電子工程物理基礎(chǔ)v1.1(5-2)

1、唐潔影唐潔影東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院第第5 5章章 半導(dǎo)體中電子的控制半導(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 5.3 半導(dǎo)體與金屬半導(dǎo)體與金屬（metal-semiconductor contact）s sm ms sm ms sm ms sm mW WW WW WW WP P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體金金屬屬W WW WW WW Wn n型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體金金屬屬四四種種類(lèi)類(lèi)型型功函數(shù)功函數(shù)電子親和能1. 能帶圖能帶圖(1) M-S(n型型), WmWsnsDssnsDssmsmsqqqVWqVWWWn

2、型阻擋層型阻擋層D Dm ms sq qV VW WW W(2) M-S(n型型) , WmWsm ms ss ss sD Dnsnsm ms sD DW WW WqVqVq qW WW WqVqV)(n型反阻擋層型反阻擋層(3) M-S(p型型) , WmWsp型反阻擋層型反阻擋層s sm ms ss sD Dpspss sm mD D- -W WW WqVqVq qW WW WqVqV)(P型半導(dǎo)體的價(jià)帶電子向金屬一側(cè)轉(zhuǎn)移（對(duì)阻擋層而言）（對(duì)阻擋層而言） 金屬與半導(dǎo)體接觸可以形成金屬與半導(dǎo)體接觸可以形成阻擋層阻擋層（肖特基勢(shì)壘（肖特基勢(shì)壘Schottky Barrier）與）與反阻擋層反阻

3、擋層，前者具有與，前者具有與p-n結(jié)相似的結(jié)相似的整流特性整流特性，而，而后者具有后者具有歐姆特性歐姆特性。外加電壓對(duì)外加電壓對(duì)n型半導(dǎo)體的影響：型半導(dǎo)體的影響：（1）加正電壓（金屬接）加正電壓（金屬接“+”）2. 整流特性整流特性勢(shì)壘高度隨外勢(shì)壘高度隨外加正電壓的增加正電壓的增加而降低加而降低, ,因此因此由半導(dǎo)體流向由半導(dǎo)體流向金屬的凈電子金屬的凈電子流增加流增加. .（2）加反向電壓（金屬接）加反向電壓（金屬接“”）勢(shì)壘高度隨外加反電壓的增加而身升高勢(shì)壘高度隨外加反電壓的增加而身升高, ,因而從半導(dǎo)體到金因而從半導(dǎo)體到金屬的電子減少屬的電子減少, ,反向電流主要由金屬到半導(dǎo)體的電子流構(gòu)成

4、反向電流主要由金屬到半導(dǎo)體的電子流構(gòu)成, ,金屬凈電子流增加金屬凈電子流增加. .實(shí)際實(shí)際I-V特性將偏離理想情況。如特性將偏離理想情況。如1. 反向電流不飽和現(xiàn)象反向電流不飽和現(xiàn)象2.正向電流上升比較緩慢正向電流上升比較緩慢.3.肖特基勢(shì)壘二極管肖特基勢(shì)壘二極管(1) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)光刻產(chǎn)生的陡削的邊沿光刻產(chǎn)生的陡削的邊沿Si-SiOSi-SiO2 2界面存在正固定電荷界面存在正固定電荷拐角處有過(guò)拐角處有過(guò)量的電流量的電流(2)(2)與與p-np-n結(jié)二極管的比較結(jié)二極管的比較主要特點(diǎn)是主要特點(diǎn)是: :1.SDB1.SDB是多數(shù)載流子器件是多數(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

5、流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng). 2. p-n2. p-n結(jié)二極管中結(jié)二極管中, ,少數(shù)載流子注入造成非平衡載流子在勢(shì)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(guò)程( (電荷存儲(chǔ)效應(yīng)電荷存儲(chǔ)效應(yīng)),),嚴(yán)重影響了嚴(yán)重影響了p-n結(jié)二極管的高頻性結(jié)二極管的高頻性能能. .SDBSDB器件不發(fā)生電荷存儲(chǔ)現(xiàn)象器件不發(fā)生電荷存儲(chǔ)現(xiàn)象, ,使得它在高頻、高速器件中使得它在高頻、高速器件中有重要作用。有重要作用。3.SDB3.SDB的正向開(kāi)啟電壓比的正向開(kāi)啟電壓比p-np-n的低；而反向飽和電流比的低；而反向飽和電流比p-np-n的的大。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。SDBSDB中通常存

6、在額外的漏電流和軟擊穿（拐角效應(yīng)）。中通常存在額外的漏電流和軟擊穿（拐角效應(yīng)）。4.歐姆接觸（歐姆接觸（Ohmic Contact） 由于由于表面態(tài)的影響表面態(tài)的影響，不能通過(guò)選擇金屬的功函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不能通過(guò)選擇金屬的功函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)歐歐姆接觸（理論上說(shuō)，姆接觸（理論上說(shuō)，WmWns WmWpsWmWps可形成反阻擋層）?？尚纬煞醋钃鯇樱?。 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)體上制造歐姆接觸歐姆接觸。采用重?fù)诫s半導(dǎo)體與金屬接觸采用重?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)還從電學(xué)上講，理想的歐姆接觸的接

7、觸電阻應(yīng)當(dāng)很小，同時(shí)還應(yīng)具有線性的和對(duì)稱(chēng)的電流應(yīng)具有線性的和對(duì)稱(chēng)的電流電壓關(guān)系。電壓關(guān)系。（1）表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響）表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響WmWsWmWs（2）歐姆接觸的實(shí)現(xiàn)）歐姆接觸的實(shí)現(xiàn)用重?fù)诫s的半導(dǎo)用重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸體與金屬接觸第第5 5章章 半導(dǎo)體中電子的控制半導(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 5.4 半導(dǎo)體與絕緣體半導(dǎo)體與絕緣體5.4 5.4 半導(dǎo)體與絕緣體半導(dǎo)體與絕緣體一一.絕緣柵結(jié)構(gòu)絕緣柵結(jié)構(gòu)類(lèi)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(lèi)

8、型和外加電勢(shì)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(jiàn)的MOS晶體管的誕生。反型層反型層P型變?yōu)閚 型+ -二二.介質(zhì)電荷介質(zhì)電荷半導(dǎo)體硅器件表面的絕緣層（介質(zhì)層）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，溫度或偏壓主要是鈉離子，溫度或偏壓下遷移，影響器件穩(wěn)定性。下遷移，影響器件穩(wěn)定性。存在于存在于Si-SiO2界面處的幾十界面處的幾十nm范圍內(nèi)，電荷密度相對(duì)穩(wěn)定，范圍內(nèi)，電荷密度相對(duì)穩(wěn)定，位置相對(duì)固定，影響位置相對(duì)固定，影響C-V特性。特性。Si-SiO2界面處位于禁帶中的

9、界面處位于禁帶中的能級(jí)或能帶，可以迅速與半導(dǎo)能級(jí)或能帶，可以迅速與半導(dǎo)體交換電荷。體交換電荷。SiO2層中層中存在存在可動(dòng)離子可動(dòng)離子固定表面電荷固定表面電荷Si-SiO2界面處界面處的快界面態(tài)的快界面態(tài)電離陷阱電離陷阱電荷電荷由于各種工藝原因或由于各種工藝原因或x射線，射線，射線、射線、電子射線等引起。電子射線等引起。三三.表面態(tài)表面態(tài)半導(dǎo)體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

10、中的物質(zhì)發(fā)生作用等原因，表面電子之量子狀態(tài)會(huì)形成分立的能級(jí)或很窄的能帶，稱(chēng)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)。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例，氧原子的電子親和能（實(shí)驗(yàn)值（實(shí)驗(yàn)值146kJ/mol146kJ/mol）高于硅）高于硅原子（實(shí)驗(yàn)值原子