《半导体电导率和霍尔效应课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体电导率和霍尔效应课件（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、固体理论固体理论朱俊朱俊微电子与固体电子学院微电子与固体电子学院第六章第六章半导体电子论半导体电子论ElectrontheoryofsemiconductorEFEFEA强强p型型（a）EFEFEi（b）（c）（d）（e）p型型本征本征n型型强强n型型EFED上一堂回顾上一堂回顾n类氢杂质能级类氢杂质能级浅能级杂质：特点浅能级杂质：特点n施主和受主施主和受主施主和受主施主和受主: : 能级位置能级位置能级位置能级位置杂质半导体载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度决定。杂质半导体载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度决定。(1)N型半导体导带中电子浓度型半导体导带中电子浓度(2)P型半导体中空穴浓
2、度型半导体中空穴浓度上一堂回顾上一堂回顾GaN pGaN pGaN pGaN p型掺杂难型掺杂难型掺杂难型掺杂难对于杂质浓度一定的半导体，随温度升高，载流子以杂对于杂质浓度一定的半导体，随温度升高，载流子以杂质电离为主过渡到以本征激发为主。相应地费米能级从质电离为主过渡到以本征激发为主。相应地费米能级从位于杂质能级附近移到禁带中线处。位于杂质能级附近移到禁带中线处。费米能级既反映导电类型，也反映掺杂水平。费米能级既反映导电类型，也反映掺杂水平。 (3)费米能级费米能级上一堂回顾上一堂回顾1.半导体电导率半导体电导率在一般电场情况下，半导体的导电服从欧姆定律在一般电场情况下，半导体的导电服从欧姆
3、定律 为电导率为电导率半导体中可以同时有两种载流子半导体中可以同时有两种载流子空穴和电子在外场下获得的空穴和电子在外场下获得的平均漂移速度平均漂移速度电流密度电流密度5.4 半导体电导与霍尔效应半导体电导与霍尔效应 平均漂移速度和外场的关系平均漂移速度和外场的关系空穴和电子的空穴和电子的迁移率迁移率欧姆定律欧姆定律电导率电导率载流子的漂移运动是载流子的漂移运动是电场加速电场加速和半导体中和半导体中散射散射的结果的结果电子在输运过程中会受到一系列的散射：电子在输运过程中会受到一系列的散射：电子电子声子声子(声学、光声学、光学、压电学、压电)偶极子偶极子杂质杂质原子原子合金合金无序无序界面界面 粗
4、粗糙度糙度位错位错GaNGaN新的散射机制新的散射机制新的散射机制新的散射机制偶极子散射偶极子散射偶极子散射偶极子散射 位错散射位错散射位错散射位错散射 散射来自于晶格振动和杂质散射来自于晶格振动和杂质温度较高时，晶格振动对载流子的散射是主要的温度较高时，晶格振动对载流子的散射是主要的温度较低时，杂质的散射是主要的温度较低时，杂质的散射是主要的(库仑散射）库仑散射）迁移率一方面决定于有效质量迁移率一方面决定于有效质量_加速作用加速作用另一方面决定于散射几率另一方面决定于散射几率杂质激发的范围，主要是一种载流子杂质激发的范围，主要是一种载流子掺杂不同的掺杂不同的Ge半导体半导体导电率随温度变化导
5、电率随温度变化1)低低温温范范围围，杂杂质质激激发发的的载载流流子子起起主主要要作作用用载载流流子子的的数目与掺杂的情况有关数目与掺杂的情况有关2)高高温温范范围围，本本征征激激发发的的载载流流子子起起主主要要作作用用载载流流子子的数目与掺杂的情况无关的数目与掺杂的情况无关3)中中间间温温度度区区间间，温温度度升升高高时，导电率反而下降时，导电率反而下降晶格散射作用晶格散射作用T低温饱和本征电阻率与温度的关系示意图电阻率与温度的关系示意图温度温度很低很低时，电阻率随温度升高而降低。因为这时本征激发极弱，时，电阻率随温度升高而降低。因为这时本征激发极弱，可以忽略；载流子主要来源于杂质电离，随着温
6、度升高，可以忽略；载流子主要来源于杂质电离，随着温度升高，载流子载流子浓度浓度逐步增加，电离杂质散射是主要散射机构，逐步增加，电离杂质散射是主要散射机构，迁移率迁移率随温度升随温度升高而增大，导致电阻率随温度升高而降低。高而增大，导致电阻率随温度升高而降低。温度进一步温度进一步增加增加（含室温），电阻率随温度升高而升高。在这一（含室温），电阻率随温度升高而升高。在这一温度范围内，杂质已经全部电离，同时本征激发尚不明显，故载温度范围内，杂质已经全部电离，同时本征激发尚不明显，故载流子浓度基本没有变化。对散射起主要作用的是流子浓度基本没有变化。对散射起主要作用的是晶格散射晶格散射，迁移，迁移率随温
7、度升高而降低，导致电阻率随温度升高而升高率随温度升高而降低，导致电阻率随温度升高而升高温度再温度再进一步增加进一步增加，电阻率随温度升高而降低。这时本征激发越，电阻率随温度升高而降低。这时本征激发越来越多，虽然迁移率随温度升高而降低，但是本征载流子来越多，虽然迁移率随温度升高而降低，但是本征载流子增加很增加很快快，其影响大大超过了迁移率降低对电阻率的影响，导致电阻率，其影响大大超过了迁移率降低对电阻率的影响，导致电阻率随温度升高而降低。当然，温度超过器件的最高工作温度时，器随温度升高而降低。当然，温度超过器件的最高工作温度时，器件已经不能正常工作了。件已经不能正常工作了。2.半导体的霍耳效应半
8、导体的霍耳效应Halleffect 半导体片置于半导体片置于xy平面内平面内电流沿电流沿x方向方向磁场垂直于半导磁场垂直于半导体片沿体片沿z方向方向空空穴穴导导电电的的P型型半半导导体体，载载流子受到洛伦兹力流子受到洛伦兹力半导体片两端形成正负电荷的积累，产生静电场半导体片两端形成正负电荷的积累，产生静电场达到稳恒，满足达到稳恒，满足电流密度电流密度电场强度电场强度霍耳系数霍耳系数电子导电的电子导电的N半导体半导体 电场强度电场强度霍耳系数霍耳系数半导体的霍耳系数与载流子浓度成反比半导体的霍耳系数与载流子浓度成反比半导体的霍耳效应比金属强得多半导体的霍耳效应比金属强得多测量霍耳系数可以直接测得
9、载流子浓度测量霍耳系数可以直接测得载流子浓度确定载流子的种类确定载流子的种类霍耳系数为正霍耳系数为正空穴导电空穴导电霍耳系数为负霍耳系数为负电子导电电子导电霍耳系数霍耳系数霍耳系数霍耳系数5.5 非平衡载流子非平衡载流子 N型半导体型半导体主要载流子是电子，也有少量的空穴载流子主要载流子是电子，也有少量的空穴载流子电子电子多数载流子多数载流子多子多子空穴空穴少数载流子少数载流子少子少子P型半导体型半导体主要载流子是空穴，也有少量的电子载流子主要载流子是空穴，也有少量的电子载流子空穴空穴多数载流子多数载流子多子多子电子电子少数载流子少数载流子少子少子 热平衡热平衡下电子和空穴的浓度下电子和空穴的
10、浓度:半半导导体体中中的的杂杂质质电电子子，或或价价带带中中的的电电子子通通过过吸吸收收热热能能，激激发发到导带中到导带中载流子的产生载流子的产生电子回落到价带中和空穴发生复合电子回落到价带中和空穴发生复合载流子的复合载流子的复合达到平衡时，载流子的达到平衡时，载流子的产生率产生率和和复合率复合率相等相等电子和空穴的浓度有了一定的分布电子和空穴的浓度有了一定的分布电子和空穴的浓度满足电子和空穴的浓度满足热平衡条件热平衡条件在外界的影响作用下，电子和空穴浓度可能偏离平衡值在外界的影响作用下，电子和空穴浓度可能偏离平衡值即有即有称称非平衡载流子非平衡载流子 非非平平衡衡电电子子和和非非平平衡衡空空
11、穴穴的浓度相同的浓度相同如如本本征征光光吸吸收收或或电电注注入等入等本征光吸收将会产生本征光吸收将会产生电子电子空穴对空穴对EFEi 非平衡载流子对非平衡载流子对多子多子和和少子少子的影响程度的影响程度 多子的数目很大多子的数目很大非平衡载流子对多子的影响不明显非平衡载流子对多子的影响不明显对少子将产生很大影响对少子将产生很大影响在讨论在讨论非平衡载流子非平衡载流子的问题时的问题时主要关心的是非平衡主要关心的是非平衡少数少数载流子载流子.非平衡载流子的非平衡载流子的复合复合和和寿命寿命 在热平衡下，载流子的浓度具有稳定值在热平衡下，载流子的浓度具有稳定值非平衡载流子非平衡载流子光照可以产生载流
12、子光照可以产生载流子开始光照开始光照，载流子的，载流子的产生率产生率增大，同时增大，同时复合率复合率也增大也增大载流子的浓度偏离热平衡时的浓度载流子的浓度偏离热平衡时的浓度一段时间的光照后，非平衡载流子的浓度具有一段时间的光照后，非平衡载流子的浓度具有确定确定的数目的数目载流子的载流子的产生率和复合率相等产生率和复合率相等载流子的浓度到达一个新的平衡载流子的浓度到达一个新的平衡撤去光照撤去光照，载流子，载流子复合率复合率大于大于产生率产生率，经过一段时间后，经过一段时间后载流子的浓度又恢复到热平衡下的数值载流子的浓度又恢复到热平衡下的数值单位时间、单位体积复合的载流子数目单位时间、单位体积复合
13、的载流子数目光照稳定时的非平衡载流子浓度光照稳定时的非平衡载流子浓度撤去光照撤去光照后，非平衡载流子浓度随时间的后，非平衡载流子浓度随时间的变化关系变化关系 为非平衡载流子的寿命为非平衡载流子的寿命载流子的复合是以载流子的复合是以固定概率固定概率发生的发生的非平衡载流子的复合率非平衡载流子的复合率非平衡载流子的非平衡载流子的寿命寿命 的意义：的意义： 1)光照使半导体的导电率明显增加光照使半导体的导电率明显增加光电导效应光电导效应 决定着变化的光照时，光电导反应的快慢决定着变化的光照时，光电导反应的快慢两个光信号的间隔两个光信号的间隔，可以分辨出相应的电流信，可以分辨出相应的电流信号变化，才可
14、以分辨出两个光信号号变化，才可以分辨出两个光信号光通信光通信光通信光通信2)非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 越大，光电导效应越明显越大，光电导效应越明显非平衡载流子的浓度减小为平衡值的非平衡载流子的浓度减小为平衡值的1/e所需要的时间所需要的时间是是 ，显然，显然 越大，非平衡载流子浓度减小得越慢越大，非平衡载流子浓度减小得越慢一个非平衡载流子只在一个非平衡载流子只在 时间里起到增加电导的作用，时间里起到增加电导的作用， 越大，产生一个非平衡载流子对增加的电导作用越大越大，产生一个非平衡载流子对增加的电导作用越大非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 的意义的意义 太阳能电池效率太阳能电池
15、效率太阳能电池效率太阳能电池效率3)非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 对光电导效应有着重要的意义，通对光电导效应有着重要的意义，通过测量光电导的衰减，可以确定非平衡载流子的寿命过测量光电导的衰减，可以确定非平衡载流子的寿命4)寿命寿命 与半导体材料所含的杂质与缺陷有关与半导体材料所含的杂质与缺陷有关深能级杂质的材料深能级杂质的材料，电子先由导带落回一个空的杂质深，电子先由导带落回一个空的杂质深能级，然后由杂质深能级落回到价带中空的能级能级，然后由杂质深能级落回到价带中空的能级非平衡载流子的寿命的测量可以鉴定半导体材料晶体质非平衡载流子的寿命的测量可以鉴定半导体材料晶体质量的常规手段量的常规
16、手段深能级起着复合作用，降低了非平衡载流子的寿命深能级起着复合作用，降低了非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 的意义的意义 2.非平衡载流子的非平衡载流子的扩散扩散 金属和一般的半导体中，载流子在外场作用下的定向运动金属和一般的半导体中，载流子在外场作用下的定向运动形成形成漂移电流漂移电流半导体中载流子浓度的不均匀而形成扩散运动半导体中载流子浓度的不均匀而形成扩散运动产生产生扩散电流扩散电流非平衡少数载流子产生明显的扩散电流非平衡少数载流子产生明显的扩散电流多数载流子，漂移电流是主要的多数载流子，漂移电流是主要的一维扩散电流的讨论一维扩散电流的讨论：均匀光照射半导体表面均匀
17、光照射半导体表面光在表面很薄的一层内被吸收光在表面很薄的一层内被吸收光照产生非平衡少数载流子光照产生非平衡少数载流子在稳定光照射下，在半在稳定光照射下，在半导体中建立起导体中建立起稳定的非稳定的非平衡载流子分布平衡载流子分布向体内运动，一边扩散向体内运动，一边扩散一边复合一边复合How about Distribution?非平衡载流子的扩散是非平衡载流子的扩散是热运动的结果热运动的结果非非平平衡衡少少数数载载流流子子一一边边扩扩散散一一边复合，形成稳定分布边复合，形成稳定分布浓度满足浓度满足连续方程连续方程载流子的复合率载流子的复合率单位时间、通过单位横截面积载流子数目单位时间、通过单位横截
18、面积载流子数目扩散流密度扩散流密度方程的通解方程的通解边界条件边界条件深入样品的平均距离深入样品的平均距离扩散长度扩散长度扩散流密度扩散流密度太阳能电池：太阳能电池：太阳能电池：太阳能电池：光学厚，电学薄光学厚，电学薄光学厚，电学薄光学厚，电学薄5.6PN结结 (自学）自学）： PN结的构成结的构成PN结的性质结的性质单向导电性单向导电性电流随电压变化特性电流随电压变化特性反向状态反向状态正向状态正向状态一部分是一部分是N型半导体材料型半导体材料一部分是一部分是P型半导体材料型半导体材料1.平衡平衡PN结势垒结势垒 电子浓度电子浓度空穴浓度空穴浓度掺杂的掺杂的N型半导体材料型半导体材料，在，在
19、杂质激发的载流子杂质激发的载流子范围，电范围，电子的浓度远远大于空穴的浓度，子的浓度远远大于空穴的浓度，费密能级费密能级在带隙的上半在带隙的上半部，接近导带部，接近导带P型半导体材料型半导体材料中，中，费密能级费密能级在带隙的下半部，接近价带在带隙的下半部，接近价带N型和型和P型材料分别形成两个区型材料分别形成两个区N区和区和P区区N区和区和P区的区的费密能级不相等费密能级不相等，在，在PN结处产生结处产生电荷的积累电荷的积累稳定后形成一定的稳定后形成一定的电势差电势差P区相对于区相对于N区具有电势差区具有电势差V V PN结的接触结的接触势势内电场的建立，使内电场的建立，使PNPN结中结中产
20、生电位差。从而形成接产生电位差。从而形成接触电位触电位V V 接触电位接触电位V V 决定于材料及掺杂决定于材料及掺杂浓度浓度硅：硅： V V =0.7=0.7锗：锗： V V =0.2=0.2PN结势垒作用：结势垒作用： 正负载流子在正负载流子在PN结处聚集，在结处聚集，在PN结内部形成电场结内部形成电场自建场自建场势垒势垒阻止阻止N区大浓度的区大浓度的电子电子向向P区扩散区扩散平衡平衡PN结结载流子的载流子的扩扩散和漂移运动散和漂移运动的相对平衡的相对平衡 电场对于电场对于N区的电子和区的电子和P区的空穴是一个势垒区的空穴是一个势垒 势垒阻止势垒阻止P区大浓度区大浓度的空穴向的空穴向N区扩
21、散区扩散抵消原来抵消原来P区和区和N区电子费密能级的差别区电子费密能级的差别P区区电子电子的能量向上移动的能量向上移动半导体中载流子半导体中载流子浓度远远低于金属浓度远远低于金属且有且有PN结结处处形形成成的的电电荷荷空空间间分分布布区区域域约约在在微米数量级微米数量级扩散和漂移形成平衡电荷分布，满足扩散和漂移形成平衡电荷分布，满足玻耳兹曼统计规律玻耳兹曼统计规律N区和区和P区区空穴浓度之比空穴浓度之比热平衡下热平衡下N区和区和P区区电子浓度电子浓度P区和区和N区区电子浓度之比电子浓度之比2.PN结的正向注入结的正向注入 当当PN结加有正向偏压结加有正向偏压P区为正电压区为正电压 外外电电场场
22、与与自自建建场场方方向向相相反反，外外电电场场减减弱弱PN结结区区的的电电场场，使使原有的载流子平衡受到破坏原有的载流子平衡受到破坏电子电子N区区扩散到扩散到P区区空穴空穴P区区扩散到扩散到N区区非平衡载流子非平衡载流子PN结的正向注入结的正向注入电子扩散电流密度电子扩散电流密度正正向向注注入入，P区区边边界界电子的浓度变为电子的浓度变为外加电场使边界处电子的浓度提高外加电场使边界处电子的浓度提高倍倍和和比较得到比较得到边界处非平衡载流子浓度边界处非平衡载流子浓度正向注入的电子在正向注入的电子在P区边界积累，同时向区边界积累，同时向P区扩散区扩散非平衡载流子边扩散、边复合非平衡载流子边扩散、边
23、复合形成电子电流形成电子电流边界处非平衡载流子浓度边界处非平衡载流子浓度正向注入电子在正向注入电子在P区边界区边界积累积累，同时向，同时向P区区扩散扩散，非平，非平衡载流子边扩散、边复合衡载流子边扩散、边复合形成电子电流形成电子电流应用非平衡载流子密度方程应用非平衡载流子密度方程边界处边界处电子扩散流密度电子扩散流密度电子的扩散系数和扩散长度电子的扩散系数和扩散长度注入到注入到P区的电子电流密度区的电子电流密度在在N区边界空穴积累，同时向区边界空穴积累，同时向N区扩散，也是非平衡区扩散，也是非平衡载流子边扩散、边复合载流子边扩散、边复合形成空穴电流形成空穴电流注入到注入到N区的空穴电流密度区的
24、空穴电流密度PN结总的电流密度结总的电流密度肖克莱方程肖克莱方程(W.Shockley)结果讨论：结果讨论：2)PN结的电流和结的电流和N区少子区少子、P区少子区少子成正比成正比1)当正向电压当正向电压V增加时，电流增加很快增加时，电流增加很快如果如果N区掺杂浓度远大于区掺杂浓度远大于P区掺杂浓度区掺杂浓度PN结电流中将以电子电流为主结电流中将以电子电流为主3.PN结的反向抽取结的反向抽取 N区的空穴一到达边界即被拉到区的空穴一到达边界即被拉到P区区P区的电子一到达边界即被拉到区的电子一到达边界即被拉到N区区PN结方向抽取作用结方向抽取作用PN加有反向电压加有反向电压势垒变为势垒变为PN结加有
25、反向偏压结加有反向偏压P区为负电压，外电场与自建场方区为负电压，外电场与自建场方向相同，势垒增高，载流子的向相同，势垒增高，载流子的漂移运动漂移运动超过超过扩散运动扩散运动只有只有N区的空穴区的空穴和和P区的电子区的电子在结区电场的作用下才能在结区电场的作用下才能漂移过漂移过PN结结 P区边界电子的浓度区边界电子的浓度反向抽取使边界少子反向抽取使边界少子的浓度减小的浓度减小反向电流反向电流一般情况下一般情况下反向饱和电流反向饱和电流扩散速度扩散速度P区和区和N区少数载流子的产生率区少数载流子的产生率P区少数载流子区少数载流子电子的产生率电子的产生率N区少数载流子区少数载流子空穴的产生率空穴的产
26、生率反向饱和电流反向饱和电流扩散长度一层内，总的少数载流子产生扩散长度一层内，总的少数载流子产生率乘以电子电量率乘以电子电量q反向电流反向电流PN结附近所产生的少数载流子又有机会扩结附近所产生的少数载流子又有机会扩散到空间电荷区边界的少数载流子形成散到空间电荷区边界的少数载流子形成4.PN结的反向击穿：结的反向击穿： 反向击穿反向击穿PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象流激增的现象雪崩击穿雪崩击穿当反向电压增高时，当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。在空间电荷区与原子
27、发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。齐纳击穿齐纳击穿当反向电压较大时，当反向电压较大时，强电场直接从共价键强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子中将电子拉出来，形成大量载流子, ,使反向使反向电流电流激增。激增。击穿是可逆。击穿是可逆。掺杂浓度小的掺杂浓度小的二极管容易发生二极管容易发生击穿是可逆。击穿是可逆。掺杂浓度大的掺杂浓度大的二极管容易发生二极管容易发生不可逆击穿不可逆击穿热击穿热击穿PN结的电流或电压较大，使结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致升高
28、，导致PN结过热而烧毁结过热而烧毁5、PN结的电容效应结的电容效应： 势垒电容势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。电容的充放电。扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而结的另一侧面积累而形成的。因形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子，与外电区的电子，与外
29、电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在堆积在P区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。分布曲线。 扩散电容扩散电容CD当外加正向电压当外加正向电压不同时，扩散电流即不同时，扩散电流即外电路电流的大小也外电路电流的大小也就不同。所以就不同。所以PN结两结两侧堆积的多子的浓度侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这梯度分布也不同，这就相当电容的充放电就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩过程。势垒电容和扩散电容均是散电容均是非线性电非线性电容。容。8、二极管的应用二极管的应用:
30、1、整流电路整流电路整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，整流电路中的二极管是作为整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向开关运用，具有单向导电性。导电性。2、光电子器件、光电子器件光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。其结构和普通的二极管基本相同其结构和普通的二极管基本相同D发光二极管是将电能转换成光能的特殊发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件，它只有在加正向电压时才发半导体器件，它只有在加正向电压时才发光。光。 它利用光电导效应工作，它利用光电导效应工作，PN结工作在反偏状态，当结工作在反
31、偏状态，当光照射在光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，产生电子产生电子空穴对，在外电场的作用下形成光电流。空穴对，在外电场的作用下形成光电流。MIS体系体系：金属绝缘体半导体：金属绝缘体半导体(MetalInsulatorSemiconductor)MOS体系体系：金属氧化物半导体：金属氧化物半导体MIS结构的一种特殊形式结构的一种特殊形式(MetalOxideSemiconductor)MOS有着许多主要的应用有着许多主要的应用1)绝缘栅场效应管：存储信息绝缘栅场效应管：存储信息2)集成电路：计算机集成电路：计算机RAM3)电荷耦合器件：电
32、荷耦合器件：CCD存储信号，转换信号存储信号，转换信号七、七、 金属绝缘体半导体金属绝缘体半导体(MISFET) 如：如：P型半导体型半导体1、MIS体系的机理体系的机理金属层金属层栅极栅极半导体接地半导体接地氧化物氧化物(SiO2100nm)1)在栅极施加电压为在栅极施加电压为负负时，半导体中的时，半导体中的空穴空穴被吸收到被吸收到IS表表面，并在表面处形成带正电荷的面，并在表面处形成带正电荷的空穴积累层空穴积累层2)在栅极施加电压为在栅极施加电压为正正时，半导体中的多数载流子时，半导体中的多数载流子空空穴被排斥离开穴被排斥离开IS表面表面少数载流子少数载流子电离的受主电离的受主电子电子被吸
33、收表面处被吸收表面处3)正电压较小正电压较小空穴被排斥空穴被排斥，在表面处形成，在表面处形成负电荷的耗尽层负电荷的耗尽层为屏蔽栅极正为屏蔽栅极正电压电压,耗尽层具耗尽层具有一定的厚度有一定的厚度d微米量级微米量级空间电荷区空间电荷区Spacechargeregion不能移动的不能移动的不能移动的不能移动的电离受主杂质电离受主杂质电离受主杂质电离受主杂质空间电荷区存在电场，使能带发生弯曲空间电荷区存在电场，使能带发生弯曲对空穴来说形成一个势垒对空穴来说形成一个势垒体内体内能级是反应电子能量的高低能级是反应电子能量的高低表面表面处处x0相对于体内相对于体内xd的的电势差电势差表面势：表面势：Vs栅
34、极正电压增大时，表面势进一步增大栅极正电压增大时，表面势进一步增大表表面面势势足足够够大大时时，有有可可能能表表面面处处的的费费密密能能级进入带隙的上半部级进入带隙的上半部空空间间电电荷荷区区电电子子的的浓浓度度将将要要超超过过空空穴穴的浓度的浓度形成形成少子电子少子电子的的导电层导电层空间电荷区的载流子主要为电子，而半导体内部空间电荷区的载流子主要为电子，而半导体内部的载流子为空穴，空间电荷层的载流子为空穴，空间电荷层反型层反型层形成反型层时的能带形成反型层时的能带特点特点：Ei是半导体的本征费密能级，是半导体的本征费密能级，EF是表面处的费密能级是表面处的费密能级当当EF在在Ei之之上上时
35、时，电电子的浓度大于空穴的浓度子的浓度大于空穴的浓度两两者者相相等等时时，电电子子和和空穴的浓度相等空穴的浓度相等当当EF在在Ei之之下下时时，电电子的浓度小于空穴的浓度子的浓度小于空穴的浓度形成反型层的形成反型层的条件条件：费密能级费密能级EF从体内从体内Ei之之下变成表面时下变成表面时Ei之上，之上，两者之差两者之差qVF满足满足一般形成反型层的条件一般形成反型层的条件表面处电子浓度增加到等于或超过体内空穴的浓度表面处电子浓度增加到等于或超过体内空穴的浓度反反型型层层中中的的电电子子，一一边边是是绝绝缘缘层层导导带带比比半半导导体体高高出出许许多，另一边多，另一边是耗尽层空间电荷区电场形成
36、的势垒是耗尽层空间电荷区电场形成的势垒电子被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域电子被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域有时称反型层称为有时称反型层称为沟道沟道channelP型半导体的表面反型层是电子构成的型半导体的表面反型层是电子构成的N沟道沟道N沟道晶体管沟道晶体管:在在P型衬底的型衬底的MOS体系中增加两个体系中增加两个N型型扩散区扩散区源区源区S和漏区和漏区D，构成，构成N沟道晶体管沟道晶体管1)一一般般情情况况下下：栅栅极极电电压压很很小小，源源区区S和和漏漏区区D被被P型型区区隔隔开开，即即使使在在SD之之间间施施加加一一定定的的电电压压，由由于于SP和和DP区区构成两个反
37、向构成两个反向PN结结只有只有微弱的微弱的PN反向结反向结电流电流2)栅极电压达到或超过一定的阈值，栅极电压达到或超过一定的阈值，Insulator_P-Si表面处表面处形成形成反型层反型层电子的浓度大于体内空穴的浓度电子的浓度大于体内空穴的浓度3)通过控制栅极通过控制栅极电压的极性和电压的极性和数值数值，使，使MOS晶体管处于晶体管处于导通导通和截止和截止状态，源区状态，源区S和漏区和漏区D之之间的电流受到栅极电压的调制间的电流受到栅极电压的调制集成电路应用集成电路应用 反型层将源区反型层将源区S和漏区和漏区D连接起来，此时在连接起来，此时在SD施加一施加一个电压，则会有明显的电流产生个电压
38、，则会有明显的电流产生 2 2、理想、理想MIS结构：结构：（1 1）Wm=Ws；（2 2）绝缘层内无电荷绝缘层内无电荷 且绝缘层不导电；且绝缘层不导电；（3 3）绝缘层与半导体绝缘层与半导体 界面处不存在界面态。界面处不存在界面态。MIS结构结构等效电路等效电路金属的功函数金属的功函数Wm表示一个起始能量等于费米能级的电子，由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金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最最小能量小能量。E0(EF)mWmE0为真空中电子的能量，为真空中电子的能量，又称为真空能级。又称为真空能级。 金属铯金属铯Cs的功函数最低的功函数最低1.9
39、3eV，PtPt最高为最高为5.36eV功函数功函数：Wm、Ws？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与费米能级之差称为半导体的功函数。的功函数。用用表示从表示从Ec到到E0的能量间隔：的能量间隔：称称为电子的为电子的亲和能亲和能，它表示要使半导体，它表示要使半导体导带导带底底的电子逸出体外所需要的的电子逸出体外所需要的最小最小能量。能量。Ec(EF)sEvE0WsEnNote:和金属不同的是，半导体的费米能级随杂和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，质浓度变化，所以，Ws也和也和杂质浓度杂质浓度有关有关。3、MIS结构的电容电压结构的电容电压C-V特性
40、特性MIS结构是组成结构是组成MOSFET等表面器等表面器件的基本部分；件的基本部分；电容电压特性是用电容电压特性是用于研究半导体表面和于研究半导体表面和界面的重要手段。界面的重要手段。一、一、理想理想MISMIS结构结构的电容电压特性的电容电压特性在在MIS结构上加一结构上加一偏压偏压，同时测量，同时测量小信号电容小信号电容随外加偏随外加偏压变化的电容电压特性，即压变化的电容电压特性，即C-V特性。特性。在在MISMIS结构的金属和半导体间加以某一电压结构的金属和半导体间加以某一电压V VG G后，电压后，电压V VG G的一部分的一部分VoVo降在降在绝缘层绝缘层上，而另上，而另一部分降在
41、一部分降在半导体表面层半导体表面层中，形成中，形成表面势表面势VsVs，即，即因是理想MIS结构，绝缘层内没有任何电荷，绝缘层中电场是均匀的，以E表示其电场强度，显然，显然，CsC0如何定量描述？如何定量描述？理想理想MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性1 1、多子积累时多子积累时：偏压：偏压VgVg为负，半导体表面为负，半导体表面处于堆积状态（以处于堆积状态（以P P型半导体型半导体）（1 1）当）当/V/Vs s/ /较大时，有较大时，有C CC Co o半导体从内部到表面可视为导通状态；半导体从内部到表面可视为导通状态；C/Co（2 2）当）当/V/Vs s/ /较小时，有较小时
42、，有C/CC/Co o11。2、平带状态、平带状态 Vg=0Vg=0,Vg=0,对于理想对于理想MISMIS表面势表面势VsVs也为也为0.0.3、耗尽状态、耗尽状态 VG04、强反型后，、强反型后，即即VS2VB从从物理图像物理图像上理解：上理解：强反型层出现后，大量的电子聚强反型层出现后，大量的电子聚积在半导体的表面，绝缘层两边积在半导体的表面，绝缘层两边堆积了电荷，并且在堆积了电荷，并且在低频信号时低频信号时，少子的少子的产生产生和和复合复合跟得上低频小跟得上低频小信号得变化。信号得变化。如同只有绝缘层电如同只有绝缘层电容一样容一样。高频时高频时，反型层中的电子的产生和复合将跟不，反型层
43、中的电子的产生和复合将跟不上高频信号的变化，即反型层中的电子数量不上高频信号的变化，即反型层中的电子数量不随小信号电压而变化，所以随小信号电压而变化，所以对电容没有贡献对电容没有贡献。二、实际的二、实际的MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性在实际的在实际的MIS结构中，存在一些因素影响着结构中，存在一些因素影响着MIS的的C-V特性，如：金属和半导体之间的特性，如：金属和半导体之间的功函数的差功函数的差、绝缘层绝缘层中的电荷等。中的电荷等。 例：以例：以Al/SiO2/P-type-SiAl/SiO2/P-type-Si 的的MOSMOS结构为例：结构为例： P P型硅的功函数一般较铝
44、大，当型硅的功函数一般较铝大，当WmWs时，将导致时，将导致C-V特性向负栅压方向移动。特性向负栅压方向移动。使能带恢复平直的栅电压使能带恢复平直的栅电压C CFBFBVFB平带电压平带电压VFB实验上，可计算出实验上，可计算出理想状态理想状态时的平带时的平带电容值，然后在电容值，然后在C CFBFB引与电压轴平行的引与电压轴平行的直线，和实际曲线直线，和实际曲线相交点在电压轴上相交点在电压轴上的坐标，即的坐标，即VFB实际实际绝缘层电荷绝缘层电荷对对MIS结构结构C-V特性的影响：特性的影响：一般有：一般有：由于这些电荷的存在，将在金属和半导体表面感由于这些电荷的存在，将在金属和半导体表面感
45、应出应出相反符号相反符号的电荷，在半导体的空间电荷层内的电荷，在半导体的空间电荷层内产生电场使得能带发生弯曲。也即没有偏压，也产生电场使得能带发生弯曲。也即没有偏压，也可使得半导体表面层可使得半导体表面层离开平带状态离开平带状态。假设在假设在SiO2中距离金属中距离金属/SiO2的界面的界面x处有处有一层一层正电荷正电荷金属金属SiOSiO2 2半导体半导体do假定半导体和金属的功函数相同，即假定半导体和金属的功函数相同，即WWmm=W=Ws s金属金属半导体半导体Ec半导体表面半导体表面能带下弯能带下弯恢复平带的方法：恢复平带的方法：半导体半导体绝缘层绝缘层金属金属do在金属一边加上在金属一
46、边加上负电压负电压，并且逐渐增大，使得半并且逐渐增大，使得半导体表面层的负电荷随之导体表面层的负电荷随之减小，直至完全消失。这减小，直至完全消失。这时在半导体表面层内，在时在半导体表面层内，在氧化物中存在的薄的正电氧化物中存在的薄的正电荷产生的电场完全被金属荷产生的电场完全被金属表面增加的负电荷的电场表面增加的负电荷的电场屏蔽屏蔽了，半导体表面的能了，半导体表面的能带带又平了，又平了，即恢复到即恢复到平带状态平带状态。加偏压加偏压VG0CV曲线为：八、半导体异质结：八、半导体异质结： 同质结同质结由由同种半导体材料同种半导体材料构成构成N区或区或P区，形成的区，形成的PN结结异质结异质结两种两
47、种带隙宽度带隙宽度不同的半导体材料生长在同一块不同的半导体材料生长在同一块单晶上形成的结单晶上形成的结同型异质结同型异质结结的两边导电类型相同：结的两边导电类型相同：NN，PP异型异质结异型异质结结的两边导电类型不相同：结的两边导电类型不相同：NP，PN两种材料未构成异质两种材料未构成异质PN结之前的能级图结之前的能级图两种半导体材料构成异质两种半导体材料构成异质PN结之后的能级图结之后的能级图异质异质PN结界面处导带底和价带顶不连续结界面处导带底和价带顶不连续差值差值两两种种材材料料的的费费密密能能级级不不同同，电电子子从从高高费费密密能能级级材材料料流流向向低低费费密密能能级级材材料料，形
48、成形成PN结势垒结势垒形形成成异异质质结结时时，能能带带在在界界面面处处间间断断，在在势势垒垒的的一一侧侧出出现现尖尖峰峰，另另一一侧侧出现峡谷出现峡谷异质结的异质结的“注入比注入比”P区的区的电子电子电流密度电流密度N区的区的空穴空穴电流密度电流密度PN结注入比结注入比热平衡条件热平衡条件异型同质异型同质PN结注入比结注入比ND和和NAN区和区和P区掺杂浓度区掺杂浓度如果如果N型区的带隙宽度大于型区的带隙宽度大于P型区带隙宽度，即使两边型区带隙宽度，即使两边掺杂浓度差不多时，可以获得很高的注入比掺杂浓度差不多时，可以获得很高的注入比异质结的注入比决定晶体管的电流放大系数、激光器异质结的注入比
49、决定晶体管的电流放大系数、激光器的注入效率和阈值电流的注入效率和阈值电流异型异质异型异质PN结结异质异质PN结注入比结注入比光生伏特效应光生伏特效应太阳能电池太阳能电池 利利用用扩扩散散掺掺杂杂，在在P型型半半导导体体的的表表面面形形成成一一个个薄的薄的N型层型层光照射下，在光照射下，在PN结及附近产生大量的电子和空穴对结及附近产生大量的电子和空穴对PN结的自建电场结的自建电场强电场区域强电场区域PN结附近一个扩散长度内，电子空穴对还没有复合结附近一个扩散长度内，电子空穴对还没有复合就有可能通过扩散达到就有可能通过扩散达到PN结的强电场区域结的强电场区域强电场将电子扫向强电场将电子扫向N区区强
50、电场将空穴扫向强电场将空穴扫向P区区N区带负电区带负电P区带正电区带正电上下电极上下电极产生电压产生电压异质结的异质结的“窗口效应窗口效应” 光子能量小于宽带隙的光子能量小于宽带隙的N型层型层_，可以透，可以透过过N型层，在带隙较窄的型层，在带隙较窄的P型层被吸收型层被吸收同同质质PN结结制制作作光光电电池池，缺缺陷陷引引起起的的表表面面复复合合和和高高掺掺杂杂层层中中载载流流子子寿寿命命低等因素低等因素使使得得一一些些电电子子空空穴穴对不能到达强电场区域对不能到达强电场区域异质结的异质结的“窗口效应窗口效应” 异质结的窗口效应异质结的窗口效应有效地有效地减小电子空穴的复合率减小电子空穴的复合率
