會計學1半導體界面問題§1金屬-半導體接觸和肖特基勢壘

(1)

金屬和半導體的功函數

(2)

金屬-半導體接觸電勢差

(3)表面態對接觸勢壘的影響

(4)I-V特性的定性圖象

第1頁/共84頁★金屬和半導體的功函數功函數:W=EVAC-EF,

(

EVAC--真空中靜止電子的能量,亦記作E0)功函數給出了固體中EF處的電子逃逸到真空所需的最小能量.

圖7-1第2頁/共84頁金屬功函數Z第3頁/共84頁關于功函數的幾點說明:①對金屬而言,功函數Wm可看作是固定的.功函數Wm標志了電子在金屬中被束縛的程度.

對半導體而言,功函數與摻雜有關②功函數與表面有關.③功函數是一個統計物理量第4頁/共84頁對半導體,電子親和能χ是固定的,功函數與摻雜有關

圖7-3第5頁/共84頁表7-1半導體功函數與雜質濃度的關系?

n型半導體:WS=χ+(EC-EF)

?p型半導體:WS=χ+[Eg-(EF-EV)]第6頁/共84頁★金屬和半導體接觸電勢差一種典型情況:

討論M/n型半導體,Wm>Ws(阻擋層）①接觸電勢差--為了補償兩者功函數之差,金屬與半導體之間產生電勢差:Vms=(Ws–Wm)/e

?當Wm>Ws,

Vms<0(金屬一邊低電勢)

（反阻擋層）?通常,可認為接觸電勢差全部降落于空間電荷區.第7頁/共84頁第8頁/共84頁②半導體一邊的勢壘高度:

VD

=∣Vms∣③表面勢—半導體表面相對于體內的電勢

Vs=Vms④金屬一邊的勢壘高度(肖特基勢壘--SB):

eΦSB

=eΦns=

Wm–χ

?常常選擇ΦSB為描述金屬/半導體接觸勢壘的基本物理量(ΦSB幾乎與外加電壓無關)第9頁/共84頁能帶電荷分布電場分布第10頁/共84頁★金屬/半導體接觸的幾種情況對M/n型半導體:

?

Wm>Ws能帶上彎--電子勢壘

空間電荷—電離施主

?

Wm<Ws能帶下彎--電子勢阱空間電荷—電子積累勢壘—阻擋層,勢阱—反阻擋層第11頁/共84頁Wm>Ws電子勢壘Wm<Ws電子勢阱第12頁/共84頁對M/p型半導體:

?Wm>Ws能帶上彎--空穴勢阱空間電荷—空穴積累

?

Wm<Ws能帶下彎--空穴勢壘空間電荷—電離受主第13頁/共84頁Wm<Ws空穴勢壘Wm>Ws空穴勢阱第14頁/共84頁★表面態對接觸勢壘的影響理論上,金屬一邊的勢壘高度

eΦSB

=eΦns=

Wm–χ實際上,ΦSB常常與金屬的種類關系不太大,而主要取決于表面態(界面態)的影響:

半導體表面處,禁帶中存在表面態.半導體與其表面態通過交換電子,達到相互平衡

(由于表面態的存在,)半導體表面產生空間電荷區,能帶彎曲.

第15頁/共84頁以M/n型半導體為例,且Wm>Ws.①

單獨考慮表面態:表面態在能隙中形成一個能帶.?設表面態的電中性能級距價帶頂為eΦ0由表面態的帶電狀態,表面態可分為:?施主型表面態—被電子占據時,呈電中性,失去電子后,呈正電性.?受主型表面態—空態時,呈電中性,得到電子后,呈負電性.第16頁/共84頁對大多數半導體,表面態電中性能級距價帶頂大約有eΦ0=?Eg?對p型半導體,本征表面態常為施主型?對n型半導體,本征表面態常為受主型第17頁/共84頁圖7-7第18頁/共84頁②半導體與其表面態通過交換電子,達到相互平衡,具有統一的EF.當表面態的密度很大,EF被表面態釘扎(釘扎于表面態電中性能級).

?對n型半導體:eVD=Eg–eΦ0–(Ec–EF)n

?對p型半導體:eVD=eΦ0–(EF

–EV)p第19頁/共84頁圖7-8第20頁/共84頁③考慮金屬/半導體:

當帶有表面態的半導體與金屬接觸,要考慮這三者之間的電子交換.

平衡時,金屬,表面態和半導體具有統一的EF.第21頁/共84頁對金屬/半導體接觸勢壘的小結:

仍以M/n-S,勢壘接觸(Wm>Ws)為例:

eΦSB

=eVD+(Ec–EF)n

?當不考慮表面態:eΦSB

=

Wm–χ

?當表面態的密度很高:

eΦSB

=Eg–

eΦ0--肖特基勢壘高度與金屬的Wm無關.

第22頁/共84頁?一般情況下,可介于二者之間,則有:eΦSB

=(1-S)(Eg–

eΦ0)+S(

Wm–χ)?S稱為界面行為因子(與半導體材料有關,與制造工藝有關)

?

當表面態密度很小,S1

?

當表面態密度很大,S0第23頁/共84頁★I-V特性的定性圖象①定性圖象--阻擋層的整流作用:(仍討論M/n-S

形成電子勢壘)

M/S接觸是多子器件.對M/n-S

形成的電子勢壘,其輸運特性主要由電子決定.

?正向偏置,半導體一側電子勢壘降低,可形成較大的正向電流.

?反向偏置,半導體一側電子勢壘升高,反向電流很小.當反向偏置加大,反向電流可趨于飽和.第24頁/共84頁圖7-10第25頁/共84頁要定量討論I-V特性,必須討論電子是怎樣越過勢壘的.兩種近似模型:?擴散理論—勢壘區較厚,制約正向電流的主要是電子在空間電荷區的擴散過程?熱電子發射理論—載流子的遷移率較高,電子能否通過勢壘區,主要受制于勢壘高度.第26頁/共84頁②熱電子發射理論的結果?其中?有效里查孫常數

(書上,表7-4)第27頁/共84頁第28頁/共84頁

★肖特基勢壘二極管(SBD)p-n結二極管肖特基勢壘二極管第29頁/共84頁?肖特基勢壘二極管是多子器件,有優良的高頻特性.

一般情況下,不必考慮少子的注入和復合.?肖特基勢壘二極管有較低的正向導通電壓.

反向擊穿電壓較低,反向漏電較高.?肖特基勢壘二極管具有制備上的優勢.第30頁/共84頁★歐姆接觸歐姆接觸是金屬-半導體接觸的另一個重要應用—作為器件引線的電極接觸(非整流接觸).歐姆接觸的要求:接觸電阻應小到與半導體的體電阻相比可以忽略(不影響器件的電學特性).歐姆接觸的實現:主要方法是對接觸處的半導體高摻雜,利用隧道效應,得到很小的接觸電阻第31頁/共84頁§2半導體表面電場效應(1)

表面空間電荷層和表面勢

(2)

討論幾種典型情況

①表面積累

②表面耗盡③表面反型④表面平帶第32頁/共84頁★表面空間電荷層空間電荷區:半導體中呈現非電中性(出現靜電荷)的區域表面空間電荷區起因:屏蔽外界影響產生的電場[外電場;表面態;表面原子吸附或薄層覆蓋;界面]特點:表面空間電荷區中存在電場,能帶發生彎曲.

?表面勢VS—半導體表面相對于體內的電勢值

第33頁/共84頁定性圖象:

設半導體表面外有電場i(以指向半導體表面為正).半導體i

>0(VS>0)

i

<0(VS<0)n型電子積累

表面耗盡,

表面反型

p型表面耗盡,空穴積累表面反型第34頁/共84頁p型i

>0(VS>0)

第35頁/共84頁對表面空間電荷區的一般討論:

解泊松方程(空間電荷區中電勢滿足的方程)

其中第36頁/共84頁求解方程,可得到表面空間電荷層的基本參數:

?表面電場強度Es(Vs)

?表面空間電荷面密度Qsc(Vs)

?單位面積的空間電荷層電容Csc(Vs)

應用C-V特性研究表面空間電荷層第37頁/共84頁我們將直接討論各種典型情況下的空間電荷區,給出半定量或定性的結果:

?當外加電場i變化(外加電壓變化),表面勢VS(表面空間電荷層)隨之變化?討論表面空間電荷面密度QSC和

空間電荷層電容(單位面積)CSC

隨表面勢VS的變化第38頁/共84頁★幾種典型情況以p型半導體表面為例①表面積累(多數載流子堆積狀態):

?當i

<0

,表面空穴積累,QSC>0

能帶上彎,VS<0

?空穴積累于靠近表面的薄層,且隨表面勢數值的增加而迅速增加.

?CSC很大,第39頁/共84頁①②第40頁/共84頁②表面耗盡:

?

i>0

,VS>0

,能帶下彎,QSC<0

?

當0<VS<2VB,可應用耗盡層近似其中,eVB=(Ei-EF)p

?此時,-ρ(x)=eNA,泊松方程為:第41頁/共84頁?解泊松方程,得到:第42頁/共84頁圖8-7第43頁/共84頁③表面反型(強反型):?當VS=2VB

耗盡層寬度達到最大

?

i

繼續增加,VS

>2VB,表面nS>pB

?

CSC很大

第44頁/共84頁③第45頁/共84頁一維電子勢阱中的2DEG

?當VS

>2VB,半導體表面出現反型層(MOS器件中稱為溝道),即電子勢阱?當勢阱寬度足夠窄,勢阱中的電子即稱為一維電子勢阱中的2DEG:

勢阱中的電子在平行于界面(勢阱壁)方向的運動,可視作二維準自由電子的運動;在垂直于界面(勢阱壁)方向的運動,必須考慮量子效應--能量量子化.第46頁/共84頁①②③第47頁/共84頁圖8-6①②③第48頁/共84頁④表面平帶狀態:

?

VS

=0,QSC

=0,但CSC≠0

?泊松方程:

?方程的解為:第49頁/共84頁

?平帶電容

?德拜長度第50頁/共84頁對半導體表面空間電荷區電容的小結:?表面積累,CSC很大?表面耗盡?表面反型,CSC很大?表面平帶第51頁/共84頁§3MIS結構的電容-電壓特性

(1)

MOS結構的微分電容

(2)

理想MOS結構的低頻C-V特性

(3)理想MOS結構的高頻C-V特性

(4)實際MOS結構的C-V特性第52頁/共84頁第53頁/共84頁★

MOS結構的微分電容

?柵壓--VG=VOX+VS,

?當不考慮表面態電荷,半導體的總電荷面密度--QS

=QSC=-QG

?MOS結構的微分電容—

CdQG/dVG

第54頁/共84頁

定義:?氧化層電容—

COXdQG/dVOX=εox

ε0

/dox

?空間電荷區電容—

CSC

-dQSC/dVS,

則有:第55頁/共84頁第56頁/共84頁第57頁/共84頁★理想MOS結構理想MOS結構:

?Vms=0

?Qox=0

?Qss=0MOS結構的微分電容公式:第58頁/共84頁

★低頻C-V特性①

VG<0,VS<0,

?表面積累,CSC很大,(C/Cox)→1,MOS結構的電容呈現為Cox第59頁/共84頁①②③第60頁/共84頁②VG>0,0<VS<2VB,

?表面耗盡,

第61頁/共84頁③VG>VT,VS>2VB,

?表面強反型,CSC很大,(C/Cox)→1

閾值電壓(開啟電壓)[半導體表面剛達到強反型時所加的柵壓]

VT

=VOX+VS=-(Qdm/COX)+2VB

Qdm=-eNAdm第62頁/共84頁④VG=0,VS=0,表面平帶,第63頁/共84頁圖8-11第64頁/共84頁⑤摻雜,氧化層厚度對C-V曲線的影響:

摻雜越大,

or/and氧化層厚度dox越大

?CFB/COX越大

?VT越大—極值右移

?CdM越大—極值上移第65頁/共84頁★高頻C-V特性?表面積累,表面耗盡,高低頻特性一樣?

VG>VT,VS>2VB,表面強反型,

高頻時,反型層中電子的增減跟不上頻率的變化,空間電荷區電容呈現的是耗盡層電容最小值

第66頁/共84頁?MOS結構的電容也呈現最小值

--不再隨偏壓VG呈現顯著變化第67頁/共84頁圖8-12第68頁/共84頁③③第69頁/共84頁第70頁/共84頁★深耗盡狀態當偏壓VG的變化十分迅速,且其正向幅度大于VT,則:

即使表面勢VS>2VB,反型層也來不及建立,耗盡層寬度隨偏壓幅度的增大而增大--深耗盡狀態第71頁/共84頁當表面處于深耗盡--隨VG增加,d增加(>dM),MOS結構的電容不再呈現為最小值.第72頁/共84頁★實際MOS結構的C-V特性--(Ⅰ)

功函數差異的影響平帶電壓

--為了恢復半導體表面平帶狀態需要加的電壓