半导体；N-type P-type半导体；导带；价带；禁带 本征半导体 杂质半导体 载流子运动方式及形成电流
7
1.1 本征半导体
纯净的、不含杂质
的半导体
8
Байду номын сангаас
杂质半导体
杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类
N型半导体
结构图
9
杂质半导体
载流子
施主杂质原子电离 电子 正离子对 呈电中性
热激发
在绝对零度时，一个起始能量等于费米能级的电子， 由金属内部逸出到真空中静止所需要的最小能量
Wm=E0-(EF)m
E0表示真空中静止电子的能量
26
半导体的功函数 在绝对零度时，一个起始能 量等于费米能级的电子，由 半导体内部逸出到真空中所 需要的最小能量
Ws=E0-(EF)s
从Ec到E0的能量间隔
＝E0-Ec
1）当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的 两个面上就要被充电。两者所带电荷符号相反，电荷分布情况 亦很不同。 2）在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原 子层的厚度范围之内，而在半导体中，由于自由载流子密度要 低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内；这个带电的表 面层称做空间电荷区。 3）在空间电荷区内，从表面到内部电场逐渐减弱，到空间电 荷区的另—端，场强减小到零。
36
37
Vzc(r): 价电子间的交换和相关势 在定性地讨论Vzc(r)的特征时，其表达式可表 示为：
其中v(r)为体内价电子电荷密度，a为常数。•
38
2
39
40
(3)表面态类型
41
(4)
42
(5)
•产生表面空间电荷层的条件：表面的外电场；
半导体上的绝缘层中存在的电荷在表面感生的 电场；表面因产生离子吸附而引起的表面电场; 金属、与半导体(或绝缘体)因功函数不同而形 成接触电势等。
部分电子和空穴 “存入”势垒区
电子和空穴中和
势垒区宽度变窄， 空间电荷数量减少
22
当p-n结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增 加而减弱势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少，因为空 间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷 的减少是由于n区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区 中一部分电离施主和电离受主； 在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入” 势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强， 势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电 子和空穴从势垒区中“取出”。 p-n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的 “存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随 外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这 种p-n结的电容效应称为势垒电容
23
扩散电容
电子从n 区 注入P区， 增加了P区 的电子积累， 增加了浓度 梯度
正向偏压
空穴从P区注入n 区，增加了n区的 空穴积累，增加了 浓度梯度
h+ e-
h+ e-
积累的非平衡 空穴也增加,与 它保持电中性 的电子也相应 增加
非平衡电子 和与它保持 电中性的空 穴也要增加 由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生 的电容效应，称为p-n结的扩散电容。 p-n结的势垒
p区的能带上移， n区能带下移，直至费米能 级处处相等时，p-n结达到平 衡状态。 16
平衡p-n结的能带图
2 PN结基本特性
1) 空间电荷
电离受主与 少量电子的 负电荷严格 平衡空穴电 荷 电中性 空间电荷 电离施主与少 量空穴的正电 荷严格平衡电 子电荷
电中性
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主 负电荷区 正电荷区
3
能带理论简介
4
在k空间中，电子能量En(k)函数关系
K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空 间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态
K空间是以倒格子为基础的倒格空间
5
E～k, 能带结构（能量色散关系）
导带底
价带顶
导带
价带
Si立方晶系 晶体的能带结构（半导体，间接能隙）
6
半导体的基础知识
(6)
•氧化物表面的结构单元是离子，它们之
间的电作用主要是库仑势。表面离子的 配位数、空位等缺陷，对氧化物的 对氧 化物的电子 电子 结构 结构有明显影响 有明显影响。
46
47
(7)
48
49
50
(8)氧化物-半导体界面态
氧化物-半导体界面电子态(Si-SiO2)
•化学处理后的硅表面会存在一层极薄SiO2层。 •对Si表面电子输运有影响是SiO2-Si的界面所 形成的附加态，即界面态。因为在外场作用 下响应时间快。
51
3.4 MIS结构
半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切的关系。 半导体的表面状态对晶体管和半导体集成电路的参数和稳 定性有很大影响。 MOS(金属-氧化物-半导体)器件、电荷耦合器件，表面发 光器件等，就是利用半导体表面效应而制成的。 因此，研究半导体表面现象，发展有关半导体表面的理论， 对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及指导人们探索 新型器件等都有着十分重要的意义。 MIS(指金属—绝缘层—半导体)结构


又称为电子亲合能，它表示要使半导体导带底 的电子逸出体外所需要的最小能量。
半导体的功函数又可表示为 Ws= + Ec ( EF ) s = En=Ec-(EF)s 又称肖特基势垒
+En
27
半导体功函数与杂质浓度的关系(计算值)
28
2.接触电势差 （1）设想有一块金属和一块n型半导体，它们有共
q
Vm金属的电势；Vs半导体电势；Vms:接触电势；Vs:表面电势
31
d）忽略间隙
若D小到可以与原子间距相比较， 电子就可自由穿过间隙，这时 Vms很小，接触电势差绝大部分 降落在空间电荷区。 特点： 1）(Ws-Wm)/q=Vs。 2)半导体一边的势垒高度为 qVD=-qVs=Wm-Ws
3)金属一边的势垒高度： q ns=qVD+En=-qVs+En=Wm-Ws+En=Wm-
PN正向应用
U
20
PN结加反向电压 流过PN结的电流称为 反向饱和电流(即IS)， PN结呈现为大电阻。
U
该状态称为PN结反向 截止状态。
PN反向运用
U
21
3) p-n结电容特性
一个p-n结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电 压频率增高时，其整流特性变坏 p-n结电容包括势垒电容 和扩散电容两部分。
界面态的来源•界面态产生原因与表面态
相同，电子受到的周期性势场发生突变所致。
•与表面态相比，界面态对应的势场并没有完 全中断，态密度要小。如Si-SiO2界面，与表 面态不同的是在界面上不可能每个硅原子都 平均有一根悬挂键。Si-SiO2界面态密度仅为 1010/cm2，表面态密度则为1015 /cm2 。
52
MIS结构示意图 MIS结构中满足以下条件（由于金属和半导体功函数的不
同、绝缘层内可能存在带电离子及界面态等原因，情 况还是很复杂的。先考虑理想情况）： (1)金属与半导体间功函数差为零 (2)在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电 (3)绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。
53
MIS结构空间电荷层及表面势
第三章
固体材料表面与界面电子 过程
3.1 半导体与半导体界面特性-PN结 3.2 金属与半导体的接触特性
3.3 表面势、表面态、表面电导
3.4 MIS结构
3.5 PN结与功能器件
3.6 晶界势垒及其电荷区
电子的特点
•电子运动状态：能量、运动的范围 电子运动的特点：微质点、高速度运动 ������ 在空 不可能确定某电子在某空间位臵→用 间出现的概率(电子云及密度) 能量不连续→能级
扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的 运动称为扩散运动。
扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流 称为扩散电流。
浓度差 扩散力 扩散运动 扩散电流
扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比
13
载流子运动方式及其电流
漂移运动和漂移电流
漂移运动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。
漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流 称为漂移电流。
电容和扩散电容都随外加电压而变化，是可变电容。
24
4）p-n结接触电势差
a.平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势 差VD，称为p-n结的接触电势差或内建 电势差。
b. 相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD
称为p-n结的势垒高度
qVD＝EFn-EFp
25
3.2 金属和半导体的接触特性
1.金属和半导体的功函数 金属的功函数:
电子
空穴对
N型半导体中的多数载流子(多子） 为电子。空穴为少数载流子（少子）
10
杂质半导体
P型半导体
结构图
11
杂质半导体
载流子
受主杂质原子电离 热激发 空穴 空穴 负离子对 电子对 呈电中性
P型半导体中的多数载流子(多子） 为空穴。电子为少数载流子（少子）
12
载流子运动方式及其电流
扩散运动及扩散电流

32
4) 半导体表面形成一个正的空间电荷
区，电场体内指向表面；Vs0,半导 体表面电子的能量高于体内，能带向 上弯曲，形成表面势垒。势垒空间中 空间电荷由电离施主形成， 电子浓度比体内小，形成一个阻挡层。
33
n型Ge、Si，GaAs的qns 测量值(300K)
34
3.3 表面势与表面态
35
17
空间电荷区的特点：
E
a）内建电场 在内建电场作用下，载流子作漂移运动。 电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方 向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作 用。 b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终 将达到动态平衡，