半导体表面一课件.ppt
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1、半导体表面绪论,吴振宇西安电子科技大学微电子学院,半导体表面的定义,什么是表面?密切接触的两相之间的过渡区(约几个分子的厚度)称为界面,如果其中一相为气体,这种界面通常称为表面。从结晶学和固体物理学考虑,表面是指晶体三维周期结构同真空之间的过渡区,它包括不具备三维结构特征的最外原子层。键合在固体最外面的原子层。(Honig)固体外表约1到10个单原子层。 ( Vickerman),半导体表面的定义,从实用技术学科,表面是指结构、物性与体相不相同的整个表面层,在不同学科领域而有不同尺度范围的划分。半导体表面:纳米到微米尺度的表面层。半导体器件有67种,110余变种。由以下结构单元组成:p-n结;
2、 金属-半导体结; MIS(MOS); 异质结。(Complete Guide to Semiconductor Device, 1995)半导体器件:形成某种半导体表面,利用并控制该半导体表面的某种特殊性质,从而获得所需的特殊电学特性。,教学内容,主要包括金属半导体接触、半导体表面及MIS结构、异质结等三个部分的内容。分别对应于半导体-金属接触表面、半导体-绝缘体接触表面,以及半导体-半导体接触表面。以半导体的晶体结构和能带理论、载流子的输运理论为基础,准确掌握金属-半导体接触、表面态、异质结等基本概念。掌握金属-半导体接触、半导体表面与MIS结构以及异质结的基本理论,了解金属-半导体结、M
3、IS结构及其异质结器件的应用及其当前的技术发展。,课程安排,(一) 金属和半导体的接触 ( 10学时)具体内容:金属半导体接触及其能级图,金属半导体接触整流理论,少数载流子的注入和欧姆接触。1.基本要求(1)掌握金属半导体接触所形成的能级图。(2)掌握金属半导体接触的整流理论。(3)熟悉少数载流子的注入和欧姆接触。2.重点、难点重点:掌握金属半导体接触所形成的能级图。难点:金属半导体接触整流特性。,课程安排,(二)半导体表面与MIS结构(12学时 )具体内容:表面态、表面电场效应,MIS结构的电容-电压特性,硅-二氧化硅系统的性质。1.基本要求(1)熟悉表面态的概念及引起表面态的原因。(2)掌
4、握理想MIS结构在各种外加电压下的表面势和空间电荷分布。(3)掌握MIS结构的电容-电压特性。(4)掌握硅-二氧化硅系统的性质。2.重点、难点重点:掌握表面电场效应及MIS结构的电容-电压特性。难点:MIS结构的电容-电压特性。,课程安排,(三)异质结( 8学时 )具体内容:异质结及其能带图,异质结的电流输运机构,异质结在器件中的应用,半导体超晶格。1.基本要求(1)熟练掌握异质结的定义、特征和类型。(2)掌握异质结的能带结构和电流输运机构。(3)了解异质结在器件中的应用。(4)了解超晶格的基本概念。2.重点、难点重点:异质结的能带图,电流输运机构。难点:异质结的能带结构,异质结的电流输运机构
5、。,课程安排,考核方式:笔试(闭卷)。期末考试:100%教材:刘恩科、朱秉生等编半导体物理学第七、八、九章,第七章 金属和半导体的接触,内容提要7.1 金属半导体接触及其能带图7.2 金属半导体接触整流理论7.3 少数载流子的注入和欧姆接触,7.1 金属半导体接触及其能级图,金属功函数: Wm=E0-(EF)m,一、金属和半导体的功函数,1. 金属功函数,半导体的功函数: WsE0-(EF)s电子亲合能: = E0 - Ec 则 Ws= +Ec-(EF)s = +En,2. 半导体功函数和电子亲合能,二、接触电势差,a 接触前假定WmWs,1. 金属和n型半导体的接触,1) 若WmWs ,金属
6、与n型半导体接触能带图,达到平衡状态后,它们之间的电势差完全补偿了原来费米能级的不同。于是有 q(Vs-Vm)=Wm-Ws上式可写成 Vms=Vm-Vs=(Ws-Wm)/q这个由于接触而产生的电势差称为接触电势差。,b 间隙很大(D远大于原子间距),D减小空间电荷区电场 能带弯曲 表面势Vs。这时接触电势差一部分降落在空间电荷区,另一部分降落在金属和半导体表面之间。于是 (Ws-Wm)/q=Vms+Vs,c 紧密接触 (D小到可以与原子间距相比较),(Ws-Wm)/q=Vs半导体一边的势垒高度为 qVD= -qVs=Wm-Ws金属一边的势垒高度是 qns=qVD+En= -qVs+En =Wm
7、-Ws+En=Wm- ,d 忽略间隙,-n结空间电荷区,-n结能带图,2) 若Wm Ws ,金属与n型半导体接触能带图,金属与n型半导体接触: 若WmWs 则在半导体表面形成一个正的空间电荷区,其中电场方向由体内指向表面,Vs0,它使半导体表面的能量高于体内,能带向上弯曲,即形成表面势垒。在势垒区中,空间电荷主要由电离施主形成,电子浓度要比体内小得多,因此它是一个高阻的区域,常称为阻挡层。,若Wm0,能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多,因而是一个高电导的区域,称之为反阻挡层。反阻挡层是很薄的高电导层,它对半导体和金属接触电阻的影响是很小的。,2. 金属和p型半导体的接触,1) 若Wm Ws
8、 ,金属与p型半导体接触能带图,2) 若WmWs ,金属与p型半导体接触能带图,形成n型和p型阻挡层的条件,三、表面态对接触势垒的影响,1.表面态的基本概念与特点1) 表面态 在半导体表面处的禁带中存在着表面态,对应的能级称为表面能级。由于三维周期势的突然中断,在表面上形成了新的电子结构:悬挂键。固体物理学家和半导体科学家通常将其称为“表面电子态”;固体表面化学家则习惯用“表面化学键“来定义表面上那种特殊的电子结构。表面特殊电子结构的存在,是影响表面光,电吸收和发射,以及影响表面或界面电子传输特性的关键因素。,三、表面态对接触势垒的影响,2)表面态一般分为施主型和受主型两种 若能级被电子占据时
9、呈电中性,施放电子后呈正电性,称为施主型表面态; 若能级空着时为电中性,而接受电子后带负电,称为受主型表面态。3)一般表面态在半导体表面禁带中形成一定的分布,表面处存在一个距离价带顶为q0的能级: 电子正好填满q0以下的所有表面态时,表面呈电中性。 q0以下表面态空着时,表面带正电,呈现施主型; q0以上表面态被电子填充时,表面带负电,呈现受主型。4)对于大多数半导体, q0约为禁带宽度的三分之一。,2.存在受主表面态时n型半导体的能带图,n型半导体表面存在表面态:1)如果q0以上存在有受主表面态,则在q0到EF间的能级将基本上为电子填满,表面带负电; 2)半导体表面附近必定出现正电荷,成为正
10、的空间电荷区;3)形成电子的势垒。,3.存在高表面态密度时n型半导体的能带图,钉扎:1)如果表面态密度很大,只要EF比q0高一点,在表面态上就会积累很多负电荷;2)由于能带向上弯,表面处EF很接近q0,势垒高度就等于没有势垒时费米能级和q0之差,即 qVD=Eg- q0-En这时势垒高度称为被高表面态密度钉扎。,4.具有受主表面态的n型半导体与金属的接触,1)接触前的能带图,仍是WmWs+ qns的情况。,2)接触时的能带图,表面态的存在导致:1)接触前已存在电子势垒;2)半导体的功函数:+ En qVD + + En 。3)当表面态密度很高时,Ws几乎与施主浓度无关。 4)表面态密度很高时,
11、可屏蔽金属接触的影响,使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关,而基本上由半导体的表面性质所决定。接触电势差大部分降落在两个表面之间。金属功函数对表面势垒将的影响较小。,一、非平衡态金半接触能级图在此所讨论的整流理论是指阻挡层的整流理论。 热平衡时:电子越过势垒从n型半导体流进金属所形成的电流JS-M和电子由金属流向n型半导体所形成的电流JM-S大小相等,方向相反,构成动态平衡,总电流为零。 外电压时:此电压主要降落在半导体表面的高阻层上,因而半导体中的势垒高度随外加电压而变,而qns却保持不变。,7.2 金属半导体接触整流理论,通常把使半导体中势垒降低的偏置称为正向。对于金属和n型半导体的
12、接触,这相当于金属接电源正极,半导体接负极。 若未加电压时,半导体表面和内部之间的电势差,即表面势是(Vs)0,则加电压V后应为(Vs)0+V ,因而电子势垒高度是 -q(Vs)0+V,1) 加外加电压后,半导 体和金属不再处于相互 平衡的状态,两者没有 统一的费米能级.2) 半导体内部费米能级 和金属费米能级之差等 于由外加电压所引起的 静电势能差.,1. 外加电压对n型阻挡层的影响,这时(Vs)00。,在正向偏置V下:(1)半导体势垒高度由 -q(Vs)0 降低为 -q(Vs)0+V。(2)电流JS-M增大JM-S和热平衡情况相同JS-M JM-S形成从金属到半导体的正向电流由n型半导体中
13、多数载流子构成的。,(b)表示加正向电压(V0)时的情形,金属一边的势垒不随外加电压变化,所以电子流JM-S恒定,与外加电压无关。在反向偏置下流过与外加电压无关的恒定微弱电流。当反向电压提高到使半导体到金属的电子流可以忽略不计时,反向电流将趋于饱和值。,(c)表示加反向电压(V0)时的情形,在反向偏置V下,由于半导体中电子势垒升高为-q(Vs)0+V, JS-M减少,JM-SJS-M,金属到半导体的电子流占优势,形成一股由半导体到金属的反向电流。由于金属中的电子要越过相当高的势垒qns 才能到达半导体中,因此反向电流是很小的。,整流作用,2) 外加电压对p型阻挡层的影响,在p型半导体中,是由空
14、穴运载电流的,因此同n型半导体情况相反: 当WmWs 时形成反阻挡层; 当WmWs时形成阻挡层。,对p型阻挡层,由于 (Vs)00,正向或反向偏置的极性正好与n型阻挡层相反。当V0,即金属加正电压时,形成反向电流。,无论是哪种阻挡层,正向电流都相应于多数载流子由半导体到金属所形成的电流。金属-半导体接触既可能具有整流性质,也可能具有欧姆性质,这取决于半导体的类型和金属与半导体的功函数。 以上只是定性地说明了阻挡层的整流作用。下面将介绍扩散理论和热电子发射理论,定量地得出伏-安特性的表达式。 要说明的是,扩散理论和热电子发射理论是针对两种极端情况提出的。扩散理论:费米能级主要降落在空间电荷区内,
15、驱动载流子扩散到半导 体表面。界面处的费米能级降落小到可以忽略不计,可近似认为金属和半导体在界面处具有相同的费米能级。适用于厚阻挡层(dl)情形。热电子发射理论:为使电子扩散到表面在阻挡层内费米能级降落可以忽 略不计。阻挡层厚度小于平均自由程的薄势垒(dl)就属于此情况。,一、扩散理论,扩散理论是指在边界上半导体的准费米能级与金属费米能级一致,外接电压主要降落在空间电荷区内,并由它推动载流子扩散到半导体表面的一种极端情形。 对于n型阻挡层,当势垒的宽度比电子的平均自由程大得多时(dl),电子通过势垒区要发生多次碰撞,这样的阻挡层称为厚阻挡层。扩散理论正是适用于厚阻挡层的理论。由于势垒区中存在电
16、场,则有电势的变化,载流子浓度不均匀。因此计算通过势垒的电流时,必须同时考虑漂移和扩散运动。因此有必要知道势垒区的电势分布。思路:耗尽层近似泊松方程边界条件求解泊松方程电场电位势垒宽度电流密度,一般情况下,势垒区的电势分布比较复杂。当势垒高度远大于k0T时,势垒区可近似为一个耗尽层。在耗尽层中,载流子极为稀少,它们对空间电荷的贡献可以忽略;杂质全部电离,空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。,假设半导体均匀掺杂,则耗尽层中电荷密度均匀且等于qND,ND是施主浓度。此时泊松方程:,半导体内电场为零,因而,把金属费米能级(EF)m除以-q选作电势的零点,则有V(0)=- ns。利用这样的边界条件得到,
17、势垒区中,可见xd是V的函数。当V与(Vs)0符号相同时,不仅势垒高度提高,而且宽度也相应增大,势垒宽度也称为势垒厚度。这种厚度依赖于外加电压的势垒称作肖特基势垒。,从而得到,势垒宽度:,又,由电流密度方程,利用爱因斯坦关系式,得到:,用因子exp-qV(x)/(k0T) 乘上式的两边,得到,和,在稳定情况下,J是一个与x无关的常数。从x=0到x= xd对上式积分:,在x= xd处,这里假定半导体是非简并的,并且体内浓度仍为平衡时的浓度n0。,在半导体和金属直接接触处,由于它可以与金属直接交换电子,所以这里的电子仍旧和金属近似地处于平衡状态。因此,n(0)近似等于平衡时的电子浓度,于是,在x=
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