固体材料表面与界面电子过程

第第 二二 章章固体材料表面与界面电子固体材料表面与界面电子固体材料表面与界面电子固体材料表面与界面电子过程过程过程过程3.1 3.1 半导体与半导体界面特性半导体与半导体界面特性-PN-PN结结3.2 3.2 金属与半导体的接触特性金属与半导体的接触特性3.3 3.3 表面势、表面态、表面电导表面势、表面态、表面电导3.4 MIS3.4 MIS结构结构3.5 PN3.5 PN结与功能器件结与功能器件3.6 3.6 晶界势垒及其电荷区2 电子运动状态：能量、运动的范围电子运动状态：能量、运动的范围 电子运动的特点：微质点、高速度运动电子运动的特点：微质点、高速度运动 不可能确定某电子在某空间位置不可能确定某电子在某空间位置用在空用在空 间出现的概率间出现的概率(电子云及密度电子云及密度)能量不连续能量不连续能级能级 决定电子运动状态是主要取决于对电子的作用势决定电子运动状态是主要取决于对电子的作用势(原子核、电子间原子核、电子间)具体电子运动状态是通过薛定鄂方程求出电子的波具体电子运动状态是通过薛定鄂方程求出电子的波函数及其对应的本征能量。函数及其对应的本征能量。电子的特点电子的特点3无数电子形成一个系统以后，电子运动特性无数电子形成一个系统以后，电子运动特性(范围范围)能带能带当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互作用，电子存在共有作用；作用，电子存在共有作用；原子能级分裂成能级示意图4能带理论简介能带理论简介 5 K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态K空间是以倒格子为基础的倒格空间在k空间中，电子能量En(k)函数关系6E Ek,k,能带结构（能量色散关系）能带结构（能量色散关系）SiSi立方立方晶系 晶体的能带结构（半导体，间接能隙）晶体的能带结构（半导体，间接能隙）价带价带导带导带价带顶价带顶导带底导带底7 半导体的基础知识半导体的基础知识 半导体；半导体；N-type P-typeN-type P-type半导体；导带；价带；禁带半导体；导带；价带；禁带本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 载流子运动方式及形成电流载流子运动方式及形成电流8v纯净的、不含杂质的半导体1.1 本征半导体9v杂质半导体分杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类vN型半导体 杂质半导体半导体 结构图结构图10电子 正离子对施主杂质原子电离 电子 空穴对 热激发 载流子载流子杂质半导体半导体 N N型半导体中的多数载流子型半导体中的多数载流子(多子）多子）为为电子电子。空穴空穴为少数载流子（少子为少数载流子（少子）呈电中性 11v P P型半导体型半导体 结构图结构图杂质半导体半导体12 空穴 负离子对受主杂质原子电离 空穴 电子对 热激发 载流子载流子 P P型半导体中的多数载流子型半导体中的多数载流子(多子）多子）为为空穴空穴。电子电子为少数载流子（少子）为少数载流子（少子）杂质半导体半导体呈电中性 13v 扩散运动及扩散电流扩散运动及扩散电流扩散运动扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。载流子运动方式及其电流载流子运动方式及其电流 扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比浓度差 扩散运动 扩散电流扩散力14v 漂移运动和漂移电流漂移运动和漂移电流 漂漂移移运运动动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。漂漂移移电电流流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。载流子运动方式及其电流载流子运动方式及其电流 漂移电流大小与电场强度成正比漂移电流大小与电场强度成正比电位差 漂移运动 漂移电流电场力153.1 PNPN结结1.pn结定义：结定义：把一块把一块p型半导体和型半导体和一块一块n型半导体结合型半导体结合在一起，由于在一起，由于P、N区载流子浓度不等，区载流子浓度不等，N区电子浓度向区电子浓度向P区区扩散，扩散，P区空穴向区空穴向N区扩散，结果在交界区扩散，结果在交界面处积累电荷形成电面处积累电荷形成电偶极层，将该结构称偶极层，将该结构称为为p-n结结 带负电荷的电离受主电离受主带正电荷电离施主带正电荷电离施主16 平衡平衡p-n结的能带图结的能带图 1）电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区，因而EFn下移，而EFp移，直至EFn=EFp时为止。这时p-n结中有统一的费米级能Ef2)空间电荷区内电势V(x)V(x):np降低电子电势能-qV(x)n p区不断升高p区的能带上移，n区能带下移，直至费米能级处处相等时，p-n结达到平衡状态。EFn和EFp分别表示n型和p型半导体的费米能级能带图特点：172 PNPN结基本特性结基本特性带负电荷的带负电荷的电离受主电离受主带正电荷电离施主带正电荷电离施主电离施主与少量空穴的正电荷严格平衡电子电荷电离受主电离受主与少量电子少量电子的负电荷严格平衡空穴电荷电中性电中性负电荷区负电荷区正电荷区正电荷区空间电荷1)空间电荷空间电荷18d）对于空穴，情况完全相似。）对于空穴，情况完全相似。e）没有电流流过）没有电流流过p-n结。或者说流过结。或者说流过p-n结的净电流为零结的净电流为零 空间电荷区的特点：空间电荷区的特点：a）内建电场）内建电场 在内建电场作用下，载流子作漂移运在内建电场作用下，载流子作漂移运动。电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动。电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散动方向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。的作用。b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡将达到动态平衡，c）电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消而互相抵消。E19PNPN结基本特性结基本特性PNPN结平衡结平衡 VD阻止多子继续阻止多子继续扩散，同时有利扩散，同时有利少子定向漂移少子定向漂移VD：势垒电压VD=0.60.8V 或 0.20.3VVD202)单向导电性 PNPN结加正向电压结加正向电压流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称为PN结正向导通状态。PN正向应用UUU21 PNPN结加反向电压结加反向电压流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称为PNPN结反向结反向截止状态。截止状态。PN反向运用 UU22一个一个p-n结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电压频率增高时，其整流特性变坏压频率增高时，其整流特性变坏 p-n结电容包括势垒电容结电容包括势垒电容和扩散电容两部分。和扩散电容两部分。3)p-n结电容特性结电容特性部分电子和空穴部分电子和空穴“存入存入”势垒区势垒区 势垒区宽度变窄，空势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少间电荷数量减少 电子和空穴中和电子和空穴中和23在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入存入”势势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电子和空区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电子和空穴从势垒区中穴从势垒区中“取出取出”。当当p-n结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少，因为空加而减弱势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少，因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷的减少是由于的减少是由于n区的电子和区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主；中一部分电离施主和电离受主；p-n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入存入”和和“取出取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种种p-n结的电容效应称为势垒电容结的电容效应称为势垒电容24扩散电容扩散电容积累的非平衡积累的非平衡空穴也增加空穴也增加,与与它保持电中性它保持电中性的电子也相应的电子也相应增加增加非平衡电子非平衡电子和与它保持和与它保持电中性的空电中性的空穴也要增加穴也要增加正向偏压空穴从P区注入n区，增加了n区的空穴积累，增加了浓度梯度由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为的电容效应，称为p-n结的扩散电容。结的扩散电容。p-n结的势垒结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化，是可变电容。电容和扩散电容都随外加电压而变化，是可变电容。h+h+e-e-电子从n 区注入P区，增加了P区的电子积累，增加了浓度梯度25a.平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD，称为p-n结的接触电势差或内建电势差。4）p-n结接触电势差结接触电势差b.相应的电子电势能之差即能带的弯曲量相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为称为p-n结的势垒高度结的势垒高度 qVDEFn-EFp 263.2 金属和半导体的接触特性金属和半导体的接触特性1.1.金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数金属的功函数金属的功函数:在绝对零度时，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静止所需要的最小能量 Wm=E0-(EF)mE0表示真空中静止电子的能量 27在绝对零度时，一个起始能量等于费米能级的电子，由半导体内部逸出到真空中所需要的最小能量半导体的功函数半导体的功函数Ws=E0-(EF)s E0-Ec 从Ec到E0的能量间隔 又称为电子亲合能，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。半导体的功函数又可表示为 Ws=+=+En En=Ec-(EF)s 又称肖特基势垒28 半导体功函数与杂质浓度的关系半导体功函数与杂质浓度的关系(计算值计算值)292.接触电势差（1 1）设想有一块金属和一块）设想有一块金属和一块n n型半导体，它们有共型半导体，它们有共同的真空静止电子能级，并假定金属的同的真空静止电子能级，并假定金属的功函数大于功函数大于半导体的功函数，即半导体的功函数，即W Wm mWWs s；EF(S)EF(M)(a)接触前(b)间隙很大30(c)紧密接触；(d)忽略间隙 金属和金属和n型半导体接触能带图型半导体接触能带图(WmWs)31特点：特点：1 1）随着）随着D D的减小，靠近半导体一的减小，靠近半导体一侧的金属表面负电荷密度增加，同时，侧的金属表面负电荷密度增加，同时，靠近金属一侧的半导体表面的正电荷密靠近金属一侧的半导体表面的正电荷密度也随之增加。度也随之增加。2 2）由于半导体中自由电荷密度的限制，）由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在半导体表面相当厚的一层正电荷分布在半导体表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。表面层内，即空间电荷区。(c)紧密接触紧密接触表面势：在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯表面势：在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯曲，使半导体表面和内部之间存在电势差曲，使半导体表面和内部之间存在电势差Vs，即表面势。，即表面势。接触电势差一部分降落在空间电荷区，另一部分降落在金接触电势差一部分降落在空间电荷区，另一部分降落在金属和半导体表面之间，于是有属和半导体表面之间，于是有 VmsVs Vm金属的电势；Vs半导体电势；Vms:接触电势；Vs:表面电势32若若D小到可以与原子间距相比较，小到可以与原子间距相比较，电子就可自由穿过间隙