半导体物理_第七章
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。
上图为处于反偏状态下的肖特基结能带示意图, 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。
与反向偏置的PN结情况类似,我们可以对反向偏 置的肖特基结空间电荷区应用泊松方程,由此可以求 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 在本节中,我们将对PN结和肖特基结在正向偏置 条件下的空间电荷区,能带图做以介绍,至于I-V分析 我们将在第九章中再做进一步的讨论。 在前面的分析讨论中,我们看到,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,同时这个势垒也阻挡 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。 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。
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。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,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。
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§7.3 反偏状态下的PN结 当我们在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。 例如,当我们在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)。
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1. 势垒高度、空间电荷区宽度与PN结中的电场 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:
§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,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。 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
达到平衡状态的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: 前面我们已经看到,在达到平衡状态的PN结空间电荷 区中存在一个内建电场,该电场在空间电荷区中的积 分就形成了一个内建电势差,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:
3. 单边突变PN结 考虑PN结两侧的掺 杂浓度相差很大(通常 称之为单边突变PN结) 的情形,例如P型区的掺 杂浓度远远大于N型区的 掺杂浓度(一般我们称 之为P+N结),即 Na>>Nd,如右图所示, 则有:
可见,PN结电容倒数的平方与反向偏置电压VR成线 性关系,如图所示。 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。
达到平衡状态时的能带图:
从平衡状态下金属-半导体接触的能带图可见, 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,其表达式为:
从N型半导体材料一侧来看,导带中的电子要进 入到金属材料中去,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,其表达式为:
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。
当外加正向电压(注意不是正偏电压)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。
反之,当外加反向电压(注意不是反偏电压)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。
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。
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。 形成金属-半导体接触之后,金属材料和半导体 晶体材料之间的能带示意图,从图中可见,达到平衡 之后整个系统具有统一的费米能级。
由上式可见,在线性缓变PN结的空间电荷区中,电 场强度与空间位置之间是一种平方的变化关系,而不 再是均匀掺杂PN结空间电荷区中电场强度随空间位 置的线性变化关系。最大电场强度仍然位于冶金结界 面处,空间电荷区之外电场强度也仍然为零。
2. 超陡峭的PN结 对于一个单边突变的P+N结,我们考虑更一般的 情况,即当x>0时,N型区的掺杂浓度可表示为: N = Bxm 当m=0时,即为均匀掺杂的情形;而当m=1时,即为 线性缓变PN结的情形;当m为负值时,即为所谓的 超陡峭掺杂的PN结。采用类似的分析方法,我们可 以求得超陡峭掺杂PN结单位面积的耗尽区电容为:
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,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。
2. PN结的电容效应 当PN结上外 加的反向偏压改 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。
上述PN结电容,通常也称为耗尽层电容。如果我们将 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,PN结电容中的耗尽区宽度是随着反 向偏置电压的改变而不断变化的,因此电容也是随着 反向偏置电压的改变而不断变化的。
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:
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1所示,几种常见 半导体材料的电子亲和势则如表9.2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。
1. 肖特基势垒 由于多数肖特基结都是在金属和N型半导体材料 之间形成的,因此我们也以金属和N型半导体材料接 触为例来讨论肖特基结,首先我们来看零偏置状态下 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,逸出体外所需要的功(平均值)。 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。
1. 正偏状态下的PN结特性 如下图所示,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。
下图所示为有外加正向偏压VD时的PN结能带示 意图,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。
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。 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。