半导体物理_第七章

1. 肖特基势垒 我们以金属和N型半导体材料接触为例来讨
论肖特基结，首先看零偏置状态下的结特性。 功函数：金属或者半导体内的电子克服原子
核的束缚，逸出体外（真空）所需要的功（平 均值，定义为E0－E F）。
亲和能：χ=E0-Ec eфm是金属材料的功函数，eфS是半导体材 料的功函数，χ是半导体材料中电子的亲和势
外加电场的存在将会使得能带图中N型区的费 米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的 电子势能变化量。
此时，PN结上总的势垒高度增大为：
当PN结两侧外加反向偏压VR时，PN结内部 空间电荷区中的电场将增强，因此PN结界面两 侧的空间电荷区宽度将会进一步展宽。
利用前面已经推导出的空间电荷区宽度公式， 只需将公式中的PN结内建势垒代换为反偏PN结上 总的势垒高度，即：
从N型半导体一侧来看，导带中的电子要 进入到金属材料中，必须越过的势垒高度为Vbi， 这个势垒高度也就是肖特基结的内建势垒：
这使得VBi变成了一个与半导体材料掺杂浓度 相关的函数，因为：
2. 反偏状态下的肖特基结 对于上述金属和N型半导体材料相接触所形
成的肖特基结，当我们在半导体材料一侧外加 一个相对于金属材料为正的电压，此时的肖特 基结即处于反偏状态。
众所周知，最早的半导体整流器就是采用金 属－半导体接触形成的，例如早期的矿石检波器， 就是采用一根金属触针与一块半导体硒矿石晶体 相接触而制作的。
目前，各种金属－半导体接触大多采用在半 导体晶体材料的表面淀积一层金属薄膜的方式 来制备（溅射工艺）。例如可以在硅晶体材料 的表面淀积一层金属铝膜，从而形成金属－半 导体之间的整流接触。这种类型的半导体整流 结通常称为肖特基势垒结，有时也简称为肖特 基结。
上述PN结电容，通常也称为耗尽层电容。如果 将其与表示耗尽区宽度的公式做对比：
此式与单位面积的平行板电容公式完全相同。 只是这里需要注意的是，电容是随着反向偏置 电压的改变而不断变化的。
3. 单边突变PN结 假定PN结两侧的掺杂
浓度相差很大（称之为 单边突变PN结），例如 P型区的掺杂浓度远远 大于N型区的掺杂浓度 （称之为P＋N结），即 Na>>Nd，则有：
各种不同金属材料的功函数,电子亲和势则如 下表所示。
在下图所示的实例中，我们假设了фm>фS，因 此当形成金属－半导接触之后，电子将从N型半导 体材料一侧流向金属材料一侧，最终使得整个系 统具有统一的费米能级。
下图所示是未形成金属－半导体接触之前，金 属材料和半导体晶体材料各自的能带示意图，其 中E0为真空能级，也就是能带图的参考能级。
§7.1 PN结的基本结构 1. PN结的构造
从原理上说，PN结就是由一个N型掺杂区 和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触 界面称为冶金结界面。
2. 制造PN结的方法： （1）外延方法：突变PN结； （2）扩散方法：缓变PN结； （3）离子注入方法：介于突变结与缓变结之间；
3.PN结空间电荷区的形成： 由于PN结两侧存在电子和空穴的浓度梯度，
由此可见，PN结中总的空间电荷区宽度随着外 加反向偏置电压VR的增大而不断增大。
同样，空间电荷区在PN结两侧的扩展宽度也可 以分别求得，其中在N型区一侧的扩展宽度为：
2.PN结的电容效应（耗尽电容）
当PN结反向偏压 改变时，PN结中耗 尽区的宽度也发生 变化，因此PN结两 侧耗尽区中的电荷 也会随之而发生改 变，这种充放电作 用就是PN结的电容 效应
第七章 PN结与金属－半导体接触 本章学习要点： 1. 了解PN结的构成及空间电荷区的概念； 2. 掌握零偏状态下PN结的特性，例如内建势垒高度、
内建电场以及空间电荷区宽度等； 3. 掌握反偏状态下PN结的空间电荷区宽度、内建电场
以及PN结电容特性； 4. 掌握金属－半导体接触的整流特性； 5. 了解正偏条件下PN结与肖特基接触的电流－电压特性 6. 理解金属－半导体欧姆接触的形成机理；
电子由N型半导体材料一侧流向金属材料一 侧之后，将在N型半导体材料中留下带正电的固 定施主离子电荷，并在N型半导体材料表面形成 一个空间电荷区（耗尽区），同时形成一个由 半导体材料指向金属材料的内建电场。
金属材料和半导体接触，达到平衡之后整 个系统具有统一的费米能级。
达到平衡状态时的能带图：
从上图可见，金属材料中的电子要进入N 型半导体材料，必须越过的势垒高度为фB0， 这个势垒高度就是所谓的肖特基势垒：
因此电子和空穴将分别由N型区和P型区向对方 扩散，同时在N型区中留下固定的带正电荷的施 主离子，在P型区中则留下固定的带负电荷的受 主离子。
这个固定的正负电荷区即为空间电荷区，空 间电荷区中将形成内建电场，内建电场引起载 流子的漂移运动，载流子的漂移运动与载流子 的扩散运动方向相反，最后二者达到平衡。
由于空间电荷区中的可动载流子相对于体 区的多子来说基本处于耗尽状态，因此空间电 荷区也称作耗尽区。
空间电荷区及内建电场的形成过程示意图
平衡状态的PN结能带图具有统一的费米能级
§7.2 零偏状态下的PN结 1. 内建势垒：
在达到平衡状态的PN结空间电荷区中存在 一个内建电场，从能带图的角度来看在N型区和 P型区之间建立了一个内建势垒，该内建势垒的 高度为：
Vt 称为热电压
w
§7.3 反偏状态下的PN结 当在PN结的两边外加一个电压时，此时整个
PN结就不再处于热平衡状态，因此整个PN结系 统中也就不再具有统一的费米能级。
在PN结的N型区上相对于P型区外加一个正电 压VR时（这种情形称为反向偏置）
零偏
w
1. 势垒高度、空间电荷区宽度与PN结中的电场
可见，PN结电容倒数的平方与反向偏置电压 VR成线性关系。
利用此线性关 系可外推出PN结的 内建电势。也可以 通过直线的斜率求 出PN结低掺杂一侧 的掺杂浓度。
Hale Waihona Puke Baidu
第九章 金属半导体和半导体异质结
§9.1金属－半导体接触的整流特性 所谓整流特性，理想情况下指的就是单向导
电特性，广义上说，凡是正反向非对称的I－V特 性，都可以在一定意义上称之为整流特性。