接触电势差引起的曲线移动
绝缘层中正电荷的影响
• 绝缘层中往往存在某些固定或可动的电荷，例 如缺陷或杂质离子，这些电荷往往是正的。 • 这些电荷的存在会在金属板及半导体表面感应 出负电荷，使得半导体表面能带向下弯曲。 • 为了使得半导体表面能带平直，金属板上要加 上一个负电压，使得绝缘层中正电荷发出的电 力线全部终止于金属板上而对半导体无影响， 这个电压也叫平带电压。 • 无论是P型半导体还是N型半导体，绝缘层中的 正电荷均使C-V曲线向左平移。
绝缘层中正电荷的影响
绝缘层中电荷位置与平带电压
• 假定氧化层中的电荷并不总是集中在半导体-氧化层交 界处的，而是分布在整个氧化层中。假定分布在离开 金属板x处，则 Qi x Qi
V FB= −
ε 0ε i
x=−
d i Ci
• 推论：当电荷集中到金属与氧化层交界处时，氧化层 中的电荷对平带电压的影响最小；当电荷集中到氧化 层与半导体交界处时，氧化层中的电荷对平带电压的 影响最大。 • 假如绝缘层中存在可以移动的电荷，则通过温度-偏压 处理，绝缘层中的可动电荷会发生移动。测量处理前 后平带电压的变化，可以确定氧化层中的可动电荷密 度。
归一化电容
• 一般来说，绝缘层的厚度及介电常数不会随外 电场改变，所以Ci为一常数，其数值一般只与 绝缘层的厚度及所用材料有关； • 通常将总电容用总电容与绝缘层电容的比值表 示，即归一化电容
Ci =
ε 0ε r
di
• 这里ε0、εr为介电常数，di为绝缘层厚度。
以P型半导体为例
dQ C= dV
接触电势差与能带弯曲
• 同型结
E f = Ec − kT ln Nc Nd
Nd 2 eV0 = − kT ln N d1
• PN结
Nc Nv eV0 = E g − kT ln Na Nd
I-V特性
• 与串联的PN结相比，N+N和P+P上的压降 很小，因此 eV eV kT j = js e − 1 ≈ js ∝V kT • 所以在偏压较小时，不管偏压方向如何， 同型结的I-V特性为线性。 • 因同型结只涉及一种载流子，Js与PN结 的不同。
I－V特性图示 大偏压 小偏压
N+-N结非线性伏安特性：反偏压
• 反向偏置 随着电场强度的增加，载流子耗尽区向N区体内扩展， 因此，N 区电阻将增加一些，伏安特性的反向电流曲 线偏离线性关系。 反向偏置时空穴被排斥（抽出），相应的电子浓度也 要下降以保持电中性。因此，N+-N结作为避免向N区 注入空穴的结而可以利用。 • 正向偏置 随着偏压的增加，空穴在边界处积累（注入），相应 的电子浓度也要增加，因此N+N结的电阻降低。因此， 伏安特性的正向电流变为非线性。正偏压越大，非线 性越强。
特点
• 由于栅极反向偏置，流过的电流很小， 所以是电压控制型器件。 • 只要有很小的电流即可以控制很大的电 流或功率。
MOS 和MIS结构
MOS: Metal-Oxide-Semiconductor MIS: Metal-Insulator-Semiconductor
MOSFET
• MOS器件可以说是集成电路的基本构成单元之一，是 半导体平面工艺得以推广的基础。可以说没有MOS电 路，就没有今天的大规模、超大规模集成电路。 • MOS器件是一种平面器件，可以通过光刻等手段在硅 片上同时制作许多相同的器件，每个器件的所有部分 均在表面附近，因此可通过氧化、刻蚀、离子注入、 扩散、沉积等方法制作。 • 为了了解MOS器件，必须对MOS结构有一了解。
+P，N+N 同型结P
• 由导电类型但载流子浓度不同的两种材 料形成的N+-N 结或P+-P结称为同型结， 其中N+或P+区为重掺杂浓度区。 • 同型结具有很大的实际意义，可以用在 1、电极制备 2、避免向N区注入空穴

+N结 N
• 设N+区施主浓度为ND2，N区则为ND1，浓度变 化为台阶状。 • 由于电子从N+向N区的扩散，靠近界面的N+区 缺少电子形成正空间电荷区，而在N区则引起 N 电子积累形成负空间电荷区。 • 电荷的分离和空间电荷区的形成引起电场的产 生，因而能带发生弯曲，形成势垒。 • 与PN结不同，同型结重掺的一边为耗尽区，轻 掺的一边为积累区。
平带情况
• 当偏压为0时，能带不发生弯曲，此时所 以半导体表面的电容为CS，总电容为绝 缘体电容与它的串联。
Cs = ε 0 ε r / LD
Cs = Ci 1
ε i LD 1+ ε sdi
耗尽区与弱反型区
• 若金属板上所加电压大于0，但数值较小，半导体表面 层为耗尽层或弱反型区。 • 半导体表面载流子浓度很低，所以半导体表面的电容 很小，因此总电容基本上由它决定。 • 因为在耗尽层近似下空间电荷区厚度随外场的增加而 增加，所以表面电容随外场的增加而减小，因此总电 容也随外场的增加而减小。 Cs 1 = Ci ε i xD 1+ ε sdi
发射效率
• 忽略基区中载流子的产生和 复合，则流过发射极的电流 应该等于基区进入发射区的 空穴电流和发射区进入基区 的电子之和，即 I e = I eb + I be。 • 发射效率 注入电子电流/发射极总电 流，即
I eb I eb η= = I e I eb + I be 1 = 1 + I be / I eb
理想MOS的C-V特性
实际MOS的C-V特性
• 氧化层中有电荷存在； • 有表面态即界面态存在； • 金属的功函数与半导体的不相同。 以上三种情况都会在没有偏压的情况下导致能 带的弯曲，使得C-V曲线发生移动。 • 好处：通过分析MOS的C-V特性可以了解绝缘 层中的电荷、半导体-绝缘层间的界面态等情况， 是研究半导体表面的有力工具。
提高发射效率的方法：不对称结
• 为了提高发射效率，即使发射效率尽可 能接近1，要求基区注入到发射区的空穴 电流小。 • 通过提高基区掺杂浓度的办法可以降低 基区的空穴浓度，从而减小基区注入到 发射区的空穴电流浓度。一般基区施主 的浓度为发射区受主浓度的100倍左右。
集电极电流
I c ≈ I e − I eb
半导体三极管-T
三极管的极、区、结
• 基极、基区 b • 发射极、发射区、发射结 b • 集电极、集电区、集电结 c
三极管的放大作用
• • • • 共基极 共发射极 共集电结 条件：发射极正向偏置、集电极反向偏置。
共基极接法（NPN三极管）
• 由于发射极正向偏置，势垒降低， 电子从发射区注入到基区 （Ie）。 • 注入到基区的电子（非平衡少子） 在基区中扩散形成扩散电流。 • 由于集电结反偏，集电结势垒增大， 基区中扩散到集电结附近的电子全 部被集电结吸收（Ic）。 • 基区中的空穴在发射极偏压的作用 下也向发射区注入（Ib）。 • 为了减小载流子在基区的复合，要 求基区很薄。
强反型区
• 此时偏压很大，半导体表面少数载流子浓度很 高，导电类型与体内的相反。 • 反型区与体内之间还有一个耗尽区，所以总电 荷由反型区的电荷及耗尽区的电荷之和。 • 对于积累区及耗尽区，电荷变化主要通过多子 的流动实现，它的速度主要由材料的介驰豫时 间决定，一般跟得上外场的变化。但对于反型 区，由于电子在体材料中是少子，所以反型层 中少子浓度的变化是通过产生与复合实现的。
结场型晶体管-JFET
• 双极型晶体管：电子、空穴 • 单极型晶体管：单一载流子，JFET，MOS • 源极S、漏极D、栅极G
N沟道 P沟道
工作原理
• G-S间加反向电压，因此P+N二极管反偏，随着反向偏压的 增加，耗尽层扩大。因此S-D之间的电阻增大。 • 控制G-S电压的大小可以控制流过S-D之间的电流。 • 一般N区很窄，因此栅极电压的微小变化就会导致S-D间电 阻的很大变化，由此实现信号放大的目的。
理想MOS的电容-电压特性
• • • • 氧化层中没有电荷存在； 没有表面态即界面态； 金属的功函数与半导体的相同。 对于这种理想的MOS结构，在没有外场 时半导体的能带是平的，也没有空间电 荷区存在。
MOS器件的C-V特性
• 外加电压分为两部分，一部分 降落在绝缘层中，另外一部分 降落在半导体的空间电荷区中， 因此微分电容也可以分为两部 分，其值等于两者的串联电容， 即 1 1 1 = + C Ci Cs • 这里C、Ci、Cs分别为总电容、 绝缘层电容、表面空间电荷区 电容。
欧姆接触
• 如果两种材料接触处的电阻很小，而且电阻与 电流方向及大小无关，则称这种电接触为欧姆 接触。 • 欧姆接触应该具有电学和机械稳定性，而且不 应该存在少子的注入现象； • 好的欧姆接触应当具有10-5Ωcm2 或者更低的电 阻率。 • 方法：金属半导体化合物、同型结
金属-半导体欧姆接触
• 可以利用带有积累层的金半接触作为欧姆按触，这时 金属的热电子功函数应该比N型半导体的小或者比P型 半导体的要大。 • 缺点：满足以上要求的金属-半导体组合非常少。另外， 这种金半接触或多或少存在少子的注入现象。
∆I c RL RL AV = ≈ ∆I e ( Rs + rbe ) rbe
共射极接法的放大倍数
Q Ie = Ib + Ic 而且由于基区轻掺，所以I b远小于I e Ic Ie − Ib Ie ∴ = ≈ =β Ib Ib Ib
• 因此只要Ib有很小的变化，Ic 就会有很大的变化（b倍）， 因此可以在负载上获得放大的 信号。
接触电势差的影响
• 假定半导体为P型半导体，且其功函数大于金属的功函 数（例如铝），则接触电势差小于0，即半导体的电位 比金属的低。这相当于加上了一个正偏压，因此半导 体的能带向下弯曲。 • 要使得能带变直，必须加上一个负电压去抵消接触势 差的影响，此电压称为平带电压，即Vfb=Vms。 • 对于外加电压V，加在半导体上的有效电压只有V-Vfb 。 从C-V曲线上看，相当于曲线沿横坐标平移了Vfb。 • 如果不考虑其他因素的影响，通过测量此平移值可获 得接触势差的数值，由此可以知道半导体材料的功函 数，由此可以获得半导体材料的费米能级、掺杂浓度 等信息。