半导体物理第七章
半导体物理与器件-第七章 pn结
7.1 pn结的基本结构
冶金结:P区和n区的交界面
突变结 突变结-均匀分布，交界处突变
5
7.1 pn结的基本结构
PN结的形成
Space charge region
空间电荷区＝耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）
6
pn结的形成
Байду номын сангаас.2 零 偏
pn结能带图
7.2.1内建电势差
当两块半导体结合成pn结时，按费米能级的意义，电子将 从费米能级高的n区向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区 ，因而FFn不断下移，且EFp不断上移，直至时FFn = EFp为止；这 时pn结中有统一的费米能级EF，pn结处于热平衡状态。
4、对单边突变结，空间电荷区的宽度W取决于轻掺杂一侧杂质的浓度。
7.2零偏
7.2.3空间电荷区宽度
7.3 反 偏
7.3.1空间电荷区宽度与电场
反偏
与内建电场方向相同
外加偏置电压VR（以P端相对于N端电压为定义方向) 正偏：P端接正；
反偏：P端接负。
EF不再统一
n
16
7.3反偏
V=Vbi+VR
第7章 pn结
本章内容
第7章 pn结 7．1 pn结的基本结构 7．2零偏 7．3反偏 *7．4非均匀掺杂pn结 7．5小结
2
引言
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器 件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件－整 流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其 它半导体器件器件物理的基础。正因为如此， PN结一章在半导 体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四分之 一。
半导体物理第七章金属与半导体的接触
eV kT
⎞ ⎟⎠
J
V<0 当e|V|>>kT J = − J ST
V
-J0
反向饱和电流JsT与外加电压无关，强烈依赖温度
热场发射理论：
适用于平均自由程较长，迁移率较高材料，如硅锗等
半导体物理
25
三. 镜像力(image force)的影响
理论与实际的偏差
当半导体中的电子到达金属－半导体的界面附近时，该 电子将在金属表面感生正电荷。由于金属表面的电力线 必须垂直于表面，因此该电子在金属表面感生电荷的总 和必定等价于金属内部与该电子镜面对称处的一大小相 等的正电荷。
P
E0
E0
型
半
Wm
导
EC
Ws
Wm
EC
Ws Ef
体
Ef
EV
EV
反阻挡层
半导体物理
阻挡层
8
表面态对接触势垒的影响
理想肖特基势垒接触： qΦB = Wm − χ
金属与半导体接触是否形成接触势垒，取决于它们的功函 数大小。
同一种半导体与不同金属接触时，形成的势垒高度同金属 的功函数成正比。
实际金－半接触： 90％的金属和半导体接触形成势垒，与功函数关系不大。
2o Wm < Ws 时仍有肖特基势垒
半导体物理
肖特基势垒
Φ BN
=
EC
− EFs =
2 Eg 3
13
势垒区的电势分布
假设: (耗尽层近似) 空间电荷区载流子全耗尽；
d 2V dx 2
=
⎪⎧− ⎨ ⎪⎩
qN D
ε 0ε r
0
0≤ x≤d x>d
E( x) = − dV = qN D (x − d )
半导体物理 第七章 电荷转移器件 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
❖ 小结：
体表面形成由电离受主构成的负的空间电荷区。空间电荷区为耗
尽层。由于不是处于热平衡状态，耗尽层不受热平衡时的最大厚
度的限制，而直接由栅压VG的大小来决定。这时表面势也不受形 成强反型层时ψs=2φf的限制，也直接由VG 的大小来决定。在深 耗尽状态，耗尽层厚度Xd>Xdm，表面势ψs>2φf ，所以称之为深 耗尽状态。
CTD的核心是MOS电容的有序阵列(arrays)加上输 入与输出部分。在栅电极加上时钟脉冲电压时，在 半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱。用 光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势 阱中。通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度 发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子 在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子 的收集和再生得到信号的输出。
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
二、电荷耦合器件——CCD
图7-2 三相CCD动作， p+扩散用来限制沟道 1. 若在图7-2a中，电极2偏置在10V，比它附近两个电极的偏置电压(5V)高，
这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷存储在这个电极下边。 2. 现在让电极3偏置在15V，在电极3下边于是就建立起一个更深的势阱
第七章 电荷转移器件
Charge-Transfer Devices—CTD
半导体物理第7章概要
加反向电压时，势垒增高，从半导体到金属的电子数目 减少，金属到半导体的电子流占优势，形成一股半导体 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才能到达半导体 中，因此反向电流是很小的。 金属一边的势垒不随外加电压变化，所以从金属到半导 体的电子流是恒定的。 当反向电压提高，使半导体到金属的电子流可以忽略不 计时，反向电流趋于饱和。 以上的讨论说明这样的阻挡层具有类似pn结的伏—安特 性，即有整流作用
功函数越大，电子越不容易离开金属。 金属的功函数约为几个电子伏特。 铯的功函数最低，为1.93eV 铂的最高．为5.36eV。
功函数的值与表面状况有关
金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化。
半导体功函数
半导体功函数
Ws E0 ( EF ) s 电子亲合能,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。
1 * 2 E E c mn v 2 * dE mn vdv
带入上式，并利用 Ec E F n0 N c exp( ) k 0T
可得
* * 2 3 mn m nv 2 2 dn 4n0 ( ) v exp( )dv 2k 0T 2k 0T
7.2.2热电子发射理论
当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒 宽度。
起决定作用的是势垒高度而不是势垒宽度。
电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。
由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很 少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常 数。 讨论非简并半导体的情况。
半导体单位体积能量在E~E+dE范围内的电子数
但绝大多数所处的能级都低于体外能级。要使电子从金 属中逸出，必须由外界给它以足够的能量
半导体物理学第七章知识点
第7章 金属－半导体接触本章讨论与pn 结特性有很多相似之处的金－半肖特基势垒接触。
金－半肖特基势垒接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之一：§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、金属的功函数在绝对零度，金属中的电子填满了费米能级E F 以下的所有能级，而高于E F 的能级则全部是空着的。
在一定温度下，只有E F 附近的少数电子受到热激发，由低于E F 的能级跃迁到高于E F 的能级上去，但仍不能脱离金属而逸出体外。
要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。
所以，金属中的电子是在一个势阱中运动，如图7-1所示。
若用E 0表示真空静止电子的能量，金属的功函数定义为E 0与E F 能量之差，用W m 表示：FM M E E W -=0它表示从金属向真空发射一个电子所需要的最小能量。
W M 越大，电子越不容易离开金属。
金属的功函数一般为几个电子伏特，其中，铯的最低，为1.93eV ；铂的最高，为5.36 eV 。
图7-2给出了表面清洁的金属的功函数。
图中可见，功函数随着原子序数的递增而周期性变化。
2、半导体的功函数和金属类似，也把E 0与费米能级之差称为半导体的功函数，用W S 表示，即FS S E E W -=0因为E FS 随杂质浓度变化，所以W S 是杂质浓度的函数。
与金属不同，半导体中费米能级一般并不是电子的最高能量状态。
如图7-3所示，非简并半导体中电子的最高能级是导带底E C 。
E C 与E 0之间的能量间隔C E E -=0χ被称为电子亲合能。
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。
利用电子亲合能，半导体的功函数又可表示为)(FS C S E E W -+=χ式中，E n =E C －E FS 是费米能级与导带底的能量差。
图7-1 金属中的电子势阱图7－2 一些元素的功函数及其原子序数图7-3 半导体功函数和电子亲合能表7-1 几种半导体的电子亲和能及其不同掺杂浓度下的功函数计算值二、有功函数差的金属与半导体的接触把一块金属和一块半导体放在同一个真空环境之中，二者就具有共同的真空静止电子能级，二者的功函数差就是它们的费米能级之差，即W M －W S ＝E FS －E FM 。
半导体物理_第七章_金属和半导体的接触
电流很小，为反向偏置
3. V>0
金属接正极，半导体接负极
外加电压削弱了内建电场的作用，势垒降低；
金属一侧的势垒高度没有变化；
电流很大，为正向偏置
7.2.1 扩散理论
1.扩散理论的适用范围：
适用于厚阻挡层； 势垒宽度比载流子的平均自由程大得多，即
势垒区是耗尽区； ——半导体是非简并的
2.扩散理论的基本思想
扩散方向与漂移方向相反
无外加电压： 扩散与漂移相互抵消——平衡； 反向电压： 漂移增强——反偏；
正向电压：
扩散增强——正偏
3.势垒宽度与外加电压的关系
势垒的高度和宽度都随外加电压变化：
4.势垒区的伏安特性
根据扩散理论，势垒区的电流是由半导体一侧电子的扩散和 漂移运动形成的：
该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体， 如氧化亚铜。
（2）波长为185 nm的紫外光光子的能量为
3 108 34 19 E hv h 6.62 10 1.6 10 6.7eV 9 185 10 c
发射出来的电子能量： E=E0-W=6.7-2.5=4.2 eV
习题
习题
7.2.2 热电子发射理论
1.热电子发射理论的适用范围：
——适用于薄阻挡层 ——势垒高度 >>k0T ——非简并半导体 ln >> d
2.热电子发射理论的基本思想：
薄阻挡层，势垒高度起主要作用。 能够越过势垒的电子才对电流有贡献 ——计算超越势垒的载流子数目，从而求出电流密度。
3.势垒区的伏安特性
1、什么是欧姆接触？
欧姆接触应满足以下三点：
1、伏安特性近似为线性，且是对称的； 2、接触引入的电阻很小（不产生明显的附加阻抗）；
半导体物理_第七章_金属和半导体接触
2、如何实现欧姆接触？
总结
总结
总结
总结
总结
需修正:①镜像力；②隧道效应
总结
习题
习题
习题
Ehvhc6.62103470301100891.61019 1.78eV Ehvhc6.621034 40301100891.61019 3.10eV
实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属，填充金 属中EF以下的空能级，而在价带顶附近产生空穴。
加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数 载流子的注入比，用 表示。对n型阻挡层而言：
7.3.2 欧姆接触
1、什么是欧姆接触？
欧姆接触应满足以下三点： 1、伏安特性近似为线性，且是对称的； 2、接触引入的电阻很小（不产生明显的附加阻抗）； 3、不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著改变。
空间电荷区 电子从体内到表面，势能增加，表面能带向上弯曲
2、WS >Wm 电子系统在热平衡状态时应有统一的费米能级
电子反阻挡层；低阻 ——欧姆接触
考虑价带的电子转移，留下更多的空穴，形成空间 电荷区。空穴从体内到表面，势能降低，能带向上 弯曲。
7.1.3 表面态对接触势垒的影响
金属和半导体接触前
7.2.2 热电子发射理论
1.热电子发射理论的适用范围：
——适用于薄阻挡层 ——势垒高度 >>k0T ——非简并半导体
lபைடு நூலகம் >> d
2.热电子发射理论的基本思想：
薄阻挡层，势垒高度起主要作用。 能够越过势垒的电子才对电流有贡献 ——计算超越势垒的载流子数目，从而求出电流密度。
半导体物理第七章金属和半导体的接触
半导体的导电性能介于金属和绝缘体 之间。其内部存在一个或多个能隙， 使得电子在特定条件下才能跃迁到导 带。常见的半导体材料有硅、锗等。
接触的物理意义
01
金属和半导体的接触在电子器件 中具有重要应用，如接触电阻、 欧姆接触等。
02
理解金属和半导体的接触性质有 助于优化电子器件的性能，如减 小接触电阻、提高器件稳定性等 。
03
肖特基结模型适用于描述金属 和p型半导体之间的接触。
06
金属和半导体的接触实验 研究
实验设备和方法
实验设备
高真空镀膜系统、电子显微镜、 霍尔效应测量仪等。
实验方法
制备金属薄膜，将其与半导体材 料进行接触，观察接触表面的形 貌、电子输运特性等。
实验结果分析
接触表面的形貌分析
通过电子显微镜观察接触表面的微观结构， 了解金属与半导体之间的相互作用。
详细描述
当金属与半导体相接触时，由于金属和半导体的功函数不同，会产生电子的转移。这种电子的转移会 导致在接触区域形成一个势垒，阻碍电子的流动，从而产生接触电阻。接触电阻的大小与金属和半导 体的性质、接触面的清洁度、温度等因素有关。
热导率
总结词
热导率是指材料传导热量的能力，金属 和半导体的热导率差异较大，这会影响 它们之间的热交换效率。
详细描述
欧姆接触的形成需要满足一定的条件，包括金属与半导体之间要有良好的化学相容性和冶金相容性，以及半导体 内部载流子浓度要足够高。欧姆接触在集成电路和电子器件中具有广泛应用。
隧道结
总结词
隧道结是指金属和半导体之间形成的 具有隧道传输特性的结，当外加电压 达到一定阈值时，电流可以通过隧道 效应穿过势垒。
2
这个接触势垒会影响金属和半导体之间的电流传 输和热传导，进而影响电子器件的性能。
《半导体物理》胡礼中第七章 半导体的接触现象
第七章 半导体的接触现象半导体的接触现象主要有半导体与金属之间的接触（肖特基结和欧姆接触）、半导体与半导体之间的接触（同质结和异质结）以及半导体与介质材料之间的接触。
这一章主要介绍前两种接触现象。
§7-1 外电场中的半导体无外加电场时，均匀掺杂半导体中的空间电荷处处等于零。
当施加外电场时，在半导体中引起载流子的重新分布，从而产生密度为)(r ρ的空间电荷和强度为)(r ∈的电场。
载流子的重新分布只发生在半导体的表面层附近，空间电荷将对外电场起屏蔽作用。
图7-1a 表示对n 型半导体施加外电场时的电路图。
在图中所示情况下，半导体表面层的电子密度增大而空穴密度减小（见图7-1b 、c ），从而产生负空间电荷。
这些空间电荷随着离开样品表面的距离的增加而减少。
空间电荷形成空间电场s ∈，在半导体表面s ∈达到最大值0s ∈（见图7-1d ）。
空间电场的存在将改变表面层电子的电势和势能（见图7-1e 、f ），从而改变样品表面层的能带状况（见图7-1g ）。
电子势能的变化量为)()(r eV r U -=，其中)(r V 是空间电场（也称表面层电场）的静电势。
此时样品的能带变化为)()(r U E r E c c += （7-1a ）)(r E v =)(r U E v + （7-1b ）本征费米能级变化为 )()(r U E r E i i += （7-2a ）杂质能级变化为 )()(r U E r E d d += （7-2b ）由于半导体处于热平衡状态，费米能级处处相等。
因此费米能级与能带之间的距离在表面层附近发生变化。
无外电场时这个距离为（f c E E -）和（v f E E -） （7-3）而外场存在时则为[]f c E r U E -+)( 和-f E [)(r U E v +] （7-4）比较（7-3）和（7-4）式则知，如果E c 和E f 之间的距离减少)(r U ，E f 与E v 之间的距离则增加)(r U 。
半导体物理学第七章
J = J m → s + J s →m
qφns qV = A T exp(− )[exp( ) − 1] k0T k0T
∗ 2
qV = J sT [exp( ) − 1] k0T
与扩散理论得到的J－V形式上是一样的，所不同的是JsT与外加电压无 关，却是一个更强烈依赖于温度的函数。
3、镜像力和隧道效应的影响
接触电阻定义为零偏压下的微分电阻，即
∂I Rs = ∂V V =0
−1
下面估算一下以隧道电流为主时的接触电阻。讨论金属和n型半导体接触的 势垒贯穿问题。将导带底选为电势能的零点。
qN D V ( x) = − ( x − d0 )2 2ε r ε 0
电子的势垒为：
q2 ND −qV ( x) = ( x − d0 )2 2ε r ε 0
2
半导体内电场为零，因而
E ( xd ) = − dV dx
x = xd
=0
金属费米能级除以－q作为电势零点，则有 势垒区中
V (0) = −φns
dV ( x) qN D E ( xd ) = − = ( x − xd ) dx ε rε 0 1 2 V ( x) = ( xxd − x ) − φns ε rε 0 2 qN D
2、接触电势差
设想有一块金属和n型半导体， 它们有共同的真空静止能级。 假定
Wm > Ws
接触前，未平衡的能级
平衡状态的能级
q(Vs' − Vm ) = Wm − Ws Ws − Wm Vms = Vm − V = q
' s
接触电势差
紧密接触
忽略间隙 当 Vms 很小时，接触电势差绝大部分 落在空间电荷区。 金属一边的势垒高度是
半导体物理学第七章知识点
第7章 金属－半导体接触本章讨论与pn 结特性有很多相似之处得金－半肖特基势垒接触。
金－半肖特基势垒接触得整流效应就是半导体物理效应得早期发现之一:§7、1金属半导体接触及其能级图一、金属与半导体得功函数1、金属得功函数在绝对零度,金属中得电子填满了费米能级E F 以下得所有能级,而高于E F 得能级则全部就是空着得。
在一定温度下,只有E F 附近得少数电子受到热激发,由低于E F 得能级跃迁到高于E F 得能级上去,但仍不能脱离金属而逸出体外。
要使电子从金属中逸出,必须由外界给它以足够得能量。
所以,金属中得电子就是在一个势阱中运动,如图71所示。
若用E 0表示真空静止电子得能量,金属得功函数定义为E 0与E F 能量之差,用W m 表示:它表示从金属向真空发射一个电子所需要得最小能量。
W M 越大,电子越不容易离开金属。
金属得功函数一般为几个电子伏特,其中,铯得最低,为1、93eV;铂得最高,为5、36 eV 。
图72给出了表面清洁得金属得功函数。
图中可见,功函数随着原子序数得递增而周期性变化。
2、半导体得功函数与金属类似,也把E 0与费米能级之差称为半导体得功函数,用W S 表示,即因为E FS 随杂质浓度变化,所以W S 就是杂质浓度得函数。
与金属不同,半导体中费米能级一般并不就是电子得最高能量状态。
如图73所示,非简并半导体中电子得最高能级就是导带底E C 。
E C 与E 0之间得能量间隔被称为电子亲合能。
它表示要使半导体导带底得电子逸出体外所需要得最小能量。
利用电子亲合能,半导体得功函数又可表示为式中,E n =E C －E FS 就是费米能级与导带底得能量差。
表71 几种半导体得电子亲与能及其不同掺杂浓度下得功函数计算值 材料 (eV) W S (eV)图71 金属中得电子势阱图7－2 一些元素得功函数及其原子序数 图73 半导体功函数与电子亲合能二、有功函数差得金属与半导体得接触把一块金属与一块半导体放在同一个真空环境之中,二者就具有共同得真空静止电子能级,二者得功函数差就就是它们得费米能级之差,即W M－W S ＝E FS－E FM。
半导体物理第七章
E0
E Fs
Ec
Ev
假设金属和 n型半导体相接触且 Wm Ws
接触中 ：
Wm
EFm
接触后：
E0
Ws
Ec EFs
qm
EF
qVD
Ec EF
Ev xD Ev
≌- qVs 接触势垒 Wm-Ws=-q（Vms+Vs）
导带底电子向金属运动时必须越过的 势垒的高度： qVD=Wm-Ws
金属一边的电子运动到半导体一边也需要 越过的势垒高度：
（b） Wm<Ws
E0 Ec EFs
电子反阻挡层:
Wm
EFm
Ws
Ec EF
Ev
qVD Ws Wm
Ev
（2）金属-p型半导体接触 （1）Ws>Wm 空穴阻挡层:
E0 Wm
EFm
Ec Ws
EFs
Ev
接触后：
Ec
EF Ev
qVD=Ws-Wm xD
半导体一边的势垒 qVD Ws Wm
–具有受主表面态的n型半导体与金属接触
• 平衡时费米能级达到同一水平，半导体的费米能级EFs相对 于金属的费米能下降了(Wm—Ws)。在间隙D中，从金属到 半导体电势下降 -(Wm—Ws)／q。空间电荷区的正电荷等于 表面受主态上留下的负电荷与金属表面负电荷之和。紧密 接触时电子可自由地穿过，极限情形下的能带如图(c)
电子依旧与金属保持平衡状态 而与近似等于平衡状态电子浓 度
已接近半导体体内电子浓度
于是
J
xd 0
q[ns (Vs )0 ] qV ( x) qV exp[ ]dx qDn n0 exp{ }[exp[ ] 1] k0T k0T k0T
半导体物理第七章课件
半导体器件物理
© Dr. B. Li
CTD分类
戽链器件－BBD（1969）
CTD 电荷耦合器件CCD 表面CCD－SCCD
（1970） 体内CCD－BCCD
（埋沟）
半导体器件物理
© Dr. B. Li
7.1 CCD工作原理
• 电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称 CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一 种新型半导体器件。
Wm
( 后，再增加的VG主要降在SiO2层上，而s基 本不变，Wm基本不变。
❖反型层电子来源主要由耗尽层复合中心产生电子－空
穴对提供。强反型所需驰豫时间为：
半导体器件物理
© Dr. B. Li
2 ni
NA
❖用脉冲突然给栅极加上+VG(且VG >VT)，耗尽层来 不及反型—非平衡状态。
© Dr. B. Li
7.2 CCD物理性能
一、信息处理能力（最大电荷容量） 1. 理想的最大信号容量（势阱消失的值）
QpACoVp AVp d11
1:SiO2介电常数 d1： SiO2厚度
当d1一定，提高Vp（VG）可提高Qp。但是提高Vp受两个限制： A）半导体雪崩击穿限制 B）SiO2层击穿电场的限制
❖ 电子势阱的物理模型：
表面处电势s 很高，电子静电势能（-qs)很低，形成电 子势阱。
对一定器件，耗尽层越宽，则电子势能值也越大，即势阱 越深。
随时间，产生的电子－空穴对，在电场作用下，电子被 扫向表面处形成反型层，空穴扫向内部填充（中和）固 定 电 荷 区 ， 使 WWm ， 即 势 阱 变 浅 。 s 2F(bulk),SiO2层分压。
31_半导体物理学(第四版)第七章(教材)
–若
，金属和n型半导体接触可形成反阻挡层；
–
时，金属和p型半导体接触也能形成反阻挡层，
反阻挡层没有整流作用，可实现欧姆接触
– 实际生产中利用隧道效应的原理，把半导体一侧重掺杂 形成金属—n+n或金属—p+p结构，从而得到理想的欧姆 接触
27
28
29
30
31
pn结一般为0.7V
7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
23
24
欧姆接触应满足一下三点: 1.伏安特性近似为线性,且是对称的 2.接触引入的电阻很小 3. 在接触区附近,载流子浓度等于热 平衡的值,即,没有少子注入
25
欧姆接触
• 欧姆接触
– 不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡 载流子浓度发生显著的改变，为非整流接触
10
表面态密度极高,半导体和 金属接触时,只转移表面态 中的电子就可以使整个系 统达到平衡. 即接触前后,半导体一侧的 空间电荷不发生变化,表面 势垒不变,称为钉扎效应或 锁定效应
11
12
7.2 M—S接触的整流理论
13
14
15
16
17
极管的比较
第七章金属和半导体的接触
7.1 M—S接触的势垒模型 7.2 M—S接触的整流理论 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
本章重点: 势垒模型, 整流理论的概念 欧姆接触的性质及特点
1
为什么研究金属与半导体接触？ 什么是M-S接触？
2
7.1 M—S接触的势垒模型
3
E0：真空能级
4
5
6
7
8
9
• 相同点
– 单向导电性
• 不同点
– 正向导通时，pn结正向电流由少数载流子的扩散运动 形成，而肖特基势垒二极管的正向电流由半导体的多数 载流子发生漂移运动直接进入金属形成，因此后者比前 者具有更好的高频特性
半导体物理学Chapter 7解析
exp[
qV (x)] k0T
qDn
d [n(x) exp( dx
qV (x))] k0T
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，得
V (xd )
qN D
r0
x2 d
ns
n( xd
)
n0
Nc
exp(
qn
k0T
)
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x＝0处，
Wm Ws
接触前，未平衡的能级
平衡状态的能级
q(Vs' Vm ) Wm Ws
Vms
Vm
Vs'
Ws
Wm q
接触电势差
紧密接触
忽略间隙
Ws
Wm q
Vms
Vs
qVD qVs Wm Ws
当 Vms 很小时，接触电势差绝大部分
落在空间电荷区。 金属一边的势垒高度是
qns qVD En Wm
半导体内电场为零，因而
E(xd ) dV dx xxd 0
金属费米能级除以－q作为电势零点，则有 V (0) ns
势垒区中
E(xd )
dV (x) dx
qN D
r0
(x
xd )
V (x)
qN D
r0
( xxd
1 2
x2)
ns
外加电压V于金属，则 V (xd ) (n V ),而ns n VD
施主型表面态
受主型表面态
表面态密度钉扎
7.2 金属半导体接触整流理论
外加电压对n型阻挡层的影响 （a）V＝0 （b）V>0 (C)V<0 有外加电压时，若外加电压为正，势垒区高度下降
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第七章1、功函数：表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。
W m=E0-(E F)m W s=E0-(E F)S2、电子亲和能：使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。
Ꮠ=E0-E c3、接触电势差：一块金属和一块n型半导体，假定wm>ws接触时，半导体中的电子向金属流动，金属电势降低，半导体电势升高，最后达到平衡状态，金属和半导体的费米能级在同一个水平面上，他们之间的电势差完全补偿了原来费米能级的不同。
Vms=(Vs-Vm)/q这个由于接触而产生的电势差称为接触电势差。
4、阻挡层与反阻挡层n pWm>Ws 阻上弯反阻上弯Wm<Ws 反下弯阻下弯阻挡层：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，因此他是一个高阻的区域。
反阻挡层：Wm<Ws，金属与n型半导体接触时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区。
电子浓度比体内大的多，因而是一个高电导的区域。
5、表面势：随着金半之间距离的减少，靠近半导体一侧的半导体表面的正电荷密度增加，由于搬到一中自有电荷密度的限制，这些正电荷分布在半导体表面相当厚的一层表面内，即空间电荷区，这时在空间电荷区内变存在一定的电场，造成能带的弯曲，使半导体表面和内部之间存在电势差。
6、整流作用：金属和半导体接触形成阻挡层，当在金属一侧加外反向电压，金属一边的势垒不随外加电压变化，从金属到半导体的电子流是恒定的，当反向电压继续增加，使半导体到金属的电子流可以忽略不计时。
反向电流达到饱和。
7、扩散理论：应用于厚阻挡层8、发射理论：薄阻挡层9、肖特基势垒：势垒厚度依赖于外加电压的势垒10、欧姆接触：金属和半导体形成非整流接触，不产生明显的附加阻抗，半导体内部的平衡载流子浓度不发生明显变化。
实现：1、Wm<Ws时，金与n形成发阻挡层。
Wm>Ws时，与p形成反阻挡层。
反阻挡层没有整流作用，选用适当的金属材料可得到欧姆接触。
2、实际生产中，主要利用隧道效应原理。
11、隧道二极管：具有正向负阻特性。
正向电流开始随正向电压增加而迅速上升到极大值Ip，随后电流随电压增加而减少，当电压继续增加时电流随之能加。
随着电压增大电流反而减少的现象称为负阻。
这一电流电压特性曲线的斜线为负，这一特性为负阻特性。
第八章1、表面态：⑴、在x=0处两边，波函数都是按指数关系衰减，这表明电子的分布概率主要集中在x=0处，即电子被局限在表面附近。
⑵、因晶格表面处突然中止，在表面的最外层的每个硅原子将有一个未配对电子，即有一个未饱和的键，与之对应的电子能态。
2、界面态：由于半导体与介质接触而形成接触电势差，在半导体一侧经会形成表面势，将这种由于接触引起的便面能级的变化称为~。
晶体界面的存在使其周期场在界面处发生变化。
3、压阻效应：对半导体施加应力时，半导体的电阻率要发生改变，这种现象称为~。
4、多子堆积：Vg<0,Vs<0,表面处能带向上弯曲。
热平衡时半导体费米能级应保持定值，随着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过费米能级，同时价带中空穴浓度随之增加，这样表面层内出现空穴的堆积而带正电荷。
多子耗尽：Vg>0,Vs>0,表面处能带向下弯曲。
这时越接近表面，费米能级离价带顶越远，价带中空穴浓度随之降低，在靠近表面附近，价带顶位置比费米能级低得多，根据珀尔兹曼分布，表面处空穴浓度比体内低得多，表面层的负电荷基本上等于电离施主杂志浓度，表面层的这种状态~少子反型：Vg进一步增大时，表面处能带进一步下弯，这时，表面出的费米能级位置可能高于禁带中央能量Ei，意味着表面处电子浓度将高过空穴浓度，形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层叫做反省层。
6、平带电压：为了恢复平带状态，必须在金半之间加一定的负电压，抵消由于两者功函数不同引起的电场和能带弯曲，这个为了回复平带状态所需加的电压叫做平带电压。
Vfb=-Vms=(Wm-Ws)/q第九章1、异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。
反型异质结：导电类型相反突变异质结：从一种半导体材料向另一种的过度只发生于几个原子距离范围内。
同型异质结：缓变异质结：发生于几个扩散长度范围内2、画能带图原则：1、先左后右（左窄右宽）2、以真空能级为标准，Ef不动3、上弯下翘由内建电场决定，电子浓度下降则上弯4、△Ec△Ev之差值不变。
3、应变异质结：在一种材料衬底上外延另一种晶格常数不匹配的材料时，生长的外延层发生了弹性形变，在平行于结面方向产生张应变或压缩应变，使其晶格常数改变为与衬底的晶格常数相匹配，同时在与结平面垂直的方向也产生相应的应变。
4、半导体超晶格：由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程的人造材料。
5、激子：半导体中电子和空穴因库伦力相互作用可形成束缚的电子空穴对。
6、量子阱：沿两种半导体材料薄层交替生长方向的势分布，是由于两种材料的禁带宽度不同而引起的附加周期势，在这种附加周期势分布中的势阱。
第十章1、本证吸收：电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程。
2、直接跃迁：为满足选择定则，是电子在跃迁过程中波失保持不变，则原来在价带中状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B，A与B在E(k)曲线上位于同一垂线上。
3、间接跃迁：除了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁。
5、激子吸收：如果光子能量小于Eg，价带电子受激发后虽然跃出了价带，但还不足以进入导带成为自由电子，仍然受到空穴的库伦场作用，受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，这样的光吸收称为~。
6、自由载流子吸收：对于一般半导体，当入射光子的频率不够高，不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收。
这是自由载流子在同一带内的跃迁所引起的。
7、杂志吸收：束缚在杂志能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收，电子（空穴）可以吸收光子跃迁到导带能级（价带）。
8、晶格振动吸收：晶体吸收光谱的远红外区，有时还发现一定的吸收带，这是晶格振动吸收形成的。
在这种吸收中，光子能量直接转换为晶格振动动能。
9、光电导：光吸收使半导体中形成非平衡载流子，而载流子浓度的增大必须使样品电导率增大，这种由光照引起半导体电导率增加的现象。
10、在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象。
11、光生伏特效应：当用适当波长的光照射非均匀半导体pn结时，由于内建电场的作用，半导体内部产生电动势（光生电压），如将pn结短路，则会出现电流(光生电流)，这种由内建场引起的光电效应称为~。
12、激光发射的三个条件：1、形成分布反转，使受激辐射占优势。
2、具有共振腔，以实现光量子放大。
3、至少达到阈值电流密度，市增益至少等于损耗。
13、与激光发射有关的跃迁过程：吸收、自发辐射、受激辐射。
14、丹倍效应;光生非平衡载流子的扩散，直接引起沿光照方向的电场，因而沿光照方向产生电势差。
第十一章1塞贝克效应：当两个不同的导体a和b两端相接，组成一个闭合线路，如两个接头A和B 具有不同的温度，则线路中便会有电流。
2王白耳帖效应：两不同导体a和b连接后通以电流，在接头处便有吸热或放热现象。
3汤姆逊效应：当存在温度梯度的均匀导体中通有电流时，导体中除了产生和电阻有关的焦耳热以外，还要吸收或放出热量，吸收或放出热量的这个效应称为~。
4热电效应的应用：温差发电器，制冷器。
第十二章1霍耳效应：把通有电流的半导体放在均匀磁场中，设电场沿x方向，电场强度为，磁场方向和电场方向垂直，沿z方向，磁感应强度为Bz，则在垂直于电场和磁场的+y和-y方向将产生一个横向电场，这个现象叫~。
2磁阻效应分为：物理磁阻效应：材料电阻率随磁场增大。
几何磁阻效应：不同几何形状的样品在同样大小的磁场作用下，其电阻不同。
3磁光效应有朗道能级和带间磁光吸收4朗道效应：在磁场中电子运动的量子化而形成的子能带。
5热磁效应：电场和温度梯度同时存在时，再加磁场后引起的一些现象。
6爱延豪森效应：x方向通电流，和样品表面垂直的磁场，在样品y方向两端产生温度差。
△T/b=pJ x B x ,J x=1/bd ,△T=PIB z/d7能斯脱效应：当有热流通过样品，加以与样品表面垂直的磁场后，发现在与热能流及磁场垂直的方向产生电动势。
8里纪-勒杜克效应：当有热流通过样品，与样品表面垂直的磁场可以使样品的两旁产生温度差，磁场方向变则温度梯度方向也变。
第十章思考题与自测题：1什么是光电导？说明复合效应和陷阱效应对光电导的影响？光电导：光吸收使半导体中形成非平衡载流子，而载流子浓度的增大必须使样品电导率增大，这种由光照引起半导体电导率增加的现象。
复合效应和陷阱效应对光电导的影响：复合中心本身起着少数载流子陷阱作用，有增加定态光电导灵敏度的作用，多数载流子陷阱增大了光电导上升和下降的弛豫过程。
2区别直接跃迁和间接跃迁（竖直跃迁和非竖直跃迁）直接跃迁：为满足选择定则，是电子在跃迁过程中波失保持不变，则原来在价带中状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B，A与B在E(k)曲线上位于同一垂线上。
间接跃迁：除了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁。
3什么是声子？它对半导体吸收特性起什么作用？声子：当晶格与其它物质相互作用而交换能量时，晶格原子的振动状态发生变化，格波量发生改变，但格波能量的变化只能是hw的整数倍，因此人们就把格波的能量子hwa称为。
声子对半导体吸收特性作用：考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是有可能发生的，这是由于发射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。
4、使半导体材料硅、锗和砷化镓在光照下能够产生电子–空穴对的光最大波长为多少？λ0=1.24/Eg(ev)(um),Si=λ0=1.24/1.12=1.1;Ge=λ0=1.24/0.67=1.85;GaAs=λ0=1.24/1.43 =0.8675半导体对光的吸收有哪几种主要过程？哪些过程具有确定的长波吸收限？写出对应的波长表示式。
哪些具有线状吸收光谱？哪些光吸收对光电导有贡献？光吸收种类：本证吸收、激子吸收、自由载流子吸收、杂志吸收、晶格振动吸收。
具有确定长波吸收限：本证吸收λ≧hc/Eg, λ0=1.24/Eg(ev)，激子吸收λ=hc/Eg-｜q4m r*/32π2ε02εr2h2n2｜，自有载流子吸收λ>c/r0，杂志吸收λ≦hc/Eg-Ei。
线性吸收光谱：激子吸收。
对光电导有贡献：本证吸收，杂志吸收。
6本征吸收中电子吸收光子时，可能出现哪几种跃迁方式？它们有何不同？各在什么样的半导体中容易发生？试举一、二例说明。
本证吸收中电子吸收光子时，可能出现的跃迁方式：直接跃迁和间接跃迁。
直接吸收发生在直接带隙半导体中，间接跃迁发生在间接带隙半导体中，不同点是直接跃迁时波失保持不变，发生间接跃迁时波失发生改变。