WqVqVq qW WW WqVqV)(n型反阻挡层型反阻挡层(3) M-S(p型型) , WmWsp型反阻挡层型反阻挡层s sm ms ss sD Dpspss sm mD D- -W WW WqVqVq qW WW WqVqV)(P型半导体的价带电子向金属一侧转移（对阻挡层而言）（对阻挡层而言） 金属与半导体接触可以形成金属与半导体接触可以形成阻挡层阻挡层（肖特基势垒（肖特基势垒Schottky Barrier）与）与反阻挡层反阻

3、挡层，前者具有与，前者具有与p-n结相似的结相似的整流特性整流特性，而，而后者具有后者具有欧姆特性欧姆特性。外加电压对外加电压对n型半导体的影响：型半导体的影响：（1）加正电压（金属接）加正电压（金属接“+”）2. 整流特性整流特性势垒高度随外势垒高度随外加正电压的增加正电压的增加而降低加而降低, ,因此因此由半导体流向由半导体流向金属的净电子金属的净电子流增加流增加. .（2）加反向电压（金属接）加反向电压（金属接“”）势垒高度随外加反电压的增加而身升高势垒高度随外加反电压的增加而身升高, ,因而从半导体到金因而从半导体到金属的电子减少属的电子减少, ,反向电流主要由金属到半导体的电子流构成

4、反向电流主要由金属到半导体的电子流构成, ,金属净电子流增加金属净电子流增加. .实际实际I-V特性将偏离理想情况。如特性将偏离理想情况。如1. 反向电流不饱和现象反向电流不饱和现象2.正向电流上升比较缓慢正向电流上升比较缓慢.3.肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管(1) 结构结构光刻产生的陡削的边沿光刻产生的陡削的边沿Si-SiOSi-SiO2 2界面存在正固定电荷界面存在正固定电荷拐角处有过拐角处有过量的电流量的电流(2)(2)与与p-np-n结二极管的比较结二极管的比较主要特点是主要特点是: :1.SDB1.SDB是多数载流子器件是多数载流子器件, ,而p-n结二极管电流取决于非平衡少数载

5、流子的扩散运动. 2. p-n2. p-n结二极管中结二极管中, ,少数载流子注入造成非平衡载流子在势垒区两侧界面的积累,外加电压变化,电荷积累和消失需有一弛豫过程( (电荷存储效应电荷存储效应),),严重影响了严重影响了p-n结二极管的高频性结二极管的高频性能能. .SDBSDB器件不发生电荷存储现象器件不发生电荷存储现象, ,使得它在高频、高速器件中使得它在高频、高速器件中有重要作用。有重要作用。3.SDB3.SDB的正向开启电压比的正向开启电压比p-np-n的低；而反向饱和电流比的低；而反向饱和电流比p-np-n的的大。大。这是因为多数载流子电流远高于少数载流子电流。SDBSDB中通常存

6、在额外的漏电流和软击穿（拐角效应）。中通常存在额外的漏电流和软击穿（拐角效应）。4.欧姆接触（欧姆接触（Ohmic Contact） 由于由于表面态的影响表面态的影响，不能通过选择金属的功函数来实现，不能通过选择金属的功函数来实现欧欧姆接触（理论上说，姆接触（理论上说，WmWns WmWpsWmWps可形成反阻挡层）。可形成反阻挡层）。 在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触欧姆接触。采用重掺杂半导体与金属接触采用重掺杂半导体与金属接触。 从电学上讲，理想的欧姆接触的接触电阻应当很小，同时还从电学上讲，理想的欧姆接触的接

7、触电阻应当很小，同时还应具有线性的和对称的电流应具有线性的和对称的电流电压关系。电压关系。（1）表面态对接触势垒的影响）表面态对接触势垒的影响WmWsWmWs（2）欧姆接触的实现）欧姆接触的实现用重掺杂的半导用重掺杂的半导体与金属接触体与金属接触第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制5.1 半导体与外界作用5.2 半导体与金属5.3 半导体与半导体5.4 5.4 半导体与绝缘体半导体与绝缘体5.4 5.4 半导体与绝缘体半导体与绝缘体一一.绝缘栅结构绝缘栅结构类似于半导体-半导体结构，从能带图入手分析半导体-绝缘体结构与金-半接触，p-n结相比，这种利用绝缘墙壁、区域位置、掺杂类

8、型和外加电势等因素综合控制载流子浓度的设计，使电子的控制技术达到了一个全新的高度，促成了我们目前最基本和常见的MOS晶体管的诞生。反型层反型层P型变为n 型+ -二二.介质电荷介质电荷半导体硅器件表面的绝缘层（介质层）半导体硅器件表面的绝缘层（介质层）SiO2绝缘层质量，影响器件稳定性绝缘层质量，影响器件稳定性主要是钠离子，温度或偏压主要是钠离子，温度或偏压下迁移，影响器件稳定性。下迁移，影响器件稳定性。存在于存在于Si-SiO2界面处的几十界面处的几十nm范围内，电荷密度相对稳定，范围内，电荷密度相对稳定，位置相对固定，影响位置相对固定，影响C-V特性。特性。Si-SiO2界面处位于禁带中的

9、界面处位于禁带中的能级或能带，可以迅速与半导能级或能带，可以迅速与半导体交换电荷。体交换电荷。SiO2层中层中存在存在可动离子可动离子固定表面电荷固定表面电荷Si-SiO2界面处界面处的快界面态的快界面态电离陷阱电离陷阱电荷电荷由于各种工艺原因或由于各种工艺原因或x射线，射线，射线、射线、电子射线等引起。电子射线等引起。三三.表面态表面态半导体绝缘空气表面的硅原子存在不饱和键（悬挂键）。晶体缺陷或吸附原子引起表面态施主型受主型表面能态被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性。表面能态空着时呈电中性，接受电子后呈负电性。硅表面存在悬挂键在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、氧化物或与电解液

10、中的物质发生作用等原因，表面电子之量子状态会形成分立的能级或很窄的能带，称为表面态。它可以俘获或释放载流子，或形成复合中心，使半导体带有表面电荷，影响其电性能。表面的硅原子存在不饱和键（悬挂键），与体内交换电子或空穴体内电子到表面，表面带负电表面可能为多子耗尽层或耗尽层+ p型反型层体内空穴到表面，表面带正电表面可能存在多子耗尽层或耗尽层+ n型反型层若n型半导体的EF低于ESF,如何分析?若p型半导体的EF高于ESF,如何分析?表面吸附原子，形成表面态。表面吸附原子，形成表面态。吸附氧化性气体吸附还原性气体例，氧原子的电子亲和能例，氧原子的电子亲和能（实验值（实验值146kJ/mol146kJ/mol）高于硅）高于硅原子（实验值原子