半导体物理_第七章分析.ppt

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； §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。 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： §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） 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。 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 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： 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NaNd，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。 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。 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。 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 各种不同金属材料的功函数,电子亲和势则如下表所示。 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。 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。  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：   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： 2. 反偏状