固体与半导体物理第七章

1、第1页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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第2页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二(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结处于平衡态第3页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二(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第4页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二3.能带

2、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？第5页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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第6页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二(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，杂质全电离第7页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二(2)电势能qV(x) 势

3、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处的电子浓度第8页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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第9页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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结的伏安特性第10页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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第11页，

4、共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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）扩散区第12页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二 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

5、 穴 扩 散电 子 漂 移电 子 扩 散空 穴 漂 移第13页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二 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结第14页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二 4.Pn结正向电流公式第15页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二平衡pn结正向偏压下第16页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二同样第17页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二 （二)反向偏压下pn结的特性非子的产生 1.Pn结势垒的

6、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第18页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二 3.反向pn结的能带图第19页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二（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第20页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二（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

7、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第21页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二三.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第22页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二2.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第23页，共59页，2022年，5月20日，

8、9点31分，星期二四.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第24页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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结发生隧道击穿第25页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二（三）两种击穿的主

9、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 隧道击穿为主第26页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二7.2 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第27页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二 二.表面态（1）从能带角度当晶体存在表面，

10、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第28页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二（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结构第29页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二2.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:正空间电荷层第30页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二C:表面势为D:空间

11、电荷层能带弯曲电子势垒空穴势阱n型P型（2）n型P型第31页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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第32页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二3.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第33页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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

12、耗尽状态耗尽层参考能级第34页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二反型层耗尽层（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第35页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二1.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第36页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二2.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

13、重要物理参数第37页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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 型阻挡层第38页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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 型阻挡层第39页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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

14、电能带由体内到表面向上弯曲形成电子势垒第40页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二2.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第41页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二3.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型第42页，共59页，2022年，5月20日，9点31

15、分，星期二1.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。第43页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二（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正反向偏压统一第47页，共59页，20

16、22年，5月20日，9点31分，星期二是势垒高度 和温度 的函数势垒高度 对肖特基势垒二极管电流的影响第48页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二3.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 第49页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二四.欧姆接触接触电阻小电流电压关系应

17、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。 高掺杂第50页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二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-p Ge-GaAs n-n Ge-GaAs第51页，共59页，2022年，

18、5月20日，9点31分，星期二（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-n Ge-GaAs n-p Ge-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异质结第52页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二形成突变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 能带发生弯曲第53页，共59页，2022年，5月20日，9点31分，星期二能带总的弯曲量 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”第54页，共59页，