第五章半導(dǎo)體的表面界面及接觸現(xiàn)象

第五章半導(dǎo)體的表面界面及接觸現(xiàn)象第1頁，共73頁。一、理想表面和實(shí)際表面理想表面：表面處的原子和電子狀態(tài)同晶體內(nèi)部的原子和電子狀態(tài)一樣。即表面層中原子排列的對稱性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無限晶體表面。實(shí)際表面又分為：清潔表面：在表面沒有吸附雜質(zhì)，也沒有被氧化的實(shí)際表面。真實(shí)表面：表面原子生成氧化物或其它化合物?！?-1半導(dǎo)體的表面第2頁，共73頁。二、表面態(tài)求解薛定諤方程→在x=0處，出現(xiàn)新的本征值→附加的電子能態(tài)→表面態(tài)清潔表面的電子態(tài)，稱為本征表面態(tài)。真實(shí)表面：吸附原子或其它不完整性，產(chǎn)生表面電子態(tài)，稱為外誘表面態(tài)。表面態(tài)可分為施主型表面態(tài)和受主型表面態(tài)。

第3頁，共73頁。SiSiSiSiSiSi例如硅(111)面，在超高真空下可觀察到(7×7)結(jié)構(gòu)，即表面上形成以(7×7)個(gè)硅原子為單元的二維平移對稱性結(jié)構(gòu)硅表面懸掛鍵示意圖由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴。N型硅表面帶負(fù)電。第4頁，共73頁。從硅表面態(tài)的實(shí)驗(yàn)測量中證實(shí)：其表面能級由兩組組成：一組為施主能級，另一組為受主能級，靠近導(dǎo)帶。此外，在表面處還存在由于晶體缺陷或吸附原子等原因引起的表面態(tài)：其特點(diǎn)是，其數(shù)值與表面經(jīng)過的處理方法有關(guān)，而達(dá)姆表面態(tài)對給定晶體在“潔凈”表面時(shí)為一定值。表面態(tài)對半導(dǎo)體各中物理過程有重要影響，特別是對許多半導(dǎo)體器件的性能影響更大。第5頁，共73頁?！?-2半導(dǎo)體的表面電場一、形成表面電場的因素1．表面態(tài)的影響

由于表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子，結(jié)果產(chǎn)生了垂直于表面的電場。(EF)s→表面費(fèi)米能級(EF)s≠EF如果(EF)s＜EFEcEvEF(EF)s?+－E第6頁，共73頁。EoEcEv(EF)sWsWm金屬(M)半導(dǎo)體(S)+－E(EF)m2．功函數(shù)的差異WS>WM，即(EF)S

<(EF)M，形成由金屬半導(dǎo)體的電場如果WS<WM，即(EF)S>(EF)M半導(dǎo)體中的電子向金屬流動(dòng)，形成由半金的電場第7頁，共73頁。3．氧化層中的雜質(zhì)離子4．外加偏壓引入表面態(tài)的概念，說明表面態(tài)的來源。熱平衡狀態(tài)下理想MIS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體的表面電場效應(yīng)，包括表面勢，表面空間電荷區(qū)的電場、電勢和電容。理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性，并討論金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)差、絕緣層電荷對MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性的影響。+++－－－－－SI－ME第8頁，共73頁。二、表面電場效應(yīng)

研究在外加電場作用下半導(dǎo)體表面層內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。1.表面態(tài)晶體自由表面的存在使其周期性勢場在表面處發(fā)生中斷，引起附加能級，即表面態(tài)。表面態(tài)可看作表面最外層的原子未飽和鍵（懸掛鍵）所對應(yīng)得電子能態(tài)，另外表面處還有由于晶體缺陷或吸附原子等原因引起的表面態(tài)。表面態(tài)改變了晶體周期性勢場，它和半導(dǎo)體內(nèi)部交換電子和空穴，半導(dǎo)體表面狀況會嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件和集成電路的電學(xué)特性，尤其是穩(wěn)定性和可靠性。第9頁，共73頁。2．空間電荷區(qū)和表面勢在金屬中，自由電子密度很高，電荷基本上分布在一個(gè)原子層的厚度范圍內(nèi)；而在半導(dǎo)體中，自由載流子密度低得多，電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)；這個(gè)帶電的表面層稱做空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)內(nèi)，從表面到內(nèi)部電場逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，場強(qiáng)減小到零。d金屬絕緣體半導(dǎo)體歐姆接觸MIS結(jié)構(gòu)MIS結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容，在金屬與半導(dǎo)體之間加電壓后，金屬與半導(dǎo)體相對的兩個(gè)面上就會被充電。(M、S所帶電荷符號相反)。第10頁，共73頁。－－－－－－－－－－+++++++++－MISVG空間電荷區(qū)理想的MIS結(jié)構(gòu)：M、S之間功函數(shù)差＝0；IS界面處不存在其它界面態(tài)；絕緣層中無電荷流動(dòng)，I層不導(dǎo)電?？臻g電荷層兩端的電勢差稱為表面勢，即表面與體內(nèi)的電勢差，用VS表示。金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓為VG第11頁，共73頁。x0V(x)VsVG＞0xV(x)0VsVG＜0規(guī)定：表面電勢比內(nèi)部高時(shí)，VS>0，表面電勢比內(nèi)部低時(shí)，VS<0。外加正偏壓VG時(shí)(M為正)，電場由表面指向體內(nèi)，VS>0外加反向偏壓時(shí)，VG<0，電場由體內(nèi)指向表面，VS<0第12頁，共73頁。3．能帶彎曲和載流子濃度的變化(1)能帶彎曲有表面勢Vs存在時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)的電子受到一個(gè)附加電勢的作用，電子的能量變?yōu)椋篍CqV(x)、EvqV(x)。位于空間電荷區(qū)內(nèi)的X

VG>0，VS>0時(shí)，取負(fù)號，空間電荷區(qū)的能帶從體內(nèi)到表面向下彎曲界面EcEiEFEvxEg半導(dǎo)體絕緣體表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲第13頁，共73頁?？臻g電荷區(qū)的電勢隨距離逐漸變化，半導(dǎo)體表面相對體內(nèi)就產(chǎn)生電勢差，同時(shí)能帶也發(fā)生彎曲。表面勢及空間區(qū)內(nèi)電荷的分布隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG而變化，可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況。對于p型半導(dǎo)體，有三種情況：1）多數(shù)載流子堆積狀態(tài)2）多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)3）少數(shù)載流子反型狀態(tài)(2)載流子濃度

體內(nèi)：EC，Ev

空間電荷區(qū)：第14頁，共73頁。V(x)>0，能帶向下彎V(x)<0，能帶向上彎V(x)>0V(x)<0第15頁，共73頁。表面處X=0，V(x)=Vs第16頁，共73頁。VG<0，金屬接負(fù)，半導(dǎo)體接正

VS為負(fù)，能帶上彎

將這種多子濃度高于體內(nèi)平衡濃度的表面層叫多子堆積層，稱此時(shí)的表面空間電荷層處于多子堆積狀態(tài)?！恪恪恪恪恪恪?.P型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本態(tài)0第17頁，共73頁。(2)VG=0，VS=0，能帶是平坦的

表面電荷為0，稱這種狀態(tài)為平帶狀態(tài)。EcEv第18頁，共73頁。IM++++++S－－－－－－電離的受主(3)VG>0，金屬接+,半導(dǎo)體接負(fù)VB是體內(nèi)勢：

ps<(p0)p，空間電荷區(qū)的負(fù)電荷絕大部分為過剩的電離的受主，這種狀態(tài)稱為耗盡狀態(tài)，空間電荷區(qū)為耗盡層。EcEvEFEiqVsqVB第19頁，共73頁。（4）VG>>0表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的強(qiáng)烈彎曲，形成與原半導(dǎo)體導(dǎo)電類型相反的一層，稱這個(gè)狀態(tài)為反型狀態(tài)。弱反型：ps<ns<(p0)p強(qiáng)反型：ns>(p0)p表面處EF>Ei,與Ev相比EF更靠近Ec，有ns>ps界面EcEiEFEvqVsxqVqVBEg半導(dǎo)體絕緣體P電子第20頁，共73頁。電子電離受主出現(xiàn)強(qiáng)反型的臨界條件：ns

=(p0)p第21頁，共73頁。VG變化VS變化能帶彎曲電荷分布變化

VG<0,VS<0VG=0VG>0VG>>0多子堆積平帶多子耗盡反型少子堆積第22頁，共73頁。EEcEiEFEvE=0EcEiEFEvEEvEFEiEcEEcEiEFEv下方二圖相似，EF與Ei距離體現(xiàn)出逐漸耗盡的過程第23頁，共73頁。x0QAρ(x)(a)0xρ(x)(b)xxρ(x)ρ(x)00xDxDQD(d)(c)XD耗盡厚度第24頁，共73頁。EEcEiEFEvEEcEFEiEvρ(x)ρ(x)00xx(e)(f)深耗盡QnQDQnQDQn>>QDxDxDm第25頁，共73頁。1)VG>0,VS>0表面處能帶下彎，表面多子－電子濃度增加，表面層內(nèi)出現(xiàn)電子堆積

2)VG=0，VS=0平帶。理想MIS結(jié)構(gòu)，表面能帶不彎曲，此時(shí)Qs=0，E=0。

)VG<0，VS<0表面處能帶向上彎，越接近表面，Ec離EF越遠(yuǎn)，導(dǎo)帶中電子濃度越低，表面多子耗盡，正電荷濃度近似為電離施主濃度。電子勢壘多子耗盡4)VG<<0表面能帶向上彎曲，表面處EF低于Ei，空穴濃度超過電子濃度，表面處形成了p型材料，導(dǎo)電類型與體內(nèi)相反，叫反型層。反型層發(fā)生在近表面處，從反型層到半導(dǎo)體內(nèi)部還夾著一層耗盡層。半導(dǎo)體空間電荷層內(nèi)的正電荷由兩部分組成，一部分是耗盡層中已電離的施主正電荷，一部分是反型層中的空穴。5.N型半導(dǎo)體表面空間電荷層的四種基本狀態(tài)?????+++

電離施主++

°°°空穴EFEi第26頁，共73頁。Ec

Ev

Ei

EF

(a)多子堆積Ec

Ev

Ei

EF

(b)多子耗盡Ec

Ev

Ei

EF

x x x x (a)反型(b)深耗盡Ec

Ev

Ei

EF

圖1由n型半導(dǎo)體構(gòu)成的理想MIS結(jié)構(gòu)在各種VG下的表面勢和電荷分布第27頁，共73頁。§5-3MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性一、理想的MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性1．總電容C在MIS結(jié)構(gòu)的金屬和半導(dǎo)體間加電壓VG后，電壓VG的一部分V0降在絕緣層上，另一部分降在半導(dǎo)體表面層中，形成表面勢Vs，即：

VG=V0+VS

理想MIS結(jié)構(gòu)，絕緣層內(nèi)沒有任何電荷，絕緣層中電場是均勻的，以E0表示其電場強(qiáng)度，顯然：Qm＝－Qs第28頁，共73頁。Qs表面的電荷面密度C0絕緣層電容，Cs為半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容

上式表明MIS結(jié)構(gòu)電容相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體空間電荷層電容的串聯(lián)，由此可得MIS結(jié)構(gòu)的等效電路：第29頁，共73頁。

n型半導(dǎo)體MIS結(jié)構(gòu)的電容－電壓特性1.00.80.60.40.200+V低頻高頻第30頁，共73頁。2．表面空間電荷區(qū)的電場和電容表面空間電荷區(qū)的電場：其中：稱為德拜長度εrs為絕緣層的相對介電常數(shù)

∵（n0)p<<(p0)p平帶時(shí)的總電容為CFB：εr0為絕緣層相對介電常數(shù)第31頁，共73頁。對于均勻摻雜的p型半導(dǎo)體，假設(shè)空間電荷區(qū)的空穴已全部耗盡，處于耗盡狀態(tài)，空間電荷層的電荷全由已電離的受主雜質(zhì)NA構(gòu)成。半導(dǎo)體的摻雜是均勻的，則空間電荷區(qū)的電荷密度：(x)=-qNA設(shè)xd為耗盡層的厚度在表面處：V=VS，得到x=0處的表面勢：—稱為F函數(shù)第32頁，共73頁。表面的電荷面密度Qs與表面處電場強(qiáng)度的關(guān)系：

金屬為正時(shí)，VG>0，QS為負(fù)號金屬為負(fù)時(shí)，VG<0，QS為正號第33頁，共73頁。p型半導(dǎo)體VG<0∣Vs∣↑,Cs↑∵C0/Cs隨∣Vs∣↑而→0，∴C/C0→1，C→C03.表面空間電荷區(qū)的電容與VG的關(guān)系0VGC/Co－+1第34頁，共73頁。隨|VG|積累的空穴越來越少，CS，C/C0

(2)VG=0，平帶情況VS=0∴Es=0，QS=0隨VG，VS，xd，CS，總?cè)萘緾，C/C0-----IMS°°°°°第35頁，共73頁。(3)VG>0，金屬接+，半導(dǎo)體接-VS>0，表面能帶下彎，是空穴的勢壘第36頁，共73頁。VS，少子積累越多，ns，Cs，C0/CS，C/C0當(dāng)VS到使C0/CS很小時(shí)，C/C0的分母中的第二項(xiàng)又可以忽略。C/C01。高頻信號時(shí)，反型層中的電子對電容沒有貢獻(xiàn)，此時(shí)空間電荷區(qū)的電容仍由耗盡層的電荷變化決定。N型半導(dǎo)體組成的MIS結(jié)構(gòu)具有相似的規(guī)律。(4)VG>>0

第37頁，共73頁。1．金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的影響(EF)M>(EF)SWM<WS-qVms=Ws－Wm

Vms為半導(dǎo)體相對于金屬的電位

Vs

=－Vms

>0能帶下彎VFB為達(dá)到平帶狀態(tài)所需加的電壓(平帶電壓)理想情況的平帶電容CFB/C0對應(yīng)于VG=0；實(shí)際情況的平帶電容CFB/C0對應(yīng)于VG<0。必須外加一負(fù)電壓，VG=-Vs，抵消由于兩者功函數(shù)的不同引起的電場和能帶的彎曲，才能達(dá)到平帶狀態(tài)。MS(EF)M(EF)s?+－E二、實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性第38頁，共73頁。功函數(shù)差異對C-V曲線的影響理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V曲線金屬與半導(dǎo)體存在功函數(shù)差時(shí)的C-V曲線曲線1平行與電壓軸平移VFB距離如果Wm>Ws，形成的Vs<0，為使恢復(fù)平帶狀態(tài)，必須加一正向電壓，VG=-Vs>0，這時(shí)C-V曲線是向右發(fā)生了移動(dòng)。(1)(2)0第39頁，共73頁。固定離子：通常位于Si—SiO2界面附近的200?范圍內(nèi)可動(dòng)離子：Na+，K+或H+絕緣層中有一薄層電荷(面密度為Q)，無外加電壓時(shí)，薄層電荷分別在金屬和半導(dǎo)體表面層中感應(yīng)出相反符號的電荷。因此在半導(dǎo)體空間電荷層內(nèi)產(chǎn)生電場，能帶發(fā)生彎曲。即未加外電壓時(shí)，由于絕緣層內(nèi)電荷的作用使半導(dǎo)體表面層離開了平帶狀態(tài)。為了恢復(fù)平帶狀態(tài)，須在金屬板上加一定偏壓。Q>0時(shí)，M和S表面層感應(yīng)出負(fù)電荷，空間電荷層的能帶向下彎曲，故金屬板上加負(fù)偏壓抵消掉半導(dǎo)體表面層內(nèi)由Q產(chǎn)生的電場。相當(dāng)于C－V曲線向左平移++++MIS------EΕ外2．絕緣層中離子的影響第40頁，共73頁。(1)受主表面態(tài)

在N型半導(dǎo)體中：使N型表面反型，VS<0,能帶上彎

在P型表面：Vs<0，能帶上彎,表面積累更多空穴，為強(qiáng)p型材料只要表面有受主態(tài)存在，都會形成由體內(nèi)向外的電場，使VS<0，能帶上彎，使C-V特性曲線向右平移。EcEvEF???+－E--電離受主表面態(tài)++°°°°電離施主空穴3．表面態(tài)的影響---°°°°°°°電離受主表面態(tài)多子空穴第41頁，共73頁。存在于N型表面時(shí)：VS>0，能帶下彎，在表面形成強(qiáng)N型正電荷：電離的施主表面態(tài)負(fù)電荷：多子積累P型材料：表面出現(xiàn)反型層，Vs>0，能帶下彎正電荷：電離施主表面態(tài)

負(fù)電荷：反型層中少子電子耗盡層中電離的受主只要有施主表面態(tài)，總要形成指向內(nèi)部的電場，在沒加電場時(shí)，在表面就有電場VS>0，能帶下彎，C-V特性曲線左移EcEvEF+++++?+－(2)施主表面態(tài)第42頁，共73頁。一、p-n結(jié)的形成和種類1．合金法用合金法制備的p-n結(jié)一般為突變結(jié)2．?dāng)U散法用擴(kuò)散法制備的p-n結(jié)一般為緩變結(jié)，雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)逐漸變化。xNNAND§5-4半導(dǎo)體的p-n結(jié)第43頁，共73頁。pn結(jié)的作用和用途pn結(jié)中由于空間電荷區(qū)的作用，形成對電子運(yùn)動(dòng)有阻礙的勢壘，載流子通過這個(gè)勢壘時(shí)，按照其運(yùn)動(dòng)方向而難易不同，利用這種現(xiàn)象可制成二極管。當(dāng)光照射pn結(jié)時(shí)，由于自建電場的作用，使光照產(chǎn)生的電子—空穴對定向運(yùn)動(dòng)形成光電流。利用這種現(xiàn)象的器件有太陽能電池、放射線、紅外探測器等。利用pn結(jié)電容與偏壓有關(guān)，可制成變?nèi)荻O管。利用高摻雜濃度制成隧道二極管，利用其獨(dú)特的負(fù)阻特性可用于振蕩器、放大器及其它方面。第44頁，共73頁。1．平衡p-n結(jié)的形成P型材料的多子用pp0表示，少子為np0n型材料的多子用nn0表示，少子為pn0單獨(dú)的n型、P型半導(dǎo)體是電中性的形成p-n結(jié)后，由于載流子的濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從p→n，電子從n→p的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)中的空穴離開后留下不可動(dòng)的帶負(fù)電的電離受主，沒有正電荷與之保持電中性，因此結(jié)附近靠近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負(fù)電荷區(qū)。同理，結(jié)附近靠近n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)由電離施主構(gòu)成的正電荷區(qū)。形成由n→p區(qū)，從正電荷指向負(fù)電荷的恒定電場，稱為內(nèi)建場，它存在于結(jié)區(qū)。內(nèi)建場起阻礙電子和空穴擴(kuò)散的作用。平衡后：J擴(kuò)=J漂

處于熱平衡狀態(tài)的結(jié)稱為平衡結(jié)。PN°?_____+++++EJ擴(kuò)J漂二、平衡p-n結(jié)的特點(diǎn)第45頁，共73頁。2．平衡p-n結(jié)的能帶及勢壘能帶相對移動(dòng)的原因——空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場的結(jié)果。隨著nP的電場的增強(qiáng)，V(x)由nP不斷降低，而電子的電勢能－qV(x)由nP不斷升高?！鄍區(qū)能帶相對n區(qū)上移，n區(qū)能帶相對p區(qū)下移，直到EF處處相等，p-n結(jié)平衡。

p-n結(jié)中的EF處處相等標(biāo)志了每一種載流子的J擴(kuò)和J漂互相抵消，沒有凈電流通過p-n結(jié)。PNEFqVDEcEfnEiEvpnEfp

二者接觸后，電子由nP,空穴由Pn,導(dǎo)致(EF)n，(EF)p.直到(EF)n=(EF)p=EF

，p-n結(jié)平衡，J擴(kuò)=J漂，形成恒定電場E,方向由nP。第46頁，共73頁。假設(shè)：P區(qū)：Ec=EcpEv=Evpn0=np0p0=pp0N區(qū)：Ec=EcnEv=Evnn0=nn0p0=pn0同質(zhì)p-n結(jié):平衡時(shí)：qVD=EFn-EFp飽和區(qū)，全電離：pp0=NA,nn0=NDVD與p-n結(jié)二邊的摻雜濃度、溫度及Eg有關(guān)：Eg越大，ni越小，VD越大第47頁，共73頁。P

電子擴(kuò)散區(qū)結(jié)區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)Nxp’xpxnxn’三、非平衡p-n結(jié)1.正偏p-n結(jié)的能帶

正偏時(shí)，勢壘區(qū)內(nèi)載流子濃度減小，電阻很大；勢壘區(qū)外載流子濃度很大，電阻很小，所以外加正偏壓落在勢壘區(qū)正偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生了與內(nèi)建電場相反的電場，因而減弱了勢壘區(qū)的電場強(qiáng)度，表面空間電荷相應(yīng)減少。故勢壘區(qū)寬度減小，勢壘高度從qVD下降為q(VD-V)勢壘區(qū)電場減弱，破壞了載流子的運(yùn)動(dòng)平衡，漂移運(yùn)動(dòng)減弱，J擴(kuò)>J漂。電子通過勢壘區(qū)擴(kuò)散入p區(qū)，電子在－xp處積累，形成向p區(qū)內(nèi)部電子擴(kuò)散流。qVDPNΕ內(nèi)+－q(VD－V)第48頁，共73頁。JnJpxJ=

Jn+Jp-xpxn2．正偏時(shí)載流子的運(yùn)動(dòng)和電流成分P：J=JpN：J=Jn結(jié)：J=Jp結(jié)+Jn結(jié)擴(kuò)：J=Jp(x)+Jn(x)正偏時(shí)，n區(qū)中電子向nn’漂移，越過勢壘區(qū)，經(jīng)pp’進(jìn)入p區(qū)，構(gòu)成進(jìn)入p區(qū)的電子J擴(kuò)；進(jìn)入p區(qū)后繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)散，形成電子擴(kuò)散電流。擴(kuò)散過程中，電子與從p區(qū)內(nèi)部向pp’漂移來的空穴復(fù)合，電子電流不斷轉(zhuǎn)化為空穴電流，直到注入的電子全部復(fù)合，電子電流全部轉(zhuǎn)化為空穴電流為止。第49頁，共73頁。單向?qū)щ娦浴?，J隨偏壓呈指數(shù)關(guān)系增大，正偏與反偏時(shí)的J-V曲線不對稱(整流效應(yīng))例如室溫：KT=0.026ev當(dāng)V=0.26v:溫度對J影響很大：Js-T主要由決定，T↑,Js迅速增大，且Eg越大，Js變化越快T↑，正向J↑

Js—反向飽和電流密度,常量,與外加電壓無關(guān)VJJs3．正偏下的電流密度第50頁，共73頁。反偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向一致，勢壘區(qū)的電場增強(qiáng)，勢壘區(qū)變寬，勢壘高度qVD增大為q(

VD－V)。勢壘區(qū)電場增強(qiáng)，破壞了載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的原有平衡，漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，J漂>J擴(kuò)。當(dāng)|V|,，J↓,最后J→－Js(反向飽和電流)4．反偏時(shí)的p-n結(jié)qVDq(VD－V)+-np第51頁，共73頁。VBR四、p-n結(jié)的擊穿特性反向電壓使結(jié)區(qū)電場達(dá)到105v/cm，反向飽和電流不再恒定，而是突然增加，這種現(xiàn)象稱為p-n結(jié)的擊穿，對應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓，用VBR表示。擊穿現(xiàn)象中，電流增大的基本原因不是由于遷移率的增大，而是由于載流子數(shù)目的增加。第52頁，共73頁。1．雪崩擊穿一般發(fā)生在緩變結(jié)中，且摻雜濃度比較低反向偏壓下，流過p-n結(jié)的反向電流，主要是p區(qū)擴(kuò)散到勢壘區(qū)的電子電流和由n區(qū)擴(kuò)散到勢壘區(qū)的空穴電流反偏很大時(shí)，勢壘區(qū)的電場很強(qiáng)，區(qū)內(nèi)的電子和空穴受到強(qiáng)電場的漂移作用有很大動(dòng)能，它們與晶格原子發(fā)生碰撞，把價(jià)鍵上的電子碰撞出來成為導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。即高能量的電子和空穴把滿帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了電子－空穴對一個(gè)電子碰撞出一個(gè)電子和一個(gè)空穴，即一個(gè)載流子變成了三個(gè)載流子，如此繼續(xù)碰撞，載流子大量增加，通過載流子的倍增效應(yīng)，使勢壘區(qū)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子，迅速增大了反向電流，從而發(fā)生擊穿212212pn+第53頁，共73頁。2．隧道擊穿Eg小、突變結(jié)、摻雜高的緩變結(jié)是導(dǎo)致隧道擊穿的因素。在強(qiáng)電場作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價(jià)帶穿過禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶的擊穿現(xiàn)象。一般雜質(zhì)濃度，雪崩擊穿是主要的；在雜質(zhì)濃度高，反向偏壓不高時(shí)，由于勢壘區(qū)寬度小，不利于雪崩倍增效應(yīng)，隧道擊穿占主要。3．熱擊穿容易發(fā)生的條件是Eg小，散熱不好的器件。當(dāng)p-n結(jié)上施加反向電壓時(shí)，反向電流會引起熱損耗，反向電壓逐漸增大，對應(yīng)的反向電流所損耗的功率也增大，將產(chǎn)生大量熱能。如果散熱條件不好，熱能無法及時(shí)傳遞，結(jié)溫度會上升。反向飽和電流密度隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，結(jié)溫↑,Js迅速上升，產(chǎn)生的熱能也迅速增大，如此循環(huán)而發(fā)生擊穿。?EcnEcpEvp第54頁，共73頁。一、金屬－半導(dǎo)體接觸及能級圖1.金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級都低于體外能級。功函數(shù)的定義是E0與EF能量之差，用WM表示，即表示一個(gè)起始能量等于EF的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值?！?-5金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬中的電子勢阱第55頁，共73頁。2.接觸電勢差半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底Ec和價(jià)帶頂Ev一般都比E0低幾個(gè)電子伏。半導(dǎo)體的功函數(shù)可以寫成：金屬半導(dǎo)體接觸，由于Wm和Ws不同，會產(chǎn)生接觸電勢差Vms。同時(shí)半導(dǎo)體能帶發(fā)生彎曲，使其表面和內(nèi)部存在電勢差Vs，即表面勢Vs，因而緊密接觸時(shí)，EnWsEc(EF)sEvE0半導(dǎo)體的能級圖第56頁，共73頁。（c）緊密接觸（d）忽略間隙圖(a)～(d)為金屬—n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm>Ws)Dx（b）間隙很大（a）接觸前EvxWsx第57頁，共73頁。一類是整流接觸，形成阻擋層，即肖特基接觸；一類是非整流接觸，形成反阻擋層，即歐姆接觸。當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸時(shí)：若Wm>Ws，則在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)，其中電場方向由體內(nèi)指向表面，Vs<0，它使半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形成表面勢壘。在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域，常稱為阻擋層。若Wm<Ws，電子將從金屬流向半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體表面形成的空間電荷區(qū)。典型金屬半導(dǎo)體接觸有兩類：第58頁，共73頁。(a)

p型阻擋層(Wm<Ws)

(b)p型反阻擋層(Wm>Ws)金屬－p型半導(dǎo)體接觸能帶圖形成n型和p型阻擋層的條件：n型p型Wm>WsWm<Ws阻擋層反阻擋層反阻擋層阻擋層(b)EcEv(a)WmxEcEv第59頁，共73頁。金屬和p型半導(dǎo)體接觸時(shí)：形成阻擋層的條件與n型的相反當(dāng)Wm>Ws時(shí)，能帶向上彎曲，形成p型反阻擋層當(dāng)Wm<Ws時(shí)，能帶向下彎曲，造成空穴的勢壘，形成p型阻擋層。金屬--半導(dǎo)體肖特基接觸伏安特性曲線

JSTJVJSDVJ(a)擴(kuò)散理論(b)熱電子理論第60頁，共73頁。二、金屬－半導(dǎo)體接觸的整流理論2.1金屬—半導(dǎo)體接觸的整流特性在金屬半導(dǎo)體接觸中，金屬一側(cè)勢壘高度不隨外加電壓而變，半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度與外加電壓相關(guān)。因此，當(dāng)外加電壓使半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度降低時(shí)，形成從半導(dǎo)體流向金屬的凈離子流密度，且隨外加電壓而變化；反之，則是從金屬到半導(dǎo)體的離子流密度，該電流較小。且與外加電壓幾乎無關(guān)。——這就是金屬—半導(dǎo)體接觸整流特性。第61頁，共73頁。{0–2.2.1擴(kuò)散理論對于n型阻擋層，當(dāng)勢壘寬度比電子的平均自由程大得多時(shí)，電子通過勢壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層——厚阻擋層。當(dāng)勢壘高度遠(yuǎn)大于k0T時(shí)，勢壘區(qū)可近似為一個(gè)耗盡層在耗盡層中，載流子極為稀少，它們對空間電荷的貢獻(xiàn)可忽略；雜質(zhì)全部電離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。若半導(dǎo)體是均勻摻雜的，則耗盡層中的電荷密度也是均勻的，且等于qND，ND是施主濃度。這時(shí)泊松方程是：第62頁，共73頁。2.2.2熱電子發(fā)射理論——計(jì)算超越勢壘的載流子數(shù)目就是熱電子發(fā)射理論電子從MS所面臨的勢壘高度不隨外加電壓變化。從金屬到半導(dǎo)體的電子流所形成的電流密度Jms是個(gè)常量，它應(yīng)與熱平衡條件下，即V=0時(shí)的大小相等，方向相反。因此：由上式得到總電流密度為：

第63頁，共73頁。Ge、Si、GaAs具有較高的載流子遷移率，即有較大的平均自由程，因而