異質(zhì)結(jié)和MIS結(jié)構(gòu)..ppt

異質(zhì)結(jié)和MIS結(jié)構(gòu) 成龍 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 以前討論的pn結(jié) 是由導(dǎo)電類(lèi)型相反的同一種半導(dǎo)體單晶體材料組成的 通常也稱為同質(zhì)結(jié) 而兩種不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié) 則稱為異質(zhì)結(jié) 本章主要討論半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的種類(lèi) 能帶結(jié)構(gòu) C V I V特性 并簡(jiǎn)單介紹一些應(yīng)用 根據(jù)兩種半導(dǎo)體單晶材料的導(dǎo)電類(lèi)型 異質(zhì)結(jié)可分為以下兩類(lèi) 1 反型異質(zhì)結(jié) 導(dǎo)電類(lèi)型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料所形成 如p nGe GaAs2 同型異質(zhì)結(jié) 導(dǎo)電類(lèi)型相同的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料所形成 如n nGe GaAs異質(zhì)結(jié)也可以分為突變型異質(zhì)結(jié)和緩變形異質(zhì)結(jié)兩種 1 突變型異質(zhì)結(jié) 兩種半導(dǎo)體的過(guò)渡只發(fā)生于幾個(gè)原子范圍內(nèi) 2 緩變型異質(zhì)結(jié) 發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi) 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的種類(lèi) 如圖表示兩種不同的半導(dǎo)體材料沒(méi)有形成異質(zhì)結(jié)前后的熱平衡能帶圖 有下標(biāo) 1 者為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù) 有下標(biāo) 2 者為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù) 圖1形成突變pn異質(zhì)結(jié)之前和之后的平均能帶圖 1 突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖 如從圖中可見(jiàn) 在形成異質(zhì)結(jié)之前 p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF1的位置為而n型的半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF2的位置為當(dāng)這兩塊導(dǎo)電類(lèi)型相反的半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí) 由于n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位置高 電子將從n型半導(dǎo)體流向p半導(dǎo)體 同時(shí)空穴在與電子相反的方向流動(dòng) 直至兩塊半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)相等為止 這時(shí)兩塊半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí) 即因而異質(zhì)結(jié)處于熱平衡狀態(tài) 兩塊半導(dǎo)體材料交界面的兩端形成了空間電荷區(qū) n型半導(dǎo)體一邊為正空間電荷區(qū) p型半導(dǎo)體一邊為負(fù)空間電荷區(qū) 正負(fù)空間電荷間產(chǎn)生電場(chǎng) 也稱為內(nèi)建電場(chǎng) 因?yàn)殡妶?chǎng)存在 電子在空間電荷區(qū)中各點(diǎn)有附加電勢(shì)能 是空間電荷區(qū)中的能帶發(fā)生彎曲 由于EF2比EF1高 則能帶總的彎曲量就是真空電子能級(jí)的彎曲量即 顯然處于熱平衡狀態(tài)的pn異質(zhì)結(jié)的能帶圖如圖1右圖所示 從圖中看到有兩塊半導(dǎo)體材料的交界面即附近的能帶可反應(yīng)出兩個(gè)特點(diǎn) 1 能帶發(fā)生了彎曲 2 能帶再交界面處不連續(xù) 有一個(gè)突變 兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在交界面的處突變?yōu)槎鴥r(jià)帶頂?shù)耐蛔優(yōu)?而且以上結(jié)果對(duì)所有突變異質(zhì)結(jié)普遍適用 如下圖所示 突變np異質(zhì)結(jié)能帶圖 其情況與pn異質(zhì)結(jié)類(lèi)似 NP異質(zhì)結(jié)能帶圖 2 突變同型異質(zhì)結(jié)的能帶圖圖2為均是n型的兩種不同的半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)之間的平衡能帶圖 右圖為形成異質(zhì)結(jié)之后的平衡能帶圖 當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí) 由于禁帶寬度大的n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比禁帶寬度小的高 所以電子將從前者向后者流動(dòng) 圖2 形成同型異質(zhì)結(jié)前后的能帶圖 對(duì)于反型異質(zhì)結(jié) 兩種半導(dǎo)體材料的交界面兩邊都成了耗盡層 而在同型異質(zhì)結(jié)中 一般必有一變成為積累層 如下圖所示 pp異質(zhì)結(jié)在熱平衡時(shí)的能帶圖 其情況與nn異質(zhì)結(jié)類(lèi)似 實(shí)際上由于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 電子親和能及功函數(shù)的不同 能帶的交界面附近的變化情況會(huì)有所不同 以突變pn異質(zhì)結(jié)為例 如圖所示 設(shè)p型和n型半導(dǎo)體中的雜志都是均勻分布的 則交界面兩邊的勢(shì)壘區(qū)中的電荷密度可以寫(xiě)成 突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差及勢(shì)壘區(qū)寬度 勢(shì)壘區(qū)總寬度為勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的正負(fù)電荷總量相等 即上式可以化簡(jiǎn)為設(shè)V x 代表勢(shì)壘區(qū)中x電的電勢(shì) 則突變反型異質(zhì)結(jié)交界面兩邊的泊松方程分別為 將以上兩式積分一次得 因勢(shì)壘區(qū)外是電中性的 電場(chǎng)集中在勢(shì)壘區(qū)內(nèi) 故邊界條件為由邊界條件得 代入原式為 對(duì)以上兩式繼續(xù)積分得在熱平衡條件下 異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差VD為而VD在交界面p型半導(dǎo)體一側(cè)的電勢(shì)差為 而VD在交界面n型半導(dǎo)體一側(cè)的電勢(shì)差為在交界面處 電勢(shì)連續(xù)變化 故令V1 x1 0 則VD V2 x2 并代入式V1 X V2 X 中得因此 將D1 D2分別代入原式得 由V1 x0 V2 x0 即得接觸電勢(shì)差VD為而 由式得 將上述兩式代入VD x 得從而算得勢(shì)壘區(qū)寬度XD為 在交界面兩側(cè) 兩種半導(dǎo)體中的勢(shì)壘寬度分別為將上述兩式分別代入VD1 VD2中得 得VD1與VD2之比為以上是在沒(méi)有外加電壓的情況下 突變反型異質(zhì)結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)得到的一些公式 若在異質(zhì)結(jié)上施加外加電壓V 可以得到異質(zhì)結(jié)處于非平衡狀態(tài)時(shí)的一系列公式 以上所得公式 將下標(biāo)1與2互換之后 就能用于突變np異質(zhì)結(jié) 突變反型異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘電容 可以用和計(jì)算普通pn結(jié)的勢(shì)壘電容類(lèi)似的方法計(jì)算如下 將聯(lián)立得將外加偏壓下XD的表達(dá)式代入得 突變反型異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘電容 有微分電容C dQ dV 即可求的單位面積勢(shì)壘電容和外加電壓的關(guān)系為 若結(jié)面積為A 則勢(shì)壘電容為將上式寫(xiě)成如下形式 可見(jiàn) 與外電壓V呈線性關(guān)系 而直線的斜率是若已知一種半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)濃度 則由斜率可算出另一種半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)濃度 突變同型異質(zhì)結(jié)的若干公式對(duì)于突變同型異質(zhì)結(jié) 禁帶寬度小的半導(dǎo)體一側(cè)是積累層 禁帶寬度大的半導(dǎo)體一側(cè)是耗盡層 從電中性條件和泊松方程求得的接觸電勢(shì)差為超越函數(shù) 有關(guān)公式如下 在時(shí) 有 如圖半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)界面導(dǎo)帶連接處存在一勢(shì)壘尖峰 根據(jù)尖峰高低的不同有兩種情況 上圖表示勢(shì)壘尖峰低于p區(qū)導(dǎo)帶底的情況 稱為低勢(shì)壘尖峰情況 下圖表示勢(shì)壘尖峰高于p區(qū)導(dǎo)帶底的情況 稱為高勢(shì)壘尖峰情況 突變異質(zhì)結(jié)pn結(jié)的電流 電壓特性 低勢(shì)壘尖峰與高勢(shì)壘尖峰情形 根據(jù)上述 低尖峰勢(shì)壘情形是異質(zhì)結(jié)的電子流主要有擴(kuò)散機(jī)制決定 可用擴(kuò)散模型處理 如下圖中表示其正偏壓時(shí)的能帶圖 p型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子濃度n10與n型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度的關(guān)系為 取交界面x 0 當(dāng)異質(zhì)結(jié)加正向偏壓V時(shí) 異質(zhì)結(jié)正偏壓時(shí)的能帶圖 在穩(wěn)定情況下 p型半導(dǎo)體中注入少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程為其通解為由邊界條件 x 時(shí) n n10 得A 0 當(dāng)x x1時(shí) 將n1 x1 代入上式有 從而求得電子擴(kuò)散電流密度 上式為由n型區(qū)注入p型區(qū)的電子擴(kuò)散電流密度 以下計(jì)算由p型區(qū)注入n型區(qū)的空穴電流密度 從p區(qū)價(jià)帶頂?shù)目昭▌?shì)壘高度為在熱平衡時(shí)n型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴的濃度與p型半導(dǎo)體中的空穴濃度關(guān)系正向電壓V時(shí)在n區(qū)x x2處的空穴濃度增加為 與前面相同 求解空穴擴(kuò)散方程 從而求得空穴擴(kuò)散電流密度由上述Jn Jp可得外加電壓 通過(guò)異質(zhì)pn結(jié)的總電流為 上式證明正向電壓時(shí)電流隨電壓按指數(shù)關(guān)系增加 對(duì)于高尖峰勢(shì)壘情形 如圖所示 通過(guò)異質(zhì)結(jié)的電流是由發(fā)射機(jī)制控制的 以下用熱電子發(fā)射模型計(jì)算其電流密度 設(shè)n區(qū)電子熱運(yùn)動(dòng)平均速度為 則單位時(shí)間從n區(qū)撞擊到勢(shì)壘處單位面積上的電子數(shù)為 圖 高尖峰勢(shì)壘情形 故由n區(qū)注入p區(qū)的電子電流密度同理得到從p區(qū)注入n區(qū)電子流密度為得到 總電流密度由于異質(zhì)結(jié)情況的復(fù)雜性 上式也只得到了小部分異質(zhì)結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的證實(shí) 正向電壓時(shí) 主要由從n區(qū)注入p區(qū)的電子流形成 則說(shuō)明發(fā)射模型也同樣得到正向時(shí)電流隨電壓按指數(shù)關(guān)系增加 不能用于加反向電壓的情況 異質(zhì)pn結(jié)的應(yīng)用 對(duì)于NPN型雙極型晶體管 其結(jié)構(gòu)如圖所示 發(fā)射結(jié)效率定義為 NPN型雙極型晶體管結(jié)構(gòu) 式中Jn和Jp分別表示由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子電流濃度和由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流密度 當(dāng)接近于1時(shí) 才能獲得高的電流放大倍數(shù) 對(duì)于同質(zhì)結(jié)的雙晶體管 為了提高電子發(fā)射效率 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度應(yīng)較基區(qū)摻雜濃度高幾個(gè)數(shù)量級(jí) 這就限制了基區(qū)摻雜濃度不能太高 增加基區(qū)的電阻 而為了減小基區(qū)電阻 基區(qū)寬度就不能太薄 影響了頻率特性的提高 采用寬禁帶n型半導(dǎo)體和窄禁帶p型半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)作為發(fā)射結(jié) 則獲得高的注入比和發(fā)射效率 使基區(qū)厚度大大減薄 從而大大提高晶體管的頻率特性 使用這種結(jié)構(gòu)制作的雙極晶體管稱為異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 由前面分析 可得異質(zhì)pn結(jié)電子電流與空穴電流的注入比為在p區(qū)和n區(qū)雜質(zhì)完全電離的情況上式可表為 其中 E EC EV式中Dn1 Dn2及Lp2 Ln1相差不大 都在同一數(shù)量級(jí) 而可遠(yuǎn)大于1 由式中可以看出 即使p區(qū)摻雜濃度很大 仍看可以得到很大的注入比 以寬禁帶n型和窄禁帶p型GaAs組成的pn結(jié)為例 其禁帶寬度之差 設(shè)p區(qū)摻雜濃度為 n區(qū)摻雜濃度為 由上式可得這表明即使禁帶寬n區(qū)摻雜濃度較p區(qū)低近兩個(gè)數(shù)量級(jí) 但注入比仍可高達(dá) 異質(zhì)pn結(jié)的這一高注入特性是區(qū)別于同質(zhì)pn結(jié)的主要特點(diǎn)之一 也因此得到重要應(yīng)用 MIS結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 英語(yǔ) field effecttransistor 縮寫(xiě) FET 是一種通過(guò)電場(chǎng)效應(yīng)控制電流的電子元件 它依靠電場(chǎng)去控制導(dǎo)電溝道形狀 因此能控制半導(dǎo)體材料中某種類(lèi)型載流子的溝道的導(dǎo)電性 場(chǎng)效應(yīng)管工作的關(guān)鍵部分為金屬 絕緣層 半導(dǎo)體 MIS 接觸的結(jié)構(gòu) 如下圖所示 金屬對(duì)應(yīng)的電極為柵極 其外加偏壓為VG 當(dāng)VG 0時(shí) 該結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)如圖所示 MIS接觸平衡時(shí)的能帶結(jié)構(gòu) 隨著金屬與半導(dǎo)體之間所加偏壓VG的變化 其能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出以下不同的狀態(tài) 1 多數(shù)載流子堆積狀態(tài) 積累層 VG 0時(shí) 電場(chǎng)由體內(nèi)指向表面 能帶向上彎曲 形成空穴勢(shì)阱 多子空穴被吸引至表面附近 因而表面空穴濃度高于體內(nèi) 形成多子積累 成為積累層 2 耗盡狀態(tài) 耗盡層 VG 0時(shí) 表面處空穴被排斥走 當(dāng)空穴勢(shì)壘足夠高時(shí) 表面層價(jià)帶空穴極為稀少 可認(rèn)為該層多子空穴被耗盡 稱為耗盡層 3 少數(shù)載流子反型狀態(tài) 反型層 VG 0 開(kāi)始出現(xiàn)反型層的條件 強(qiáng)反型層出現(xiàn)的條件 型襯底表面處的電子密度等于體內(nèi)的空穴濃度時(shí) 強(qiáng)反型層條件 Ef Eis Ei0 Ef 當(dāng)外加電壓繼續(xù)增大 能帶繼續(xù)向下彎曲 表面處的少數(shù)載流子濃度等于體內(nèi)的多數(shù)載流子濃度時(shí) 能帶發(fā)生強(qiáng)反型 此時(shí) 表面耗盡層寬度達(dá)到一個(gè)極大值 不再隨外加電壓的增加而增加 這是因?yàn)榉葱蛯又蟹e累電子屏蔽了外電場(chǎng)的作用 實(shí)際應(yīng)用 MIS結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用為場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET 場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用非常廣泛 可應(yīng)用于放大電路 用作可變電阻 恒流源 還可以用作電子開(kāi)關(guān)等 用作MOSFET時(shí) 其結(jié)構(gòu)如圖所示 MOSFET結(jié)構(gòu) 如圖所示 襯底引線和源極接地 柵極和漏極接正向偏壓 當(dāng)柵極電壓較小時(shí) p型襯底和氧化層的界面處尚未達(dá)到反型 源極和漏極未導(dǎo)通 隨著柵極正向偏壓的增大 p型襯底達(dá)到反型 在襯底表面處形成n型溝道 使得場(chǎng)效應(yīng)管源極和漏極導(dǎo)通而通過(guò)反型溝道導(dǎo)電 這一原理可用作電子開(kāi)關(guān) MOSFET結(jié)構(gòu) 此時(shí) 當(dāng)VDS較小時(shí)溝道區(qū)具有電阻的特性 因此可得 其中溝道電導(dǎo) 1 對(duì)于較小的VDS 當(dāng)VGS VT時(shí) 漏電流為零 如圖中虛線所示 2 當(dāng)VGS VT時(shí) 溝道反型層電荷密度增大 從而增大溝道電導(dǎo) gd越大 圖中的ID VDS的特性曲線的斜率也越大 如圖中的曲線 2 所示 3 當(dāng)VDS增大時(shí) 由于漏電壓增大 漏端附近的氧化層壓降減小 即漏端附近的反型層電荷密度也減小 漏端溝道電導(dǎo)減小 從而ID VDS的特性曲線斜率減小 如圖中ab段所示 4 當(dāng)VDS增大到漏端的氧化層壓降等于VT時(shí) 漏極處的反型層電荷密度為零 此時(shí)漏極處的電導(dǎo)為零 即ID VDS的特性曲線斜率為零 如圖中b點(diǎn)所示 5 當(dāng)VDS繼續(xù)增大 漏端氧化層的壓降小于VT時(shí) 溝道中反型電荷為零的點(diǎn)移向源端 這時(shí) 電子從源端進(jìn)入溝道 通過(guò)溝道流向漏端 在電荷為零的點(diǎn)處 電子被注入空間電荷區(qū) 并被電場(chǎng)推向漏端 假設(shè)溝道長(zhǎng)度的變化很小 此時(shí)漏電流為一常數(shù) 這種情形在ID VDS的特性曲線中對(duì)應(yīng)于飽和區(qū) 如圖bc段所示 MIS結(jié)構(gòu)的另一個(gè)應(yīng)用是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 JEFT 該晶體管