電子工程物理基礎(chǔ)v1.15-2

1、電子工程物理基礎(chǔ)（5）,唐潔影東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,第5章 半導(dǎo)體中電子的控制,5.1 半導(dǎo)體與外界作用,5.2 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體,5.3 半導(dǎo)體與金屬,5.4 半導(dǎo)體與絕緣體,5.3 半導(dǎo)體與金屬（metal-semiconductor contact）,功函數(shù),,,,電子親和能,1. 能帶圖,(1) M-S(n型), Wm>Ws,n型阻擋層,(2) M-S(n型) , Wm<Ws,n型反阻擋層,(3) M-S(p

2、型) , Wm<Ws,p型阻擋層,(4) M-S(p型) , Wm >Ws,p型反阻擋層,P型半導(dǎo)體的價(jià)帶電子向金屬一側(cè)轉(zhuǎn)移,（對阻擋層而言）,金屬與半導(dǎo)體接觸可以形成阻擋層（肖特基勢壘Schottky Barrier）與反阻擋層，前者具有與p-n結(jié)相似的整流特性，而后者具有歐姆特性。,外加電壓對n型半導(dǎo)體的影響：,（1）加正電壓（金屬接“+”）,2. 整流特性,勢壘高度隨外加正電壓的增加而降低,因此由半導(dǎo)體流向金屬的凈電子

3、流增加.,（2）加反向電壓（金屬接“－”）,,,,,,勢壘高度隨外加反電壓的增加而身升高,因而從半導(dǎo)體到金屬的電子減少,反向電流主要由金屬到半導(dǎo)體的電子流構(gòu)成,金屬凈電子流增加.,實(shí)際I-V特性將偏離理想情況。如,1. 反向電流不飽和現(xiàn)象,2.正向電流上升比較緩慢.,3.肖特基勢壘二極管,(1) 結(jié)構(gòu),,光刻產(chǎn)生的陡削的邊沿,Si-SiO2界面存在正固定電荷,,拐角處有過量的電流,(2)與p-n結(jié)二極管的比較,主要特點(diǎn)是:,1.SDB是

4、多數(shù)載流子器件,而p-n結(jié)二極管電流取決于非平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).,2. p-n結(jié)二極管中,少數(shù)載流子注入造成非平衡載流子在勢壘區(qū)兩側(cè)界面的積累,外加電壓變化,電荷積累和消失需有一弛豫過程(電荷存儲效應(yīng)),嚴(yán)重影響了p-n結(jié)二極管的高頻性能.SDB器件不發(fā)生電荷存儲現(xiàn)象,使得它在高頻、高速器件中有重要作用。,3.SDB的正向開啟電壓比p-n的低；而反向飽和電流比p-n的大。這是因?yàn)槎鄶?shù)載流子電流遠(yuǎn)高于少數(shù)載流子電流。SDB中通常存在

5、額外的漏電流和軟擊穿（拐角效應(yīng)）。,4.歐姆接觸（Ohmic Contact）,由于表面態(tài)的影響，不能通過選擇金屬的功函數(shù)來實(shí)現(xiàn)歐姆接觸（理論上說，WmWps可形成反阻擋層）。,在生產(chǎn)實(shí)際中，主要是利用隧道效應(yīng)的原理在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。采用重?fù)诫s半導(dǎo)體與金屬接觸。,從電學(xué)上講，理想的歐姆接觸的接觸電阻應(yīng)當(dāng)很小，同時(shí)還應(yīng)具有線性的和對稱的電流—電壓關(guān)系。,（1）表面態(tài)對接觸勢壘的影響,Wm>Ws,Wm<Ws,（2）歐姆接觸

6、的實(shí)現(xiàn),用重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸,第5章 半導(dǎo)體中電子的控制,5.1 半導(dǎo)體與外界作用,5.2 半導(dǎo)體與金屬,5.3 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體,5.4 半導(dǎo)體與絕緣體,5.4 半導(dǎo)體與絕緣體,,一.絕緣柵結(jié)構(gòu),類似于半導(dǎo)體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，從能帶圖入手分析,半導(dǎo)體-絕緣體結(jié)構(gòu),,與金-半接觸，p-n結(jié)相比，這種利用絕緣墻壁、區(qū)域位置、摻雜類型和外加電勢等因素綜合控制載流子濃度的設(shè)計(jì)，使電子的控制技術(shù)達(dá)到了一個(gè)全新的高度，促成了我們目前最基本和常見的

7、MOS晶體管的誕生。,反型層,P型變?yōu)閚 型,+ -,,二.介質(zhì)電荷,半導(dǎo)體硅器件表面的絕緣層（介質(zhì)層）—SiO2,絕緣層質(zhì)量，影響器件穩(wěn)定性,主要是鈉離子，溫度或偏壓下遷移，影響器件穩(wěn)定性。,存在于Si-SiO2界面處的幾十nm范圍內(nèi)，電荷密度相對穩(wěn)定，位置相對固定，影響C-V特性。,Si-SiO2界面處位于禁帶中的能級或能帶，可以迅速與半導(dǎo)體交換電荷。,由于各種工藝原因或x射線，γ射線、電子射線等引起。,,三.表面態(tài),半導(dǎo)體—

8、絕緣空氣,表面的硅原子存在不飽和鍵（懸掛鍵）。,晶體缺陷或吸附原子,引起表面態(tài),施主型,受主型,表面能態(tài)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，施放電子后呈正電性。,表面能態(tài)空著時(shí)呈電中性，接受電子后呈負(fù)電性。,硅表面存在懸掛鍵,在半導(dǎo)體的表面，由于存在自身缺陷、吸附物質(zhì)、氧化物或與電解液中的物質(zhì)發(fā)生作用等原因，表面電子之量子狀態(tài)會形成分立的能級或很窄的能帶，稱為表面態(tài)。它可以俘獲或釋放載流子，或形成復(fù)合中心，使半導(dǎo)體帶有表面電荷，影響其電性能。,表面的

9、硅原子存在不飽和鍵（懸掛鍵），與體內(nèi)交換電子或空穴,,體內(nèi)電子到表面，表面帶負(fù)電,,表面可能為多子耗盡層或耗盡層+ p型反型層,體內(nèi)空穴到表面，表面帶正電,表面可能存在多子耗盡層或耗盡層+ n型反型層,若n型半導(dǎo)體的EF低于ESF,如何分析?,若p型半導(dǎo)體的EF高于ESF,如何分析?,表面吸附原子，形成表面態(tài)。,吸附氧化性氣體,吸附還原性氣體,例，氧原子的電子親和能（實(shí)驗(yàn)值146kJ/mol）高于硅原子（實(shí)驗(yàn)值120kJ/mol ），所