半导体物理学第七章

1、一一半导体中的电子状态半导体中的电子状态二二半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级三三半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布四四半导体的导电性半导体的导电性五五非平衡载流子非平衡载流子六六pn结结七七金属和半导体的接触金属和半导体的接触八八半导体表面与半导体表面与MIS结构结构l制造半导体器件或研究半导体材料的性质；总要涉l及到金半接触如：l1器件内引线（集成电路各元件的互连线）l2外引线l3汞探针c-v测载流子浓度；四探针（钨丝）测电 l 阻率l金属半导体接触类型：l1.半导体为轻掺杂（一般 ），金 l 半接触表现为单向导电（具有整流作用），这 l 种接触称为肖特基接触（sc

2、hottky-contact） l （整流接触）l 应用：微波开关二极管；太阳能电池；整流器 （面积大,功率大，作开关型稳压源）；1735 10/Ncml ；箝位二极管（用于集成电路“IC”，限制深饱和）（肖特基势垒二极管）l2半导体为重掺杂（ ），金半接 l 触表现为（正反向偏压）低阻特性。称欧姆接触 l （非整流接触）V-I特性对称。l 应用：器件引线（外引线及集成电路中的内线）l两种接触的伏安特性：l l 2035 10/Ncm VIo2：欧姆接触：欧姆接触1：整流接触（肖特基接触）：整流接触（肖特基接触）IVR金属/半导体接触和肖特基势垒lM/S接触（Contact）为金属（M）与半导

3、体（S）接触形成的基本结构，通常形成肖特基势垒(Shottky Barrier)，其中肖特基势垒是M/S肖特基接触的主要特征。在特定的条件下M/S接触可形成欧姆（Ohmic）型接触。l影响肖特基势垒的因素有：金属和半导体的功函数、金属感应的镜像电荷产生的镜像势、界面的陷阱态能级及其密度等l欧姆接触，可为半导体器件之间的连接提供的低阻互连l肖特基二极管，可作为整流结（肖特基势垒）器件使用M/S接触的形成lM/S结构通常是通过在干净的半导体表面淀积金属而形成。利用金属硅化物（Silicide）技术可以优化和减小接触电阻，有助于形成低电阻欧姆接触。 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数l功函数功

4、函数: W= EVAC-EF, ( EVAC -真空中静止电子的能量真空中静止电子的能量,亦记作亦记作E0 )l功函数给出了固体中功函数给出了固体中EF处的电子逃逸到真空所处的电子逃逸到真空所需的最小能量需的最小能量. 金属功函数金属功函数 Zl关于关于功函数的几点说明功函数的几点说明: 对金属而言对金属而言, 功函数功函数Wm可看作是固定可看作是固定的的. 功函数功函数Wm标志了电子在金属中被束标志了电子在金属中被束缚的程度缚的程度. 对半导体而言对半导体而言, 功函数与掺杂有关功函数与掺杂有关 功函数与表面有关功函数与表面有关. 功函数是一个统计物理量功函数是一个统计物理量l对半导体对半导

5、体, ,电子亲和能电子亲和能是固定的是固定的, ,功函功函数与掺杂有关数与掺杂有关 图7-3l表表7-1 半导体功函数与杂质浓度的关系半导体功函数与杂质浓度的关系 n型半导体型半导体: WS=+(EC-EF) p型半导体型半导体: WS=+Eg-(EF-EV)热平衡情形下M/S接触的能带图l假设金属与半导体功函数差为：Wms，且一般情况下不为0。l当金属和半导体形成接触时，如果二者的功函数不同（费米能级不等），则会发生载流子浓度和电势的再分布，形成肖特基势垒。通常会出现电子从功函数小（费米能级高）的材料流向功函数大的材料，直到两材料体内各点的费米能级相同（即Ef 常数）为止。半导体体内载流子的

6、再分布会形成载流子耗尽或积累，并在耗尽区或积累区发生能带弯曲，而在金属体内的载流子浓度和能带基本没有变化。一种典型情况一种典型情况: : 讨论讨论M/nM/n型半导体型半导体, WmWs(, WmWs(阻挡层）阻挡层）接触电势差接触电势差-为了补偿两者功函数之差为了补偿两者功函数之差,金属与半导体之间产生电势差金属与半导体之间产生电势差: Vms Vms=(Ws Wm)/e=(Ws Wm)/e 当当WmWs WmWs , VmsVms0 (Ws 能带上弯能带上弯-电子势垒电子势垒 空间电荷空间电荷电离施主电离施主 WmWs电子势垒电子势垒WmWs 能带上弯能带上弯-空穴势阱空穴势阱 空间电荷空

7、间电荷空穴积累空穴积累 WmWs 能带下弯能带下弯-空穴势垒空穴势垒 空间电荷空间电荷电离受主电离受主WmWs空穴势阱空穴势阱肖特基二极管的偏置及其IV特性）定性图象定性图象-阻挡层的整流作用阻挡层的整流作用: ( (仍讨论仍讨论M/n-SM/n-S 形成电子势垒形成电子势垒) ) M/SM/S接触是多子器件接触是多子器件. . 对对M/n-SM/n-S 形成的形成的电子势垒电子势垒, , 其输运特性主要由电子决定其输运特性主要由电子决定. . 正向偏置正向偏置, , 半导体一侧电子势垒降低半导体一侧电子势垒降低, , 可可形成较大的正向电流形成较大的正向电流. . 反向偏置反向偏置, , 半

8、导体一侧电子势垒升高半导体一侧电子势垒升高, , 反反向电流很小向电流很小. . 当反向偏置加大当反向偏置加大, ,反向电流可反向电流可趋于饱和趋于饱和. .图图7-10l1938年，W. Schottky提出了基于整流二极管的理论，称为肖特基二极管理论。这一理论以金属和半导体功函数差为基础。l要定量讨论要定量讨论I-V特性特性,必须讨论电子是怎样必须讨论电子是怎样越过势垒的越过势垒的. 两种近似模型两种近似模型: 扩散理论扩散理论势垒区较厚势垒区较厚,制约正向电流制约正向电流的主要是电子在空间电荷区的扩散过程的主要是电子在空间电荷区的扩散过程 热电子发射理论热电子发射理论载流子的迁移率较高载

9、流子的迁移率较高,电子能否通过势垒区电子能否通过势垒区,主要受制于势垒高主要受制于势垒高度度.热电子发射热电子发射 理论的结果理论的结果 其中其中 有效里查孙常数有效里查孙常数 (书上书上,表表7-4)(1)eVkTsTjje2 SBekTsTjA T e234 ek mAhn为理想因子，I0为与不依赖电压的部分，非理想效应用n的取值来反映，n 通常取1.0-1.21）其中I0 通过外推得到。2） 可以从以前的式子得到势垒高度，在分析中势垒降低必须考虑。3）n从曲线斜率得到。 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管(Schottky Barrier DiodeSBD )lp-n结二极管结二极管l肖特

10、基势垒二极管肖特基势垒二极管223(1), 4 , SBeVkTsTekTsTjjeek mjA T eAh00(1), eVkTSSnpeDeDJJeJpnLL肖特基势垒二极管是多子器件肖特基势垒二极管是多子器件, 有优良的有优良的高频特性高频特性. 一般情况下一般情况下, 不必考虑少子的注入和复合不必考虑少子的注入和复合.肖特基势垒二极管有较低的正向导通电肖特基势垒二极管有较低的正向导通电压压. 反向击穿电压较低反向击穿电压较低,反向漏电较高反向漏电较高.肖特基势垒二极管具有制备上的优势肖特基势垒二极管具有制备上的优势. 欧姆接触欧姆接触l欧姆接触欧姆接触是金属是金属- -半导体接触的另一个重半导体接触的另一个重要应用要应用作为器件引线的电极接触作为器件引线的电极接触( (非整非整流接触流接触). ).l欧姆接触的欧姆接触的要求要求: : 接触电阻应小到与半导接触电