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1、第七章第七章 半导体器件物理基础半导体器件物理基础 P Pn n结结 金属半导体接触金属半导体接触7.1 7.1 P Pn n结结P Pn n结的形成结的形成单向导电性单向导电性同种材料形成的同种材料形成的P Pn n结结 同质结同质结不同种材料形成的不同种材料形成的P Pn n结结 异质结异质结一一.平衡平衡P Pn n结结 (一一)P)Pn n结的杂质分布结的杂质分布合金法合金法离子注入法离子注入法扩散法扩散法外延生长法外延生长法1.1.突变结突变结在结处杂质分布突然变化在结处杂质分布突然变化2.2.缓变结缓变结在结处杂质分布随距离变化在结处杂质分布随距离变化(二二)p)pn n结的空间电
2、荷区结的空间电荷区1.1.空间电荷区空间电荷区 载流子浓度不均匀产生扩散载流子浓度不均匀产生扩散2.2.自建场自建场从从n n区指向区指向p p区区平衡时，扩散运动平衡时，扩散运动=漂移运动漂移运动 空间电荷区和自建场一定空间电荷区和自建场一定 P Pn n结处于平衡态结处于平衡态(三）能带图三）能带图1.1.载流子的扩散是由于两区费米能级不一致所引起的载流子的扩散是由于两区费米能级不一致所引起的2.2.平衡平衡p-np-n结，具有统一的费米能级结，具有统一的费米能级3.3.能带弯曲的原因能带弯曲的原因自建场自建场从从n区区 p区区电势电势 V(xV(x)从从n n区到区到 p p区区电势能电
3、势能qV(xqV(x)从从n n区到区到 p p区区(四四)p-np-n结的接触电势差结的接触电势差接触电势差接触电势差p p区和区和n n区电势之差区电势之差势垒高度势垒高度 从载流子浓度公式如何理解？从载流子浓度公式如何理解？势垒区势垒区空间电荷区空间电荷区结区结区与哪些因素有关？与哪些因素有关？n n区平衡电子浓度区平衡电子浓度P P区平衡电子浓度区平衡电子浓度同为一区域同为一区域(五五)P Pn n结的载流子分布结的载流子分布P P区电势低于区电势低于n n区电势区电势(1)1)电势电势V(xV(x)p p区：区：n n区：区：势垒区中任一点势垒区中任一点x x的电势的电势V(xV(x
4、)为正值为正值常温下，杂质全电离常温下，杂质全电离(2)电势能电势能qV(x)势垒区内任一点势垒区内任一点x x处的电势能处的电势能比比n n区电子的电势能高区电子的电势能高(3)(3)势垒区内载流子分布势垒区内载流子分布A:A:势垒区内势垒区内x x处的电子浓度处的电子浓度B:B:势垒区内势垒区内x x处的空穴浓度处的空穴浓度(4)4)估算势垒区内某一处的载流子浓度估算势垒区内某一处的载流子浓度 A:A:假如假如x x处的势能比处的势能比n n区势能高区势能高0.1ev0.1evB:结区的载流子浓度很小，已经耗尽。结区的载流子浓度很小，已经耗尽。耗尽区耗尽区二二.非平衡非平衡p pn n结结
5、正向正向反向反向P Pn n结的伏安特性结的伏安特性P Pn n结的单向导电性是因为势垒的存在结的单向导电性是因为势垒的存在（一）正向偏压下（一）正向偏压下p pn n结的特性结的特性非子的注入非子的注入 1.p1.pn n结势垒的变化结势垒的变化势垒高度降低势垒高度降低势垒宽度变窄势垒宽度变窄扩散扩散 复合复合载流子的扩散运动大于漂移运动载流子的扩散运动大于漂移运动电子从电子从n n区到区到p p区，空穴从区，空穴从p p区到区到n n区的净扩散流区的净扩散流构成从构成从p p区到区到n n区的正向电流区的正向电流 2.2.载流子在势垒区外的运动载流子在势垒区外的运动（1 1）非子的注入）非
6、子的注入在在 处存在电子的积累，成为处存在电子的积累，成为p p区的非平衡少数载流子区的非平衡少数载流子 在在 处存在空穴的积累，成为处存在空穴的积累，成为n区的非平衡少数载流子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外加电压，使非平衡载流子进入半导体的过程 非子电注入非子电注入（2 2）扩散区）扩散区 在该区完成了少子扩散电流与多子漂移电流的转换在该区完成了少子扩散电流与多子漂移电流的转换(3)(3)中性区中性区载流子浓度接近平衡值载流子浓度接近平衡值主要是多子的漂移电流主要是多子的漂移电流 通过任一截面通过任一截面电子电流和空穴电流不相等电子电流和空穴电流不相等电流连续
7、性原理电流连续性原理通过任一截面的总电流相等通过任一截面的总电流相等空空 穴穴 扩扩 散散电电 子子 漂漂 移移电电 子子 扩扩 散散空空 穴穴 漂漂 移移 3.正向正向pn结能带图结能带图平衡平衡p pn n结能带图结能带图正向偏压下正向偏压下p pn n结能带图结能带图(1)(1)势垒区和扩散区存在非子势垒区和扩散区存在非子(2)(2)中性区非子基本复合完毕中性区非子基本复合完毕电流通过电流通过p pn n结结 4.Pn结正向电流公式结正向电流公式平衡平衡p pn n结结正向偏压下正向偏压下同样同样（二（二)反向偏压下反向偏压下p pn n结的特性结的特性非子的产生非子的产生 1.P 1.
8、Pn n结势垒的变化结势垒的变化在反偏下在反偏下势垒区加宽势垒区加宽势垒高度增高势垒高度增高漂移运动大于扩散运动漂移运动大于扩散运动 2.2.少子的抽取少子的抽取边界处的少子扫向对方，体内补充边界处的少子扫向对方，体内补充 少子的抽取少子的抽取扩散扩散 抽取抽取 3.3.反向反向p pn n结的能带图结的能带图（1 1）势垒区和扩散区存在非子）势垒区和扩散区存在非子正偏正偏反偏反偏（2 2）正偏正偏反偏反偏扩散区存在少子注入扩散区存在少子注入扩散区存在少子抽取扩散区存在少子抽取这两个区这两个区4.P4.Pn n结反向电流公式结反向电流公式反向饱和电流密度反向饱和电流密度（三）理想（三）理想p
9、pn n结的电流电压公式结的电流电压公式1.1.小注入小注入2.2.突变耗尽层突变耗尽层3.3.忽略势垒区中载流子的产生和复合忽略势垒区中载流子的产生和复合4.4.载流子分布满足玻尔兹曼分布载流子分布满足玻尔兹曼分布从从p p区流向区流向n n区的正向电流区的正向电流从从n n区流向区流向p p区的反向电流区的反向电流 实际实际pn结的电流电压公式与理想有较大的偏差结的电流电压公式与理想有较大的偏差三三.p.pn n结电容结电容“存存”“放放”电荷的特性电荷的特性1.1.势垒电容势垒电容正偏正偏反偏反偏 势垒区的空间电荷数量随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外加电压的变化
10、所产生的电容效应发生在势垒区发生在势垒区2.扩散电容扩散电容 扩散区的电荷数量随扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应外加电压的变化所产生的电容效应发生在扩散区发生在扩散区3.3.说明说明(1)(1)电容值随外加电压变化电容值随外加电压变化 可变电容可变电容(2)(2)反偏时，势垒电容为主，扩散电容很小反偏时，势垒电容为主，扩散电容很小正偏时，既有势垒电容，也有扩散电容正偏时，既有势垒电容，也有扩散电容（3 3）势垒电容效应明显，扩散电容效应不明显）势垒电容效应明显，扩散电容效应不明显四四.p.pn n结击穿结击穿击穿电压击穿电压1.1.雪崩击穿雪崩击穿 碰撞电离引起载流子倍增碰撞电
11、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反偏压很大势垒区电场很强势垒区电场很强A:A:势垒高度势垒高度B:B:能带很倾斜能带很倾斜 C:P C:P区价带顶比区价带顶比n区导带底高区导带底高D:AD:A点电子能量和点电子能量和B点电子能量相等点电子能量相等E:pE:p区区A A点电子有一定点电子有一定几率几率 穿过禁带进入穿过禁带进入n区导带的区导带的B点点2.2.隧道击穿隧道击穿(齐纳击穿）齐纳击穿）在强电场作用下，发生隧道效应在强电场作用下，发生隧道效应F:F:短到一定程度，大量电子从短到一定程度，大量电子
12、从p p区区 价带通过隧道穿透，进入价带通过隧道穿透，进入n n区导带区导带G:G:反向电流反向电流，p pn n结发生隧道击穿结发生隧道击穿（三）两种击穿的主要区别（三）两种击穿的主要区别1.1.隧道击穿隧道击穿 主要取决于外场主要取决于外场雪崩击穿雪崩击穿 除与电场有关除与电场有关 还与势垒区宽度有关还与势垒区宽度有关 2.隧道击穿隧道击穿雪崩击穿雪崩击穿3.一般掺杂一般掺杂 雪崩击穿为主雪崩击穿为主 重掺杂重掺杂 隧道击穿为主隧道击穿为主7.2 半导体表面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利用表面效应可
13、制作MOS器件、器件、CCD器件、表面发光器件等器件、表面发光器件等 一一.纯净表面和实际表面纯净表面和实际表面 纯净表面纯净表面 没有杂质吸附层和氧化层的理想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）超高真空下解理（2）高温加热）高温加热（3）离子轰击）离子轰击 实际表面实际表面外外表表面面内内表表面面 与体内晶体结构不同的原子层与体内晶体结构不同的原子层 二二.表面态表面态（1）从能带角度）从能带角度当晶体存在表面，在垂直表面方向成了半无限周期势场当晶体存在表面，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存在而产生的附加电子能级表面能级表面能级对应的电
14、子能态对应的电子能态 表面态表面态（2）从化学键角度）从化学键角度表面是原子周期排列终止的地方表面是原子周期排列终止的地方未饱和键悬挂键未饱和键悬挂键纯净表面的表面态密度为纯净表面的表面态密度为实际表面的表面态密度实际表面的表面态密度 三三.表面电场效应表面电场效应1.表面电场表面电场（1）表面态与体内电子态之间交换电子）表面态与体内电子态之间交换电子（2）金属半导体接触）金属半导体接触（3）MOS结构和结构和MIS结构结构2.空间电荷层及表面势空间电荷层及表面势（1）n型型P型型A:电子从体内转移到表面态电子从体内转移到表面态 表面受主态表面受主态B:正空间电荷层正空间电荷层C:表面势为表面
15、势为D:空间电荷层能带弯曲空间电荷层能带弯曲电子势垒电子势垒空穴势阱空穴势阱n型型P型型（2）n型型P型型A:电子从表面态转移到体内电子从表面态转移到体内 表面施主态表面施主态B:负空间电荷层负空间电荷层C:表面势表面势D:电子势阱电子势阱空穴势垒空穴势垒n型型P型型空穴势垒电子势阱3.空间电荷层内载流子浓度的变化空间电荷层内载流子浓度的变化体内体内在空间电荷层内，电势能在空间电荷层内，电势能 变化变化4.表面空间电荷层的三种基本状态表面空间电荷层的三种基本状态（1）积累层）积累层能带从体内到表面上弯能带从体内到表面上弯以以p型为例型为例空间电荷层的载流子浓度与体内的关系空间电荷层的载流子浓度
16、与体内的关系空间电荷层处于多子堆积状态空间电荷层处于多子堆积状态积累层积累层（2）耗尽层）耗尽层能带从体内到表面下弯能带从体内到表面下弯空间电荷层处于多子耗尽状态空间电荷层处于多子耗尽状态 耗尽层耗尽层参考能级参考能级反型层耗尽层（3）反型层）反型层7.3 金属半导体接触金属半导体接触n型导电性型导电性反型层反型层耗尽层耗尽层热蒸发热蒸发溅射溅射电镀电镀（1）整流接触）整流接触单向导电性单向导电性（2）欧姆接触）欧姆接触低电阻的非整流接触低电阻的非整流接触1.金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数一一.肖特基势垒肖特基势垒 功函数功函数 费米能级上的电子逸出体外所作的功费米能级上的电子逸出体
17、外所作的功电子亲和能电子亲和能真空能级真空能级功函数不同功函数不同费米能级高低不一致费米能级高低不一致 系统不平衡系统不平衡载流子流动载流子流动形成空间电荷层形成空间电荷层自建场自建场势垒势垒系统平衡系统平衡费米能级一致费米能级一致2.肖特基势垒高度肖特基势垒高度肖特基势垒高度肖特基势垒高度3.金半接触类型金半接触类型决定决定SBD特性的重要物理参数特性的重要物理参数A:金属与金属与n型半导体接触型半导体接触电子势垒电子势垒n型阻挡层型阻挡层电子势阱电子势阱n型反阻挡层型反阻挡层B:金属与金属与p型半导体接触型半导体接触空穴势阱空穴势阱空穴势垒空穴势垒P 型反阻挡层型反阻挡层P 型阻挡层型阻挡
18、层对于一定的半导体对于一定的半导体一定 随金属功函数变化随金属功函数变化例：例：理论计算：理论计算：实际测试：实际测试：？许多半导体许多半导体形成阻挡层形成阻挡层不管不管还是还是？表面态的存在表面态的存在二二.巴丁模型巴丁模型P 型反阻挡层型反阻挡层P 型阻挡层型阻挡层涉及三个子系统的平衡涉及三个子系统的平衡 金属金属 表面态表面态 半导体半导体1.半导体与表面态接触半导体与表面态接触n型：型：p型：型：n型型表面受主态表面受主态表面能级接受电子带负电表面能级接受电子带负电空间电荷层带正电空间电荷层带正电能带由体内到表面向上弯曲能带由体内到表面向上弯曲形成电子势垒形成电子势垒2.半导体表面态系
19、统与金属接触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半导体势垒区几乎不变化 平衡时平衡时金属中的电子流向表面态金属中的电子流向表面态基本保持不变基本保持不变3.巴丁极限巴丁极限对于大多数半导体对于大多数半导体表面态密度在表面态密度在以上以上平衡时平衡时 费米能级费米能级 位于价带上方三分之一的禁带宽度处位于价带上方三分之一的禁带宽度处不论不论n型半导体还是型半导体还是p 型半导体与金属接触型半导体与金属接触 形成阻挡层形成阻挡层三三.金半接触的整流特性
20、金半接触的整流特性阻挡层的整流作用阻挡层的整流作用外加电压外加电压阻挡层的平衡被破坏阻挡层的平衡被破坏产生电流产生电流n型型P型型1.定性解释定性解释 注意与注意与p-n结的不同结的不同V=0电子电流大小相等，方向相反。电子电流大小相等，方向相反。（1）平衡时）平衡时（2）正向偏压）正向偏压（金属接正）（金属接正）半导体一边的势垒高度半导体一边的势垒高度 降低，降低，金属一边的势垒高度金属一边的势垒高度 基本不变基本不变.从半导体流向金属的电子数多于从金属流向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半导体的电子数.形成方向从金属到半导体的正向电流形成方向从金属到半导体的正向电流V0
21、界面两边的金属和半导体相互发射的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。构成动态平衡，净电流为零。（3）反向偏压）反向偏压（金属接负）（金属接负）势垒增高势垒增高金属流向半导体的电子数占优势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，很高、且不随外加电压变化，反向电流很小，并趋于饱和。反向电流很小，并趋于饱和。V0V0反向反向 V0V0V0反向反向 V0V0正反向偏压统一正反向偏压统一是势垒高度是势垒高度 和温度和温度 的函数的函数势垒高度势垒高度 对肖特基势垒二极管电流的影响对肖特基势垒二极管电流
22、的影响3.肖特基势垒二极管（肖特基势垒二极管（SBD）与）与p-n结二极管的比较结二极管的比较（1）SBD高频性能好、开关速度快高频性能好、开关速度快SBD的电流为多子电流，的电流为多子电流，不发生电荷存储效应不发生电荷存储效应p-n结二极管为少子电流，结二极管为少子电流，存在电荷存储效应存在电荷存储效应越过势垒成为漂移电流越过势垒成为漂移电流先积累、再扩散先积累、再扩散限制了器件在高频和高速器件中的应用限制了器件在高频和高速器件中的应用（2）SBD正向导通电压低正向导通电压低SBD的电子热运动速度的电子热运动速度p-n结二极管的电子扩散速度结二极管的电子扩散速度在同样的正向电压下在同样的正向
23、电压下 四四.欧姆接触欧姆接触接触电阻小接触电阻小电流电压关系应具有对称和线性的关系电流电压关系应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 利用隧道效应利用隧道效应 形成欧姆接触形成欧姆接触隧道穿透几率依赖于隧道长度隧道穿透几率依赖于隧道长度L若若 较低，较低，L较宽，隧道效应忽略，电流电较宽，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。是非对称和非线性。高掺杂高掺杂隧道电流与外加电
24、压关系隧道电流与外加电压关系采用采用隧道电流为主要电流隧道电流为主要电流7.4 异质结异质结导电类型相同的两种不同半导体材料所形成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由导电类型相反的同种半导体材料接触而构成 同质结同质结由两种不同的半导体材料接触而构成由两种不同的半导体材料接触而构成 异质结异质结（1）同型异质结）同型异质结 p-p Ge-GaAs n-n Ge-GaAs（2）反型异质结）反型异质结导电类型相反的两种不同半导体材料所形成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
25、前面禁带宽度较小的半导体材料写在前面一一.理想异质结的能带图理想异质结的能带图不考虑表面态不考虑表面态取决于禁带宽度、取决于禁带宽度、功函数、功函数、电子亲和能电子亲和能1.突变反型异质结能带图突变反型异质结能带图下标为下标为“1”者为禁带宽度小的者为禁带宽度小的半导体材料的物理参数半导体材料的物理参数下标为下标为“2”者为禁带宽度大的者为禁带宽度大的半导体材料的物理参数半导体材料的物理参数 两种材料的过渡两种材料的过渡 发生于几个原子间距发生于几个原子间距形成突变形成突变p-n异质结之前的能带图异质结之前的能带图（1）突变）突变p-n异质结异质结形成突变形成突变p-n异质结之后的平衡能带图异
26、质结之后的平衡能带图电子从电子从n型半导体流向型半导体流向p 型型 空穴的流动方向相反空穴的流动方向相反直至两块半导体有统一的费米能级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型半导体一边为负空间电荷层不考虑界面态不考虑界面态正负空间电荷数相等正负空间电荷数相等 空间电荷层内产生电场空间电荷层内产生电场 能带发生弯曲能带发生弯曲能带总的弯曲量能带总的弯曲量 异质结能带的特点：异质结能带的特点：A:能带在交界面处不连续，有一个突变能带在交界面处不连续，有一个突变导带底在交
27、界面处的突变导带底在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变价带顶在交界面处的突变而且而且对所有突变异质结都适用对所有突变异质结都适用 分别称为导带阶和价带阶分别称为导带阶和价带阶重要的物理量重要的物理量B:nB:n型半导体的导带底在界面处形成一向上的型半导体的导带底在界面处形成一向上的“尖峰尖峰”P P型半导体的导带底在界面处形成一向下的型半导体的导带底在界面处形成一向下的“凹口凹口”C:C:对于反型异质结，交界面两边都是耗尽层对于反型异质结，交界面两边都是耗尽层（2）突变）突变n-p异质结异质结形成突变形成突变n-pn-p异质结之前的能带图异质结之前的能带图形成突变形成突变n-p异质结之后的平
28、衡能带图异质结之后的平衡能带图2.突变同型异质结能带图突变同型异质结能带图（1）突变）突变n-n异质结异质结形成突变形成突变n-nn-n异质结之前的能带图异质结之前的能带图形成突变形成突变n-n异质结之后的平衡能带图异质结之后的平衡能带图禁带宽度小的禁带宽度小的n n型半导体一边形成电子的积累层型半导体一边形成电子的积累层禁带宽度大的禁带宽度大的n n型半导体一边形成电子的耗尽层型半导体一边形成电子的耗尽层（2）突变）突变p-p异质结异质结一边是空穴积累层一边是空穴积累层一边是空穴耗尽层一边是空穴耗尽层二二.考虑界面态时的能带图考虑界面态时的能带图形成异质结的两种半导体材料的晶格失配引入界面态
29、形成异质结的两种半导体材料的晶格失配引入界面态在界面处，晶格常数小的半导体中出现了一部分不饱和键在界面处，晶格常数小的半导体中出现了一部分不饱和键悬挂键悬挂键晶格失配定义：晶格失配定义：晶格常数的相对变化量晶格常数的相对变化量即使两种材料的晶格常数在室温是相同的即使两种材料的晶格常数在室温是相同的由于热膨胀系数不同，在高温下，也将发生晶格失配由于热膨胀系数不同，在高温下，也将发生晶格失配从而产生悬挂键从而产生悬挂键在交界面处引入界面态在交界面处引入界面态巴丁极限巴丁极限对于大多数半导体对于大多数半导体表面态密度在表面态密度在以上以上不论不论n型半导体还是型半导体还是p 型半导体与金属接触型半导体与金属接触 形成阻挡层形成阻挡层n型型P型型p-np-n异质结异质结n-pn-p异质结异质结p-pp-p异质结异质结界面呈施主型时，界面两侧形成空穴势垒和电子势阱界面呈施主型时，界面两侧形成空穴势垒和电子势阱界面呈受主型时，界面两侧形成电子势垒和空穴势阱界面呈受主型时，界面两侧形成电子势垒和空穴势阱p-np-n异质结异质结n-pn-p异质结异质结n-nn-n异质结异质结