电子工程物理基础v1.1(5-2)概念.ppt

唐洁影 东南大学电子科学与工程学院 第5章 半导体中电子的控制 5.1 半导体与外界作用 5.2 半导体与半导体 5.3 半导体与金属 5.4 半导体与绝缘体 5.3 半导体与金属（metal-semiconductor contact） 功函数 电子亲和能 1. 能带图 (1) M-S(n型), WmWs n型阻挡层 (2) M-S(n型) , WmWs n型反阻挡层 (3) M-S(p型) , WmWs p型阻挡层 (4) M-S(p型) , Wm Ws p型反阻挡层 P型半导体的价带电子向金属一侧转移 （对阻挡层而言） 金属与半导体接触可以形成阻挡层（肖特基势垒Schottky Barrier）与反阻挡层，前者具有与p-n结相似的整流特性，而后者具有欧姆特性。 外加电压对n型半导体的影响： （1）加正电压（金属接“+”） 2. 整流特性 势垒高度随外加正电压的增加而降低,因此由半导体流向金属的净电子流增加. （2）加反向电压（金属接“－”） 势垒高度随外加反电压的增加而身升高,因而从半导体到金属的电子减少,反向电流主要由金属到半导体的电子流构成,金属净电子流增加. 实际I-V特性将偏离理想情况。如 1. 反向电流不饱和现象 2.正向电流上升比较缓慢. 3.肖特基势垒二极管 (1) 结构 光刻产生的陡削的边沿 Si-SiO2界面存在正固定电荷 拐角处有过量的电流 (2)与p-n结二极管的比较 主要特点是: 1.SDB是多数载流子器件,而p-n结二极管电流取决于非平衡少数载流子的扩散运动. 2. p-n结二极管中,少数载流子注入造成非平衡载流子在势垒区两侧界面的积累,外加电压变化,电荷积累和消失需有一弛豫过程(电荷存储效应),严重影响了p-n结二极管的高频性能.SDB器件不发生电荷存储现象,使得它在高频、高速器件中有重要作用。 3.SDB的正向开启电压比p-n的低；而反向饱和电流比p-n的大。这是因为多数载流子电流远高于少数载流子电流。SDB中通常存在额外的漏电流和软击穿（拐角效应）。 4.欧姆接触（Ohmic Contact） 由于表面态的影响，不能通过选择金属的功函数来实现欧姆接触（理论上说，WmWns 或 WmWps可形成反阻挡层）。 在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。采用重掺杂半导体与金属接触。 从电学上讲，理想的欧姆接触的接触电阻应当很小，同时还应具有线性的和对称的电流—电压关系。 （1）表面态对接触势垒的影响 WmWs WmWs （2）欧姆接触的实现 用重掺杂的半导体与金属接触 第5章 半导体中电子的控制 5.1 半导体与外界作用 5.2 半导体与金属 5.3 半导体与半导体 5.4 半导体与绝缘体 5.4 半导体与绝缘体 一.绝缘栅结构 类似于半导体-半导体结构，从能带图入手分析 半导体-绝缘体结构 与金-半接触，p-n结相比，这种利用绝缘墙壁、区域位置、掺杂类型和外加电势等因素综合控制载流子浓度的设计，使电子的控制技术达到了一个全新的高度，促成了我们目前最基本和常见的MOS晶体管的诞生。 反型层 P型变为n 型 + - 二.介质电荷 半导体硅器件表面的绝缘层（介质层）—SiO2 绝缘层质量，影响器件稳定性 主要是钠离子，温度或偏压下迁移，影响器件稳定性。 存在于Si-SiO2界面处的几十nm范围内，电荷密度相对稳定，位置相对固定，影响C-V特性。 Si-SiO2界面处位于禁带中的能级或能带，可以迅速与半导体交换电荷。 SiO2层中存在 可动离子 固定表面电荷 Si-SiO2界面处的快界面态 电离陷阱电荷 由于各种工艺原因或x射线，γ射线、电子射线等引起。 三.表面态 半导体—绝缘空气 表面的硅原子存在不饱和键（悬挂键）。 晶体缺陷或吸附原子 引起表面态 施主型 受主型 表面能态被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性。 表面能态空着时呈电中性，接受电子后呈负电性。 硅表面存在悬挂键 在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、氧化物或与电解液中的物质发生作用等原因，表面电子之量子状态会形成分立的能级或很窄的能带，称为表面态。它可以俘获或释放载流子，或形成复合中心，使半导体带有表面电荷，影响其电性能。 表面的硅原子存在不饱和键（悬挂键），与体内交换电子或空穴 体内电子到表面，表面带负电 表面可能为多子耗尽层或耗尽层+ p型反型层 体内空穴到表面，表面带正电 表面可能存在多子耗尽层或耗尽层+ n型反型层 若n型半导体的EF低于ESF,如何分析? 若p型半导体的EF高于ESF,如何分析? 表面吸附原子，形成表面态。 吸附氧化性气体 吸附还原性气体 例，氧原子的电子亲和能（实验值146kJ/mol）高于硅原子（实验值