半导体光电材料基础-glearningtjueducn

半导体光电材料基础-glearningtjueducn第一页，共51页。第三章PN结第二页，共51页。3.1PN结的形成和杂质分布结（junction）：任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触（原子级接触），有时也称为接触（contact）。PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触所形成的结构。它是几乎所有半导体器件的基本单元。半导体结有同型同质结（如P-硅和P-硅）、同型异质结（P-硅和P-锗）、异型同质结（如P-硅和N-硅）、异型异质结（如P-硅和N-锗）。制备PN结的主要技术是硅平面工艺，主要包括：离子注入工艺、扩散工艺、外延工艺、光刻工艺、真空镀膜技术、氧化技术以及测试、封装工艺。第三页，共51页。采用单晶硅材料制作PN结的主要工艺过程第四页，共51页。采用单晶硅材料制作PN结的主要工艺过程第五页，共51页。3.1PN结的形成和杂质分布形成PN结最普遍的方法是杂质扩散。在实际问题中，扩散结通常用突变结和线性缓变结来近似地描述。

突变结：P区和N区杂质过渡陡峭。

线性缓变结：两区之间杂质过渡是渐变的。

单边突变结：一侧的杂质浓度远远大于另一侧杂质浓度的突变结。第六页，共51页。3.2热平衡PN结

PN结空间电荷区

当电中性的N型和P型半导体结合形成PN结时，由于它们之间存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从P区到N区、电子从N区到P区的扩散运动。电子和空穴的转移在N型和P型各别分别留下固定的施主离子和受主离子，建立了如图的两个电荷层。这些荷电的施主离子和受主离子称为空间电荷。内建电场：NP第七页，共51页。3.2热平衡PN结

PN结能带图PN形成PN结时，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区，P区费米能级不断上移，N区费米能级不断下移，直到两区的费米能级相等为止，PN结处于平衡状态。空间电荷区也称势垒区。第八页，共51页。3.2热平衡PN结内建电场使载流子向与扩散运动相反的方向做漂移运动。热平衡时，载流子的漂移电流和扩散电流互相抵消，净电流为零。建立了如图（c）的电荷分布。中性区：远离空间电荷区的P、N型区。不存在空间电荷，载流子浓度大，电阻小。耗尽区：空间电荷区。有固定电荷但无自由载流子（耗尽近似），电阻大，也称为势垒区。+-边界区：中性区和耗尽区之间区域。第九页，共51页。3.3加偏压的PN结

外加正向偏压V在势垒区产生与内建电场方向相反的电场，减弱了势垒区中的电场强度，这表明空间电荷相应减少，势垒区宽度减小，势垒高度下降。势垒区电场减弱，削弱了漂移运动，有助于载流子扩散通过PN结，形成大的电流。正偏压给PN结造成了低阻的电流通路。第十页，共51页。3.3加偏压的PN结

外加反向偏压VR势垒区宽度增加，势垒高度增加，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散。漂移运动占优势。通过PN结的电流非常小，结的阻抗很高。以上分析说明PN结具有单向导电性，又称整流特性。第十一页，共51页。3.3加偏压的PN结

非平衡载流子的电注入外加正向偏压时，产生了电子（空穴）从N（P）区向P（N）区的净扩散流，形成N（P）区的非平衡少数载流子。外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。非平衡少子在边界处浓度很大，边扩散边与P（N）区空穴（电子）复合，经过比扩散长度大若干倍距离后，全部被复合，非平衡少子浓度将为零。（如左图）第十二页，共51页。3.3加偏压的PN结

电注入下的准费米能级正向偏压下，在非平衡少子存在的区域内，统一费米能级分裂为电子准费米能级和空穴准费米能级。空穴扩散区内，电子浓度高，电子准费米能级可看作不变；空穴浓度变化很大，其准费米能级为一斜线，在注入空穴为零处与电子准费米能级相等。（电子扩散区类似）势垒区比扩散区小，准费米能级的变化忽略不计。电子扩散区势垒区+-NP空穴扩散区V第十三页，共51页。3.3加偏压的PN结

少数载流子的反向抽取外加反向偏压时，N（P）区边界处的空穴（电子）被势垒区的强电场驱向P（N）区，内部的少子来补充，形成反向偏压下的空穴（电子）扩散电流。等同于少子不断地被抽出来，称为少数载流子的抽取。第十四页，共51页。3.4理想PN结二极管的直流电流-电压特性PN结二极管(diode)是指封装好的两端整流器。电流只能沿着一个方向通过。一个二极管只包含一个PN结。PN结中的直流电流-电压关系（简称I-V特性）也称为PN结的直流特性。理想PN结的直流特性，基于以下几个基本假设：（1）忽略中性区的体电阻和接触电阻，外加电压全部降落在耗尽区上；（2）半导体均匀掺杂；（3）小注入；（4）空间电荷区内不存在复合电流和产生电流；（5）半导体非简并。第十五页，共51页。正向偏压下，注入的少子离开边界后便不断与多子复合。在N（P）区中的空穴（电子）电流随距离的增加而指数衰减。电流连续性要求总电流不变，因此多子电流随距离的增加而指数增加。PN3.4理想PN结二极管的直流电流-电压特性PN第十六页，共51页。3.4理想PN结二极管的直流电流-电压特性反向偏压下，势垒区电场的加强，几乎每一个能扩散到势垒区的少子都立刻被电场扫走。反向电流就是在PN结空间电荷区附近所产生的而又有机会扩散到空间电荷区边界的少子形成的。P（N）区中的电子（空穴）浓度很小，因而反向电流很小且呈饱和性质。PNNP第十七页，共51页。理想PN结的单向导电性：正向电流随外加电压e指数增加，反向电流则很小并达到饱和。肖克利（Shockley）方程:I0为二极管饱和电流。I03.4理想PN结二极管的直流电流-电压特性第十八页，共51页。3.4空间电荷区复合电流和产生电流实际的PN结中，电流-电压特性显著偏离肖克利方程，原因包括：空间电荷层内部载流子的复合和产生、外部接触电阻等因素。正向偏压注入载流子穿越空间电荷区，使得空间电荷区载流子浓度可能超过平衡值，即pn>ni2，会有非平衡载流子的复合。反向偏压情况下，空间电荷区中pn>ni2，引起非平衡载流子的产生。非平衡载流子的复合和产生将引起复合电流和产生电流。第十九页，共51页。3.4空间电荷区复合电流和产生电流正偏复合电流通过空间电荷区中的复合中心的非平衡载流子复合。ABCD:电子的注入电流；A’B’C’D’:空穴的注入电流。EFGH：空间电荷区中复合中心造成的复合电流。e-h+第二十页，共51页。3.4空间电荷区复合电流和产生电流正偏复合电流（复合率最大时，即Et

=Ei

）对于P+N，载流子注入引起的扩散电流与空间电荷区复合电流之比为：禁带宽度大的半导体材料，ni较小，空间电荷区复合电流较大。硅PN结比锗PN结空间电荷复合电流大。PN结轻掺杂区杂质浓度越大，将造成更多的复合中心，空间电荷区复合电流越大。正偏压越低，空间电荷区复合电流越显著。第二十一页，共51页。较低正偏压或工作电流小时，空间电荷区复合电流占优势。随正偏压增加，斜率增加，说明扩散电流变得主要。在高电流水平下，串联电阻造成的较大欧姆电压降支配着电流-电压特性。硅扩散结电流-电压特性斜率变化第二十二页，共51页。3.4空间电荷区复合电流和产生电流反偏产生电流CBAD:反向电子扩散电流；C’B’A’D’：反向空穴扩散电流。EFGH：空间电荷区中复合中心引起的产生电流。e-h+空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而增加，因此反偏产生电流随之增加，实际PN结反向电流不饱和。第二十三页，共51页。3.5PN结击穿PN结击穿(junctionbreakdown)：PN结反向电压超过某一数值时，反向电流急剧增加的现象称为“PN结击穿”，这时的电压称为击穿电压（VR）。VRIVPN结击穿机制热效应齐纳击穿（隧道击穿）雪崩击穿器件设计中要考虑的最重要问题之一：结的击穿。第二十四页，共51页。雪崩击穿

3.5PN结击穿

PN结加大的反向偏压

载流子从电场获得能量

载流子与势垒区晶格碰撞能量足够大时价带电子被激发到导带产生电子－空穴对新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴载流子倍增硅PN结发生雪崩击穿的电场强度为105-106

V/cm属于非破坏性可逆击穿。第二十五页，共51页。在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，从而形成反向隧道电流。属于非破坏性可逆击穿。隧道击穿机制用于描述具有低击穿电压的结。如硅PN

结，VB<4.5V

雪崩击穿机制适用于在高电压下击穿的结，如硅PN

结，VB>6.7V3.5PN结击穿齐纳击穿（隧道击穿）第二十六页，共51页。热击穿热损耗局部升温电流增加

属于破坏性不可逆击穿

3.5PN结击穿第二十七页，共51页。课程主要内容：第一章半导体光电材料概述第二章半导体物理基础第三章PN结第四章金属-半导体结第五章半导体异质结构第六章半导体太阳能电池和光电二极管第七章发光二极管和半导体激光器第八章量子点生物荧光探针第二十八页，共51页。第四章

金属-半导体（M-S）结第二十九页，共51页。引言金属—半导体形成的冶金学接触叫做金属-半导体结（M-S结）或金属-半导体接触。把须状的金属触针压在半导体晶体上或者在高真空下向半导体表面上蒸镀大面积的金属薄膜都可以实现金属-半导体结，前者称为点接触，后者则相对地叫做面接触。M-S接触分为：肖特基接触（整流效应，整流结）欧姆接触（欧姆效应，非整流结）理想M-S接触的特点：1.金属和半导体在原子尺度上紧密接触，在两者之间不存在任何类型的夹层；2.金属和半导体之间不存在互扩散或混合；3.在MS界面没有吸附的杂质或表面电荷。第三十页，共51页。非整流结不论外加电压的极性如何都具有低的欧姆压降而且不呈整流效应。所有半导体器件都需要用欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。到70年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有重复性的金属-半导体接触，使金属-半导体结器件获得迅速的发展和应用。引言金属-半导体器件中最主要包括：肖特基势垒二极管、肖特基势垒场效应晶体管。金属-半导体结器件是形成金属-半导体器件的基础。历史上，第一个实用的半导体器件是金属－半导体二极管。第三十一页，共51页。4.1肖特基势垒4.1.1肖特基势垒的形成－半导体功函数－金属的功函数－半导体的电子亲和势假设半导体表面没有表面态，半导体能带直到表面都是平直的。E0：真空能级接触后，半导体中的电子转移到金属，使二者的费米能级拉平。半导体表面出现带正电的空间电荷层，金属表面出现带负电的空间电荷层。第三十二页，共51页。对于从金属流向半导体的电子，需跨越势垒高度：或其中：4.1肖特基势垒4.1.1肖特基势垒的形成金属表面空间电荷层很薄（约0.5nm）；半导体的空间电荷层相对要厚很多。热平衡时，半导体的能带向上弯曲，形成阻止半导体电子流向金属的势垒——内建电势差：肖特基势垒金属半导体第三十三页，共51页。4.1.2加偏压的肖特基势垒

正向偏压：在半导体上相对于金属加一负电压半导体-金属之间电势差减少为，变成4.1肖特基势垒未加偏压正向偏压金属一侧空间电荷层很薄，b基本保持不变。金属费米能级比半导体费米能级低qV。半导体一边势垒降低使得半导体中的电子更易于移向金属，能够流过大的电流。金属半导体金属半导体第三十四页，共51页。4.1.2加偏压的肖特基势垒

反向偏压：在半导体上相对于金属加一正电压半导体-金属之间电势差增加为，变成4.1肖特基势垒未加偏压反向偏压金属一侧空间电荷层很薄，b基本保持不变。金属费米能级比半导体费米能级高qVR。金属到半导体的电子流占优势，但需越过较高势垒，反向电流很小，具有饱和性质。金属半导体金属半导体肖特基势垒具有单向导电性即整流特性。第三十五页，共51页。4.2界面态对势垒高度的影响对于同一种半导体，将保持一定的值，根据 用不同金属与它形成的肖特基势垒高度应直接随金属功函数而变化。但大量实际测量结果表明，金属功函数对势垒高度没有多大影响。这是由于半导体表面存在表面态。第三十六页，共51页。4.2界面态对势垒高度的影响界面态的概念在实际的肖特基二极管中，在界面处半导体晶格的断裂产生大量能量状态，称为界面态或表面态，位于禁带内。界面态的特点界面态在半导体表面禁带中形成一定的分布，并可用一中性能级表征，其以下表面态刚好被电子填满时，表面呈电中性。当以下的状态空着时，表面带正电，类似于施主的作用。当以上的状态被占据时，表面带负电，类似于受主的作用。若与费米能级相同，则净表面电荷为零。第三十七页，共51页。4.2界面态对势垒高度的影响实际M-S接触中，当时，界面态的净电荷为正，类似于施主。正电荷和金属表面负电荷在金属和半导体之间的微小间隙中产生电势差，所以耗尽层内需要较少的电离施主以达到平衡。内建电势差被显著降低，势垒高度b也显著降低，EF更接近E0。W第三十八页，共51页。4.2界面态对势垒高度的影响当时，界面态中有负电荷。耗尽层内需要更多的电离施主以达到平衡。内建电势差增大，势垒高度b也显著增加，还是使EF更接近E0。第三十九页，共51页。界面态的电荷具有负反馈效应，它趋向于使和接近。若界面态密度很大，则费米能级实际上被钳位在（称为费米能级钉扎效应），而变成与金属和半导体的功函数无关。在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定的数值当中处于支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺杂度无关。4.2界面态对势垒高度的影响第四十页，共51页。4.3肖特基势垒二极管的电流-电压特性肖特基势垒的电流受到从半导体空间电荷层边缘向金属输运的载流子支配。正向偏压减小了耗尽层内的电场和势垒，使电子扩散通过耗尽层，再从半导体向金属发射。金属半导体室温下，大多数实用的肖特基势垒二极管的电流输运机制受到电子发射过程的限制，跨越空间电荷层的载流子扩散效应可忽略。正向偏压第四十一页，共51页。4.3肖特基势垒二极管的电流-电压特性热电子和热载流子二极管：当电子来到势垒顶上向金属发射时，它们的能量比金属电子高出约。进入金属之后它们在金属中碰撞以给出这份多余的能量之前，由于它们的等效温度高于金属中的电子，因而把这些电子看成是热的。金属半导体正向偏压由于这个缘故，肖特基势垒二极管有时被称为热载流子二极管。这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到平衡，这个时间一般情况小于。第四十二页，共51页。4.3肖特基势垒二极管的电流-电压特性正反偏压下的电流-电压特性：其中，理查森－杜师曼方程（Richardson-dushman）有效理查森常数称为理想化因子，它是由非理想效应引起的。对于理想的肖特基势垒二极管，。W-Si和W-GaAs肖特基二极管正向电流密度与电压的对应关系第四十三页，共51页。4.3肖特基势垒二极管的电流-电压特性热电子发射电流是跨越肖特基势垒的多数载流子（电子）电流。存在一少数载流子电流，即由半导体价带顶附近的电子流向金属费米能级以下的空状态形成的，也可认为是由空穴从金属注入半导体形成的。金属半导体正向偏压其中，肖特基势垒电流基本上是由多子传导的，少子电流可忽略。第四十四页，共51页。4.4金属-绝缘体-半导体肖特基二极管基本结构

在实际情况中，当金属接触被蒸发到化学制备的Si表面上时，金属和半导体之间界面上总有一层很薄的氧化层。一般为，形成金属-绝缘体-半导体MIS结构。在MIS肖特基二极管中，传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成的。若外加电压不变，薄氧化层（<2nm）只减少多子电流，不影响少子电流。这导致少子电流与多子电流的比率的增长。结果是增加了少子的注入