半导体器件基本结构

p-半导体
耗尽 反型
积累
MIS电容曲线
半导体器件基本结构
1、金属－半导体接触 2、pn结二极管 3、金属－绝缘体－半导体结构
金属－半导体接触——目的
1、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-半导体接触能带图 3、知道制作欧姆接触的方法。
功函数
E0
Wm
金属的功函数Wm
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(EF)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。
（1）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； （3）小注入(即注入的非平衡少子浓度远小于多
子浓度)； （4）耗尽区内无复合和产生； （5）半导体非简并。 （6）P型区、N型区的宽度远大于少子扩散长度
pn结二极管
麦克斯韦方程
G
∇⋅D= ρ
Wm = E0 − (EF )m
E0为真空中电子的能量，又称为真空能级。
半导体的功函数Ws E0与费米能级之差称为半导体的功函数。
Ws = E0 − (EF )s
E0
χ表示从Ec到E0的能量间隔：
χ = E0 − Ec
χ Ws Ec
En Ep
(EF)s Ev
称χ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。
PN结具有单向导电性
反向特性
正向特性
门槛电压 死区
实际pn结二极管电流－电压
I 小电流
串联电阻
0.7V V
大注入
肖特基势垒二极管(SBD)和pn结二极管：
1）正向导通门限电压和正向压降都比PN结二极管低 （约低0.2V）。
2）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。
MI S
MI S
+
-
-
+
+ + + + + + + + 金+ + 属+ + + + + + + + + + 绝缘体
------------------------------
p-半导体
-- -- -- -- -- -- 金-- --属-- -- -- -- -- -- -绝缘体
++++++++++++++++++++
明确肖特基二极管与pn结二极管的区别
PN结的形成（热平衡，理想情况） 载流子的扩散运动
★PN结：
P区
- ---- ---- ----
+ ++++ + ++++
+ + + + + N区
建立内电场
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
ＰＮ结
内电场对载流 子的作用
PN结分析导电特性的几个假设
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——目的
从能带的角度定性的理解pn结二极管的 工作原理。
画出pn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pn结二极管的电流-电压 曲线。
上述金半接触模型即为Schottky 模型：
n型
p型
Wm>Ws 阻挡层 反阻挡层
Wm<Ws 反阻挡层 阻挡层
电子亲和势 Si: 4.05eV GaAs:4.07eV
Metal
Work Function （eV）
银 Ag (silver) 铝 Al (aluminum) 金 Au (gold) 铜 Cu (copper) 铅 Pb (lead) 锡 Sn (tin) 铬 Cr (Chromium) 钼 Mo 钨 Tungsten 镍 Nickel 钛 Titanium 铁 Iron 铂 Platinum 锌 Zinc
K
K
D = εoεrE
K E
=
−
N
A
xp
ε
= − ND xn
ε
K E
=
−
dU
dx
p型
n型
--------- ++++++++ --------- ++++++++
P型
Ecp
EFp Ecp
Evp
Evp eVD
N型
Ecn EFn
Evn
Ecn EF
Evn
热平衡的PN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PN结处于反向截至。
E0
χ Ws Ec
n型半导体：
En Ep
(EF)s Ev
Ws
=
χ
+
⎡⎣ Ec
− ( EF
) s
⎤⎦
=
χ
+
En
p型半导体：
Ws = Eo − (EF )s = χ + Eg − Ep
2、接触电势差
设想有一块金属和一块非简并n型半导体，并假定
金属的功函数大于半导体的功函数，即：Wm > Ws
接触前： Wm
E0
χ
Ws En
Ec (EF)s
(EF)m
Ev
( EF
) s
>
( EF
) m
( EF
) s
− ( EF
) m
= Wm
− Ws
接触前：
Wm
E0
χ
Ws En
Ec (EF)s
金属
n型半导体
(EF)m
接触后：
－+
－+
－+
Wm
E
eΦns = eVD + En = − eVS + En
= Wm − WS + En = Wm − χ
4.26 4.28 5.1 4.65 4.25 4.42 4.6 4.37 4.5 4.6 4.33 4.5 5.65 4.3
3、金属半导体接触整流理论
阻挡层的整流作用
-e(Vs+V)
eVD
以n型半导体为例：
接触电势差VS<0
eΦns
Ec
势垒高度eVD=-eVs
(EF)s
外加一个正电压V>0
则势垒高度降低为eVD'=-e(Vs+V) 外加一个负电压V<0 ，势垒高度增加
eΦns
χ eVD
Ev
Ec En (EF)s
eVD = Wm − Ws
Ev
金属与n型半导体接触
χ
Wm eΦns
eVD
Ec
En
(EF)s
Wm>Ws→形成表面势垒
Ev
接触电势差Φns=Wm-χ
¾势垒区电子浓度比体内小得多→高阻区(阻挡
层)。
¾界面处的势垒通常称为肖特基势垒。
若Wm<Ws
金属与n型半导体接触时
4、欧姆接触
定义：不产生明显的附加阻抗，不会使半导 体内部载流子浓度发生显著改变。
技术路线设计： 反阻挡层？ 隧道效应？ ★ 半导体在重掺杂时，和金属的接触可以
形成接近理想的欧姆接触。 ★在半导体上制作一层重搀杂区后再与金属
接触。
习题
1、画出当Wm>Ws，和Wm<Ws时p型Si与金属接 触的能带图。
绝金缘属体
半导体
理想MIS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；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； 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。
eVD
X-Wm
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。
Ec En (EF)s
Ev
金属与p型半导体接触时，若Wm<Ws，形 成空穴的表面势垒。在势垒区，空间电 荷主要由电离受主形成，空穴浓度比体 内小得多，也是一个高阻区域，形成P型 阻挡层。 金属与p型半导体接触时，若Wm>Ws，能带向 上弯曲，形成P型反阻挡层。
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SBD比PN结二 极管更容易受热击穿，反向漏电流比PN结二极管大。
金属－绝缘体－半导体结构 Metal-insulator-semiconductor
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。