半导体物理_第七章

下图所示为金属与重掺杂的N型半导体外 延材料之间通过隧道穿透效应实现的欧姆接触。
本章小结
1.掌握零偏状态下PN结的特性，例如内建势垒 高度Vbi、内建电场以及空间电荷区宽度,面密 度等； 2.掌握反偏下PN结的空间电荷区宽度、内建电 场以及PN结电容特性（耗尽电容）；
3.掌握零偏，反偏，正偏下的能带图 4.理解金属－半导体接触的整流特性； 5.掌握金属－半导体欧姆接触的形成机理；
当外加反偏电压时，即金属材料为正，N型 半导体材料为负时，金属和N型半导体材料系统 的能带弯曲情况如下图所示，此时N型半导体材 料中的电子可以毫无阻碍地流向金属材料，因 此呈现出正向导通特性。
E
当外加正偏电压时，即金属材料为负，N型 半导体材料为正时，金属和N型半导体材料系统 的能带变化则如下图所示，此时金属材料中的电 子只需越过一个很低的势垒就可以流向半导体材 料，因此同样也呈现出反向的导通特性。
由于空间电荷区中的可动载流子相对于体 区的多子来说基本处于耗尽状态，因此空间电 荷区也称作耗尽区。
空间电荷区及内建电场的形成过程示意图
平衡状态的PN结能带图具有统一的费米能级
§7.2 零偏状态下的PN结 1. 内建势垒：
在达到平衡状态的PN结空间电荷区中存在 一个内建电场，从能带图的角度来看在N型区和 P型区之间建立了一个内建势垒，该内建势垒的 高度为：
Vt 称为热电压
w
§7.3 反偏状态下的PN结 当在PN结的两边外加一个电压时，此时整个
PN结就不再处于热平衡状态，因此整个PN结系 统中也就不再具有统一的费米能级。
在PN结的N型区上相对于P型区外加一个正电 压VR时（这种情形称为反向偏置）
零偏
w
1. 势垒高度、空间电荷区宽度与PN结中的电场
由此可见，PN结中总的空间电荷区宽度随着外 加反向偏置电压VR的增大而不断增大。
同样，空间电荷区在PN结两侧的扩展宽度也可 以分别求得，其中在N型区一侧的扩展宽度为：
2.PN结的电容效应（耗尽电容）
当PN结反向偏压 改变时，PN结中耗 尽区的宽度也发生 变化，因此PN结两 侧耗尽区中的电荷 也会随之而发生改 变，这种充放电作 用就是PN结的电容 效应
可见，PN结电容倒数的平方与反向偏置电压 VR成线性关系。
利用此线性关 系可外推出PN结的 内建电势。也可以 通过直线的斜率求 出PN结低掺杂一侧 的掺杂浓度。
第九章 金属半导体和半导体异质结
§9.1金属－半导体接触的整流特性 所谓整流特性，理想情况下指的就是单向导
电特性，广义上说，凡是正反向非对称的I－V特 性，都可以在一定意义上称之为整流特性。
各种不同金属材料的功函数,电子亲和势则如 下表所示。
在下图所示的实例中，我们假设了фm>фS，因 此当形成金属－半导接触之后，电子将从N型半导 体材料一侧流向金属材料一侧，最终使得整个系 统具有统一的费米能级。
下图所示是未形成金属－半导体接触之前，金 属材料和半导体晶体材料各自的能带示意图，其 中E0为真空能级，也就是能带图的参考能级。
2、隧道穿透势垒 在金属－半导体整流接触中，半导体材料
中的空间电荷区宽度是与其掺杂浓度的平方根 成反比的，当半导体材料的掺杂浓度非常高时， 空间电荷区的宽度就会变的非常薄，此时电子 就会通过隧道穿透效应越过势垒，从而形成欧 姆接触，例如金属与重掺杂N型半导体外延材料 之间所形成的欧姆接触就是通过隧道穿透效应 实现的。
1. 肖特基势垒 我们以金属和N型半导体材料接触为例来讨
论肖特基结，首先看零偏置状态下的结特性。 功函数：金属或者半导体内的电子克服原子
核的束缚，逸出体外（真空）所需要的功（平 均值，定义为E0－E F）。
亲和能：χ=E0-Ec eфm是金属材料的功函数，eфS是半导体材 料的功函数，χ是半导体材料中电子的亲和势
从N型半导体一侧来看，导带中的电子要 进入到金属材料中，必须越过的势垒高度为Vbi， 这个势垒高度也就是肖特基结的内建势垒：
这使得VBi变成了一个与半导体材料掺杂浓度 相关的函数，因为：
2. 反偏状态下的肖特基结 对于上述金属和N型半导体材料相接触所形
成的肖特基结，当我们在半导体材料一侧外加 一个相对于金属材料为正的电压，此时的肖特 基结即处于反偏状态。
对于前面所讨论过的金属和N型半导体材 料之间形成的肖特基接触势垒，当фm<фS时， 实际所形成的就是一种非整流接触势垒，即欧 姆接触。此时，没有形成接触之前，金属材料 的费米能级要高于N型半导体材料的费米能级。
1、非整流接触势垒
当фm<фS时，金属和N型半导体材料形成 接触之后的能带图，二者具有统一的费米能级， 此时半导体材料表面电子浓度增加，形成一层 电子的积累层。
因此电子和空穴将分别由N型区和P型区向对方 扩散，同时在N型区中留下固定的带正电荷的施 主离子，在P型区中则留下固定的带负电荷的受 主离子。
这个固定的正负电荷区即为空间电荷区，空 间电荷区中将形成内建电场，内建电场引起载 流子的漂移运动，载流子的漂移运动与载流子 的扩散运动方向相反，最后二者达到平衡。
2. 正偏状态下的肖特基结特性
§9.2 金属－半导体欧姆接触 各种半导体器件和集成电路最后都需要通
过金属引线将其与外部世界相连接，这种连接 就必须是欧姆接触。
所谓欧姆接触，就是金属和半导体材料之 间的一种接触类型，其正反向特性是完全对称 的，均为线性的电阻特性，而不是非对称的整 流特性。通常有两种类型的欧姆接触，一种是 理想的非整流接触势垒，另一种则是所谓的隧 道穿透势垒。
电子由N型半导体材料一侧流向金属材料一 侧之后，将在N型半导体材料中留下带正电的固 定施主离子电荷，并在N型半导体材料表面形成 一个空间电荷区（耗尽区），同时形成一个由 半导体材料指向金属材料的内建电场。
金属材料和半导体接触，达到平衡之后整 个系统具有统一的费米能级。
达到平衡状态时的能带图：
从上图可见，金属材料中的电子要进入N 型半导体材料，必须越过的势垒高度为фB0， 这个势垒高度就是所谓的肖特基势垒：
外加电场的存在将会使得能带图中N型区的费 米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的 电子势能变化量。
此时，PN结上总的势垒高度增大为：
当PN结两侧外加反向偏压VR时，PN结内部 空间电荷区中的电场将增强，因此PN结界面两 侧的空间电荷区宽度将会进一步展宽。
利用前面已经推导出的空间电荷区宽度公式， 只需将公式中的PN结内建势垒代换为反偏PN结上 总的势垒高度，即：
类似地，在零偏或反偏状态下，肖特基结 中基本上也没有电流流过。
1. 正偏状态下的PN结特性 当我们在PN结的P型区一侧外加一个相对于N
型区的正电压时，PN结即处于正向偏置状态，此 时外加电压所形成的电场与内建电场方向相反。
由于外加电场削弱了内建电场的作用，PN 结中的势垒高度也相应降低，因此漂移电流与 扩散电流不再保持平衡，同时PN结两边也不再 具有统一的费米能级。
第七章 PN结与金属－半导体接触 本章学习要点： 1. 了解PN结的构成及空间电荷区的概念； 2. 掌握零偏状态下PN结的特性，例如内建势垒高度、
内建电场以及空间电荷区宽度等； 3. 掌握反偏状态下PN结的空间电荷区宽度、内建电场
以及PN结电容特性； 4. 掌握金属－半导体接触的整流特性； 5. 了解正偏条件下PN结与肖特基接触的电流－电压特性 6. 理解金属－半导体欧姆接触的形成机理；
从图中可见，电子从半导体材料一侧到金 属材料一侧所需越过的势垒高度增加了，增加 的幅度就是外加的反向偏置电压VR，而从金属 材料一侧到半导体材料一侧所需越过的势垒高 度фB0仍然保持不变。
外加电压使得肖特基结的空间电荷区（也 就是耗尽区）宽度增加，肖特基结界面处的最 大电场强度也相应地大大增强。
众所周知，最早的半导体整流器就是采用金 属－半导体接触形成的，例如早期的矿石检波器， 就是采用一根金属触针与一块半导体硒矿石晶体 相接触而制作的。
目前，各种金属－半导体接触大多采用在半 导体晶体材料的表面淀积一层金属薄膜的方式 来制备（溅射工艺）。例如可以在硅晶体材料 的表面淀积一层金属铝膜，从而形成金属－半 导体之间的整流接触。这种类型的半导体整流 结通常称为肖特基势垒结，有时也简称为肖特 基结。
E
对于金属和P型半导体之间所形成的接触， 当满足фm>фS时，也是一种非整流接触势垒， 即欧姆接触。此时，在没有形成接触之前，金 属材料的费米能级要低于P型半导体材料的费米 能级。
此时，无论是外加正向电压还是外加反向电 压，与前面的分析类似，金属和P型半导体之间 同样也表现为电阻性的导通特性，即为欧姆接 触。
上述PN结电容，通常也称为耗尽层电容。如果 将其与表示耗尽区宽度的公式做对比：
此式与单位面积的平行板电容公式完全相同。 只是这里需要注意的是，电容是随着反向偏置 电压的改变而不断变化的。
3. 单边突变PN结 假定PN结两侧的掺杂
浓度相差很大（称之为 单边突变PN结），例如 P型区的掺杂浓度远远 大于N型区的掺杂浓度 （称之为P＋N结），即 Na>>Nd，则有：
当фm>фS时，金属和P型半导体材料形成 接触之后的能带图，二者具有统一的费米能级，
此时半导体材料表面空穴的浓度增加，形成了
一层空穴的积累层。
从肖特基接触上分析对n型半导体只
要 m s ，对P型半导体只要 m s 即可
获得欧姆接触。
但是，肖特基接触仅仅是一种理想的接触， 只考虑了功函数的影响，没有考虑表面态（界 面态），对于实际的半导体材料Si,Ge等，表 面态的影响比功函数的影响还要大，这需要利 用巴丁模型来解释。
§7.1 PN结的基本结构 1. PN结的构造
从原理上说，PN结就是由一个N型掺杂区 和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触 界面称为冶金结界面。
2. 制造PN结的方法： （1）外延方法：突变PN结； （2）扩散方法：缓变PN结； （3）离子注入方法：介于突变结与缓变结之间；
3.PN结空间电荷区的形成： 由于PN结两侧存在电子和空穴的浓度梯度，
与反向偏置的PN结情况类似，可以对反向偏 置的肖特基结空间电荷区应用泊松方程，求得 肖特基结空间电荷区的宽度为：
§9.2 正偏状态下的PN结与肖特基结 前面的分析讨论中，无论是处于热平衡的
零偏状态，还是有外加反向电压的反偏状态， PN结中都存在一个势垒，这个势垒阻挡了N型区 中的电子向P型区中的进一步扩散，也阻挡了P 型区中的空穴向N型区中的进一步扩散。因此在 零偏或反偏状态下，PN结中基本没有电流流过
本章作业题
7.1 7.16 7.18 7.32
Fra Baidu bibliotek