半导体器件基本结构

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1、半导体器件基本结构半导体器件基本结构1、金属半导体接触、金属半导体接触2、pn结二极管结二极管3、金属绝缘体半导体结构、金属绝缘体半导体结构金属半导体接触金属半导体接触目的目的1、掌握相关的基本概念：功函数、 电子亲和势、表面势等。、掌握相关的基本概念：功函数、 电子亲和势、表面势等。2、画出金属、画出金属-半导体接触能带图半导体接触能带图3、知道制作欧姆接触的方法。、知道制作欧姆接触的方法。功函数功函数金属的功函数W金属的功函数Wm m金属的功函数表示一个起始能量等于费米能级 的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所 需要的最小能量。金属的功函数表示一个起始能量等于费米能级 的电子，由金属内

2、部逸出到表面外的真空中所 需要的最小能量。E0(EF)mWm0()mFmWEE=E E0 0为真空中电子的能量，又称为真空能级。为真空中电子的能量，又称为真空能级。半导体的功函数半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。与费米能级之差称为半导体的功函数。0()sFsWEE=Ec(EF)s EvE0Ws 表示从表示从Ec到到E0的能量间隔：的能量间隔：0cEE=称为电子的亲和能，它表示要使半导体导带 底的电子逸出体外所需要的最小能量。称为电子的亲和能，它表示要使半导体导带 底的电子逸出体外所需要的最小能量。En Ep()scFnsWEEE=+=+n型半导体：n型半导体：Ec(EF)

3、s EvE0 WsEn Epp型半导体：p型半导体：()soFsgpWEEEE=+设想有一块金属和一块设想有一块金属和一块非简并n型非简并n型半导体，并假定 金属的功函数大于半导体的功函数，即：半导体，并假定 金属的功函数大于半导体的功函数，即： msWW2、接触电势差、接触电势差接触前：接触前：()()FFsmEE()()FFmssmEEWW=E0E Ec c(E(EF F) )s sE Ev v WWs sE En nWWm m(E(EF F) )m m +E0E Ec c(E(EF F) )s sE Ev v WWs sE En nWWm m(E(EF F) )m mE En nE Ec

4、 cE Ev v(E(EF F) )s seVeVD DeensnsWWm m 接触前：接触后：金属 n型半导体EsmDWWV=e=+=+=+=mnSmnSnDns WEWWEVEVe eeW Wm mWWs s形成表面势垒 接触电势差形成表面势垒 接触电势差nsns=W=Wm m- ?势垒区电子浓度比体内小得多势垒区电子浓度比体内小得多高阻区(阻挡 层)。高阻区(阻挡 层)。 ?界面处的势垒通常称为肖特基势垒。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。E En nE Ec cE Ev v(E(EF F) )s seVeVD DeensnsWWm m 金属与n型半导体接触 金属与n型半导体接触 若W若W

5、m mWWs s，能带向 上弯曲，形成P型反阻挡层。金属与p型半导体接触时，若W，能带向 上弯曲，形成P型反阻挡层。金属与p型半导体接触时，若Wm mWWs s阻挡层反阻挡层W阻挡层反阻挡层Wm m0 则势垒高度降低为外加一个正电压V0 则势垒高度降低为eVD=-e(Vs+V) 外加一个负电压VWs，和WmWs时p型Si与金属接 触的能带图。 2、讨论以p型硅Si形成的肖特基接触的整流特 性。 3、制备半导体器件时，金属与半导体接触如何 制备欧姆接触？PN结二极管结二极管目的目的? 从能带的角度定性的理解从能带的角度定性的理解pn结二极管的 工作原理。结二极管的 工作原理。? 画出画出pn结二

6、极管热平衡、正反偏置的能 带图。结二极管热平衡、正反偏置的能 带图。? 理解实际二极管与理想二极管特性的区 别。正确的画出理解实际二极管与理想二极管特性的区 别。正确的画出pn结二极管的电流结二极管的电流-电压 曲线。电压 曲线。? 明确肖特基二极管与明确肖特基二极管与pn结二极管的区别结二极管的区别PN结：PN结的形成（热平衡，理想情况）结的形成（热平衡，理想情况）+- -载流子的扩散运动载流子的扩散运动建立内电场建立内电场内电场对载流 子的作用扩散运动和 漂移运动达到 动态平衡， 交界面形成稳定的 空间电荷区，即 结P区N区PN结分析导电特性的几个假设结分析导电特性的几个假设（1）外加电压

7、全部降落在耗尽区上，耗尽区以 外的半导体是电中性的，可忽略中性区的体电 阻和接触电阻； （）外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以 外的半导体是电中性的，可忽略中性区的体电 阻和接触电阻； （2）均匀掺杂； （）均匀掺杂； （3）小注入）小注入(即注入的非平衡少子浓度远小于多即注入的非平衡少子浓度远小于多 子浓度子浓度)； （4）耗尽区内无复合和产生； （）耗尽区内无复合和产生； （5）半导体非简并。 （）半导体非简并。 （6）P型区、型区、N型区的宽度远大于少子扩散长度型区的宽度远大于少子扩散长度pn结二极管 = D?EDro?=+ +- -p型 n型nDpAxNxNE=?dxdUE=?麦克斯

8、韦方程P型型EcpEFpEvpEcn EFnEvnN型型EFEcpEvpEcnEvneVD热平衡的热平衡的PN结能带图结能带图施加正向电压能通过较大电流，正向导通；施加反向电压时，电流趋于饱和（很小），称施加正向电压能通过较大电流，正向导通；施加反向电压时，电流趋于饱和（很小），称PN结处于反向截至。结处于反向截至。PN结具有单向导电性门槛电压死区正向特性反向特性小电流小电流大注入大注入I IV V0.7V0.7V串联电阻串联电阻串联电阻串联电阻实际pn结二极管电流电压肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管(SBD)和和pn结二极管：结二极管：1）正向导通门限电压和正向压降都比）正向导通门限电压和正

9、向压降都比PN结二极管低 （约低结二极管低 （约低0.2V）。）。 2）由于）由于SBD是一种多数载流子导电器件，不存在少 数载流子寿命和反向恢复问题。由于是一种多数载流子导电器件，不存在少 数载流子寿命和反向恢复问题。由于SBD的反向恢 复电荷非常少，故开关速度非常快，开关损耗也特 别小，尤其适合于高频应用。的反向恢 复电荷非常少，故开关速度非常快，开关损耗也特 别小，尤其适合于高频应用。 3）SBD的反向势垒较薄，并且在其表面极易发生击 穿，所以反向击穿电压比较低。由于的反向势垒较薄，并且在其表面极易发生击 穿，所以反向击穿电压比较低。由于SBD比比PN结二 极管更容易受热击穿，反向漏电流

10、比结二 极管更容易受热击穿，反向漏电流比PN结二极管大。结二极管大。金属绝缘体半导体结构金属绝缘体半导体结构 Metal-insulator-semiconductor 目的目的1、画出能带图。热平衡及正反偏置 2、理解正反偏置时电荷的变化情况 3、画出MIS结构的C-V曲线。金属绝缘体半导体半导体理想理想MIS结构：结构：1.在任 何偏置条件下，电荷仅 存在于半导体内及靠近 绝缘层的金属表面上， 它们数值相等、符号相 反，也就是说，不存在 界面陷阱和其它氧化层 电荷；在任 何偏置条件下，电荷仅 存在于半导体内及靠近 绝缘层的金属表面上， 它们数值相等、符号相 反，也就是说，不存在 界面陷阱和

11、其它氧化层 电荷；2.在直流偏置条 件下，没有通过绝缘体 的载流子输运，即绝缘 体的电阻率为无穷大；在直流偏置条 件下，没有通过绝缘体 的载流子输运，即绝缘 体的电阻率为无穷大； 3.为了简化，假设选择 的金属功函数和半导体 功函数之差为零。为了简化，假设选择 的金属功函数和半导体 功函数之差为零。+-M I S金属 绝缘体p-半导体半导体+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - 耗尽+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - 反型- +M I S金属 绝缘体p-半导体半导体+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - 积累MIS电容曲线