半导体表面1.

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1、 半导体表面 绪论 吴振宇 wuzhenyu 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称为界面。 如果其中一相为气体，这种界面通常称为表面。 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。 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 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

2、结构单元组成 ： p-n结； 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。 主要内容 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。 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.

3、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

4、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。 课程安排 教学环节 教学时数 课程内容 讲 课实 验习题课讨论课小 计 金属和半导体的接触 9110 半导体表面与MIS结构 11112

5、 异质结 718 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 n7.1 金属半导体接触及其能带图 n7.2 金属半导体接触整流理论 n7.3 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 一、金属和半导体的功函数 1. 金属功函数 金属自由电子气模型： 金属由固定的带正电的离子和可以自 由运动的带负电的电子气构成。 电子分布服从Fermi-Dirac分布，基态 时电子均处于Fermi能级以下。 只有Fermi能级附近的电子参与电导 。 （Drude，1900） 金属功函数定义 ： Wm=E

6、0-(EF)m 金属中的电子能在金属中自由运动， 但局限于金属中，必须由外界提供足够 的能量使其逸出。 因此，金属中的电子是在一个势阱中 运动。 真空中静止电子能量与费米能之差 。 表示电子逸出金属所需的最小能量 。 功函数的大小标志着金属对电子束缚能力的强弱，约几个eV量 级，随原子序数的增大呈周期性变化规律。 铯：1.93 eV （最低）铂：5.36 eV （最高） 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 1. 金属和n型半导体的接触 1) 若WmWs ，金属与n型

7、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。 (D远大于原子间距） - - - - - - - - 金属 + + + + + + + +半导体 E 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 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

8、 =Wm-Ws+En=Wm- 2) 若WmWs n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，VsWs阻挡层反阻挡层 WmWs+ qns） 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，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

9、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 + + + + + + + +

10、 + - - - - - - - - - n型 半导体 金属 E 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 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型半导体中多数载流子构成的 。 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

11、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。 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Wm0，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

12、。 - - - - - - - - - + + + + + + + + + p型 半导体 金属 E V 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，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

13、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)，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

14、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，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=0处， 则可得到 要得到电流密度J