金属和半导体接触引言金属与半导体接触类型1整流接触

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1、第七章金属和半导体接触引言：金属与半导体接触类型：1、整流接触：金属与轻掺杂半导体形成的接触表现为单向导电性，即具有整流 特性，但电流通常由多子所荷载。由于这种器件主要靠电子导电，消除了非平衡 少子的存储，因而频率特性优于p-n结；又由于它是在半导体表面上形成的接 触，便于散热，所以可以做成大功率的整流器；在集成电路中用作箝位二极管， 可以提高集成电路的速度，通常称为肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管。2、欧姆接触：这种接触正反向偏压均表现为低阻特性，没有整流作用，故也称 为非整流接触。任何半导体器件最后都要用金属与之接触并由导线引出，因此， 获得良好的欧姆接触是十分必要的。7.1金属半导体接

2、触及其能带图本节内容：1、金属和半导体的功函数2、接触电势差3、阻挡层与反阻挡层4、表面态对接触势垒的影响课程重点：金属的功函数：在绝对零度的电子填满了费米能级Ef以下的所有能 级，而高于Ef的能级则全部是空着的。在一定温度下，只有Ef附近的少数电 子受到热激发，由低于Ef的能级跃迁到高于Ef的能级上去，但是绝大部分电 子仍不能脱离金属而逸出体外，这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动， 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。所以，金属内部的电子是在一个势阱中运动。用e 0表示真空 中静止电子的能量，金属功函数的定义是E0与Ef能量之差，用W

3、表示，即W广 E0 - ( Ef)m它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。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，Wm越大，电子越不容 易离开金属。半导体的功函数和金属类似：即把真空电子静止能量e 0与半导体 费米能级(E )之差定义为半导体的函数，即W = E - (E )。因为半导体的费F Ss 0 F s米能级随杂质浓度变化，所以半导体的功函数也与杂质浓度有关。金属与半导体 接触形成接触电势差，一部降落在金属与半导体的接触界面，一部分降落在半导 体表面空间电荷层。金属与半导体紧密接触时，两者间接趋于原子间距，电子可 以自由通过，这时接触界面的电

4、势差表现为从半导体表面到半导体内部的电势之 差，通常称为表面势。用表面势可以表示半导体一侧的势垒高度和金属一侧的势 垒高度。在不考虑表面面态的情况下形成的势垒称为肖特基势垒，肖特基势垒高 度是指金属一侧的势垒高度。课程难点：表面态对接触势垒的影响：对于同一种半导体，用不同的金属与它形 成的接触，其势垒高度应当直接随金属功函数而变化。但大量测量结果表明，不 同的金属，虽然功函数相差很大，而对比起来，它们与半导体接触时形成的势垒 高度相差却很小。这说明金属功函数对势垒高度没有多大影响。进一步的研究终 于揭示出，这是由于半导体表面存在表面态的缘故。在半导体表面处的禁带中存 在着表面态，对应的能级称为

5、表面能级。表面态一般分为施主型和受主型两种。 若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈电中性，称为施主型表面态；若能 级空着时为电中性，而接受电子后带负电，称为受主型表面态。一般表面态在半 导体表面禁带中形成一定的分布，表面处存在一个距离价带顶为q0的能级，电 子正好填满q0以下的所有表面态时，表面呈电中性。q0以下的表面态空着时， 表面带正电，呈现施主型；q0以上的表面态被电子填充时，表面带负电，呈现 受主型。对于大多数半导体，q 0约为禁带宽度的三分之一，即位于价带顶以上 3Eg处。由于半导体的费米能级高于q0，则半导体表面附近的电子向表面态转 移去填充表面态能级，使表面带负电。这样在半导

6、体表面附近缺少电子而形成正 的空间电荷区。结果形成电子的势垒，这个势垒是由于表面态接纳半导体表面附 近的电子形成的，而与金属无关。当半导体表面态密度很高时，它可屏蔽金属接 触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上由半导体 的表面性质所决定。当然，这是极端的情形。实际上，由于表面态密度的不同， 紧密接触时，接触电势差有一部分要降落在半导体表面以内，金属功函数对表面 势垒将产生不同程度的影响，但影响不大，这种解释附和实际测量的结果。基本概念：表面态对半导体内势垒高度起着决定性作用，这一势垒模型最早由巴 TCBardeen）提出，故又称巴丁模型。如果不考虑表面态的影响，称为肖特

7、基 （Schottky）模型。肖特基模型形成的接触，也称为肖特基节（参阅清华大学讲 义，顾祖毅半导体物理学）。阻挡层与反阻挡层:当金属与n型半导体接触时，若金属功函数大于半导体 功函数，则在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方向由体内指向表 面，表面势小于零，它使半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，即形 成表面势垒。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 的多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。若金属的功函数小于半导体的 功函数，则金属与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。其中电场方向由表面指向体内，表面势大于零，

8、能带向下 弯曲。这里电子浓度比体内大的多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。 反阻挡层是很薄的高电导区，它对半导体和金属接触电阻的影响是很小的。所以 反阻挡层与阻挡层不同，在平常的实验中观察不到它的存在。基本要求：掌握金属和半导体功函数的定义，这是讨论接触电势差的基础；理解 形成接触电势差的过程，掌握肖特基势垒模型，理解巴丁模型即表面态对接触势 垒的影响以及阻挡层与反阻挡层的概念。7.2金属半导体接触整流理论（阻挡层的整流理论）本节内容：1、阻挡层的整流作用2、阻挡层的整流理论2、1阻挡层整流的扩散理论2、2阻挡层整流的热电子发射理论3、镜像力和隧道效应的影响4、肖特基势垒二极管课程重点

9、：1、扩散理论：对于n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大得多时， 电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。扩散理论正是适 用于厚阻挡层的理论。势垒区中存在电场，有电势的变化，载流子浓度不均匀。 计算通过势垒的电流时，必须同时考虑载流子的漂移和扩散运动。因此有必要知 道势垒区的电势分布。一般情况下，势垒区的电势分布是比较复杂的。当势垒高 度远大于kT时，势垒区可近似为一个耗尽层。在耗尽层中载流子极为稀少，它 们对空间电荷的贡献可以忽略；杂质全部电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷 形成。考虑了载流子的扩散和漂移因素，得到电流密度方程为：J = JSD eXP（%）T。扩散理

10、论适用于载流子迁移率小的材料，例如碳化硅、锑化锌等。2、热电子发射理论：当n型阻挡层很薄，以至于电子平均自由程远大于势垒宽 度时，扩散理论显然是不适用了。在这种情况下，电子在势垒区的碰撞可以忽略， 因此这时势垒的形状并不重要，起决定作用的是势垒高度。半导体内部的电子只 要有足够的能量超越势垒的顶点，就可以自由地通过阻挡层进入金属。同样，金 属中能超越势垒顶的电子也都能到达半导体内。所以电流的计算就归结为计算越 过势垒的载流子数目。这就是热电子发射理论，其电流密度方程为：J = JSTexp（京 T。热电子发射理论适用与于载流子迁移率较大的材料，例如硅、错、砷化镓等材料。课程难点：1、在扩散理论

11、中，要考虑载流子的扩散和漂移对电流的贡献，则必须考虑势垒 区的电势分布和载流子分布。电势分布可以通过解泊松方程加以解决。在外加电 压情况下，势垒区处于非平衡状态，势垒区的电子分布与导带底的变化有关，考 虑到电流是由通过金属与半导体界面即半导体表面处的电子形成的，而在界面的 接触处，可以与金属直接交换电子，所以这里的电子仍旧和金属近似地处于平衡 状态，而表面处的电子浓度近似等于平衡时的电子浓度。2、在热电子发射理论中主要问题是如何计算超越势垒地载流子数目。3、镜像力使势垒的最大值向半导体内位移了一段距离，并使势垒高度降低，而 且势垒高度的降低量随外加反向电压增大而缓慢地增大。从而使反向电流随反向

12、 电压增大而增大，不再饱和。基本概念：1、金属和低掺杂的半导体形成的接触具有整流特性。在不考虑表面态时称为肖 特基接触或肖特基模型，形成的势垒称为肖特基势垒。肖特基势垒的宽度与外加 电压无关。在某些著作中，一般把金属一侧的势垒高度称为肖特基势垒高度。2、肖特基势垒的整流特性采用了扩散理论和热电子发射理论，后者适用于载流 子迁移率大的材料，如硅、错、砷化镓等，而前者适用于迁移率小的材料，例如 碳化硅、锑化锌等材料。3、像力和隧道效应均可使势垒高度降低，且降低量随反向电压增大而增大，使 反向电流增大而增大，不再饱和。基本要求：能定性解释阻挡层的整流作用，掌握热电子发射理论方程及其应用条 件，理解扩

13、散理论及其使用条件，了解镜像力和隧道效应对肖特基势垒的影响， 了解肖特基二极管特性具有的特点。特别注意，肖特基二极管是一种多数载流子 器件，即形成电流的载流子主要是多数载流子。7.3少数载流子的注入和欧姆接触本节内容：1、少数载流子的注入2、金属与半导体欧姆接触课程重点：少数载流子的注入：n型半导体的势垒和阻挡层都是对电子而言。由于空穴 所带电荷与电子电荷符号相反，电子的阻挡层就是空穴的积累层。在势垒区域， 空穴的浓度在表面最大，它与体内空穴浓度形成浓度差，这个浓度差将引起空穴 自表面向内部扩散，平衡时也恰好被电场作用抵消。加正向电压时，势垒降低， 空穴扩散作用占优势，形成自外向内的空穴流，它

14、所形成的电流与电子电流反向 一致。因此部分正向电流是由少数载流子空穴载荷的。空穴电流的大小首先决定 于阻挡层中的空穴浓度。只要势垒足够高，靠近接触面的空穴浓度就可以很高， 在这种情况下，正向电压使少数载流子的注入就显著了，甚至可能取得主导的地 位称为电流的主要载荷者。根据以上分析，在金属和n型半导体的整流接触上加 正向电压时就有空穴从金属流向半导体。这种现象称为少数载流子的注入。要注 意，空穴从金属流向半导体，实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属，填 充金属中费米能级以下的空能级，而在价带顶附近产生空穴。欧姆接触：金属与半导体接触时，还可以形成非整流接触，即欧姆接触，这 是另一类重要的金属

15、和半导体的接触。欧姆接触是指这样的接触：它不产生明显 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变化。从电学 上讲理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当有电流流过 时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器 件的电流-电压特性，或者说，电流-电压特性是由样品的电阻或器件的特性决 定的。在实际中，欧姆接触也有很重要的应用。半导体器件一般都要利用金属电 极输入或输出电流，这就要求在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。在超高 频和大功率器件中，欧姆接触是设计和制造中的关键问题之一，人们进行了大量 的研究工作。实现欧姆接触的方法：在生产实际

16、中，主要是利用隧道效应的原理，在半导 体上制造欧姆接触。重掺杂的p-n结可以产生显著的隧道电流。金属和半导体 接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道 效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主 要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。 因之，半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。课程难点：热电子发射理论主要是计算越过势垒顶的电子数目，因此要考虑电子 的分布状态和电子越过势垒所具有的动能，关于动能，只考虑运动方向上的动能 分量即可。基本概念：少数载流子注入比：是少数载流子电流与总电流之

17、比。在第五章中，对探针 接触的分析表明，若接触球面的半径很小，注入少数载流子的扩散效果比平面接 触要强的多。因而点接触容易获得高效率的注入，甚至可能绝大部分的电流都是 由注入的少数载流子所载荷。在少数载流子的注入及测量实验中，希望得到高效 率的注入，因而采用探针接触最理想。而用金属探针与半导体接触以测量半导体 的电阻率时，却要避免少数载流子注入的影响，为此所采取的措施是增加表面复 合。基本要求：能定性分析少数载流子的注入问题，简要说明提高少子注入效率或降 低是在注入影响采取的措施。能够解释利用隧道效应制造欧姆接触的基本原理。第七章思考题与自测题：1、金属和半导体的功函数是如何定义的？半导体的功

18、函数与哪些因素有关？2、说明金属-半导体接触在什么条件下能形成接触势垒（阻挡层）？分析n型 和p型半导体形成阻挡层和反电阻率的条件？3、分别画出n型和p型半导体与金属接触时的能带图？4、半导体表面态是怎样影响势垒高度的？分别讨论受主型表面态和施主型表 面态的影响。5、什么叫欧姆接触？实现半导体-金属的欧姆接触有几种方法？简要说明其 物理原理。6、应该怎样制作n型硅和金属铝接触才能实现（1）欧姆接触；（2）整数接触。7、试比较p-n结和肖特基结的主要异同点。指出肖特基二极管具有哪些重要 特点。8、为什么金属-半导体二极管（肖特基二极管）消除了载流子注入后的存贮时 间？9、为什么对轻掺杂的p型半导

19、体不能用四探针方法测量其电阻率？对轻掺杂的 n型半导体如何分析其物理过程。10、什么叫少数载流子注入效应？11、镜像力和隧道效应是如何影响金属-半导体接触势垒的？12、比较扩散理论和热电子反射理论在解决肖特基二极管整流特性时其主要区 别在什么地方？13、金属与重掺杂的半导体接触能够形成欧姆接触，说明其物理原理。第八章半导体表面与MIS结构引言：研究半导体表面现象，发展有关半导体表面的理论，对于改善器件性能， 提高器件稳定性，以及指导人们探索新型器件等有十分重要的意义。许多半导体 器件的特性都和半导体的表面性质有着密切的联系。例如半导体的表面状态对晶 体管和半导体集成电路的参数和稳定性有很大影响

20、。在某些情况下，往往不是半 导体的体内效应，而是其表面效应支配着半导体器件的特性。例如MOS （金属- 氧化物-半导体）器件、电荷耦合器件、表面发光器件等，就是利用半导体表面 效应而制成的。在半导体集成电路发展的早期，性能不稳定曾经是一大障碍。为 了解决这一问题，促使人们对半导体表面，特别是硅-二氧化硅系统进行了广泛 的研究工作。这方面的研究成果使集成电路克服了性能不稳定的障碍，得到进一 步的迅速发展，同时也发展了有关半导体表面的理论。这些实事证明了实践推动 理论的发展，理论又反过来指导实践这一辨证关系。在半导体表面的研究工作中， 有理想表面研究和实际表面研究。本章的讨论将侧重于实际表面方面，

21、包括表面 态概念、表面电场效应、硅-二氧化硅系统性质、MIS （指金属-绝缘体-半导 体）结构的电容-电压特性、表面电场对p-n结特性影响及表面电导和表面迁 移率。 8.1表面态本节内容：1、理想表面的表面态2、实际表面的表面态课程重点：理想表面的表面态和表面能级：理想表面是指表面层中原子排列的对称性与 体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面（即晶体 的自由表面）。理论分析表明，在表面外测和内侧，电子的波函数都按指数关系 衰减，这表明电子的分布几率在表面处最大，即电子被局限在表面附近。因此， 这种电子状态叫做表面态，对应的能级称为表面能级。理想表面产生表面能级（表面态）

22、的原因是塔姆（Tamm）首先提出的，他认 为晶体的周期性势场在表面处发生中断引起了附加能级。因此，这种表面能级称 为塔姆表面能级或塔姆能级（Tamm Level）。塔姆曾计算了半无限克龙尼克-潘 纳模型情形，证明在一定条件下每个表面原子在禁带中对应一个表面能级。上述 结论可推广到三维情形，可以证明，在三维晶体中，仍是每个表面原子对应禁带 中一个表面能级，这些表面能级组成表面能带。因单位面积上的原子数约为1015cm 2，故单位面积上的表面态数也具有相同的数量级。表面态的概念还可以 从化学键的方面来说明。以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终止，在表面的最 外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，即有

23、一个未饱和的键。这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。因每平方厘米表面约有1015个原子，故相应的悬挂键数也应为约1015个。表面态的存在是肖克莱等首先从实验上发现 的。以后有人在超真空对洁净硅表面进行测量，证实表面态密度与上述理论结果 相符。实际表面，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态这 种表面态的特点是其数值（表面态密度）与表面经过的处理方法及所处的环境有 关。基本概念：受主表面态和施主表面态：若表面态接受电子使表面带负电叫做受主型表面 态，若表面态放出电子使表面带正电叫做施主型表面态。基本要求：了解表面态的产生原因及表面态的性质（受主型和施主型表面态）。8.

24、2表面空间电荷层的性质（表面电场效应）本节内容：1、表面电场设计与德拜长度2、空间电荷层及表面势3、表面空间电荷层的电场、电势和电容4、表面空间电荷层几种状态的解析分析课程重点：表面电场设计：以金属板和n型半导体分别作正负极，中间隔以空气作介质， 则构成以空气为介质的平板电容器。金属板接电源正极，n型半导体接负极，则 金属板带正电荷，半导体表面层带负电荷，电场由金属板穿过空气间隙指向半导 体。由于半导体中电荷密度较小用来中和电场的负电荷分布在一定宽度的范围， 即表面空间电荷层，电场由半导体表面向体内逐渐减弱。设半导体体内电势为零， 则半导体表面处电势高于体内，用V表示，称为表面势。分析表明，表

25、面电场不5太强时，电势在表面层的分布由下式给出：V 3） = V e顾-二）5 LD式中ld称为德拜长度。表面空间电荷层的电荷密度为P （x） = 一 0exp（F）kT LD根据前面施加的电场，表面势大于零，能带在表面层向下弯曲，在表面层形成多 子电子的积累，所以电荷密度为负值（即表面层带负电）。上两式表明：表面空 间电荷层中的电势和电荷都是指数衰减，屏蔽电场的电荷大约分布在德拜长度的 厚度范围内。因此，德拜长度可作为电场进入半导体表面深度（即表面空间电荷 层厚度的度量）。德拜长度表示式对于n型样品为：L =（匕乌义）1/2。p型样品Dn q 2时L =（堂&）1/2，由此可知，掺杂浓度越高

26、，德拜长度越小。例如，硅在室D p q 2温下，若N = 1015 /cm3，L = 1300埃，若N = 1017 /cm3，L = 130埃。空间电荷层及表面势：研究表面电场效应，通常用MIS结构。它实际上是以 二氧化硅为绝缘介质的平板电容器。因此当在金属与半导体之间加电压后，在金 属与半导体相对的两个面上就要被充电。两者所带电荷符号相反，电荷分布情况 也不相同。在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度 范围之内；而在半导体中由于自由载流子密度要低的多，电荷必须分布在一定厚 度的表面层内。这个带电的表面层称作空间电荷区。在空间电荷区内从表面到内 部电场逐渐减弱，在空间电

27、荷区的另一端场强减少到零。另一方面，空间电荷区 内的电势也要随距离逐渐变化，这样，半导体表面相对体内就产生电势差，同时 能带也发生弯曲。常称空间电荷层两端的电势差为表面势，规定表面电势比内部 高时，表面势取正值，反之取负值。表面空间电荷层几种状态的定性分析（以p型衬底为例）：（1）多数载流子堆积状态：当金属以后与半导体间加负电压（指金属接电源 负极）时，表面势为负值，表面处能带向上弯曲。在热平衡情况下半导体内费米 能级应保持定值，故随着向表面接近，价带顶将逐渐移近甚至高过费米能级，同 时价带中空穴浓度也将随之增加。这样，表面层内就出现空穴底堆积而带正电荷。 越接近表面空穴浓度越高，这表明堆积的

28、空穴分布在最靠近表面的薄层内。（2）平带状态：外加电压为零，此时表面势等于零，能带不弯曲，称作平带 状态。表面层内电场和表面层内电荷均为零。（3）多数载流子耗尽状态：当金属与半导体间加正电压，即金属接正极时表 面势为正值，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。在靠近表面的一定区域内，价带顶位置比费米能级低 的多，根据玻耳兹曼分布，表面处空穴浓度将比体内空穴浓度低得多，表面层的 负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称作耗尽状态，表面层 也叫耗尽层。（4）少数载流子反型状态：当加于金属和半导体之间的正电压进一步增大时， 表面处能带相对于体

29、内将进一步向下弯曲。这时，表面处费米能级位置可能高于 禁带中央能量，也就是说，费米能级离导带底比离价带顶更近一些。这意味着表 面处的电子浓度将超过空穴浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相反的一 层，叫做反型层。反型层发生在近表面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗 尽层。在这种情况下，半导体空间电荷层内的负电荷由两部分构成，一部分是耗 尽层中已电离的受主负电荷，另一部分是反型层中的电子，后者重要堆积在近表 面区。课程难点：表面空间电荷区性质的解析分析：为了深入地分析表面空间电荷层的性质， 可以通过解泊松方程定量地求出表面层中电场强度和电势分布以及表面层电荷 面密度，还可以求出表面层电容。对于

30、表面耗尽状态可以用“耗尽层近似”处理。耗尽层的厚度与半导体的掺杂浓 度和表面势有关。表达式为：（2L1X ）1/2d qNA表面层耗尽时，半导体表面空间电荷层单位面积的电量（电荷面密度）：Q = - qN x半导体表面层发生强反型的条件为（p型衬底）：V 2匕（qVB = E - Ef），kT N式中V =In。B q ni半导体表面一旦出现强反型，表面耗尽层宽度不再随外加电压增加而增加，而是达到最大值：X =（竺骂L）1/2。dm qNA基本概念：理想MIS结构的条件：（1）金属与半导体间功函数差为零；（2）在绝缘层内 没有任何电荷且绝缘层完全不导电；（3）绝缘层与半导体界面处不存在任何界面

31、 态。理想MIS结构在不同的外加电压下，表面层呈现不同的状态，即多数载流子 堆积状态、平带状态、多数载流子耗尽状态和少数载流子反型状态。对于耗尽状态，也可以用耗尽层近似来处理。所谓“耗尽层近似”，电荷全 部由己电离的受主杂质构成。表面层强反型后，表面空间电荷层由反型层和耗尽层组成，半导体单位面积 上的电荷量由两部分构成，一部分是耗尽层中的电离受主负电荷，另一部分是反 型层中的积累电子，它们靠近半导体表面。表面反型后表面耗尽层宽度达到极大 值，不再随外界电压增大而增大，这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作 用。MIS结构有一个重要参数即MIS结构单位面积的电容，它是研究MIS结构电 容-电压

32、特性的基础（参阅下节）。基本要求：能定性分析半导体表面层的几种状态，即多数载流子的堆积状态、平 带状态、多数载流子的耗尽状态和反型状态。掌握“耗尽层近似”的概念，并用 以解决耗尽状态下的表面势、耗尽层宽度及电荷面密度；掌握强反型条件及强反 型状态表面空间电荷层的基本性质，例如，表面反型时耗尽层宽度达到最大值， 表面层中的电荷由耗尽层中的电离受主负电荷和反型层中的少子电子构成。当表 面层临界强反型时，即匕=2VB时，金属板上加的电压习惯上称为开启电压。8.3 MIS结构的电容-电压特性本节内容：1、理想MIS结构的电容-电压特性2、金属与半导体功函数差对MIS结构的电容-电压特性的影响3、绝缘层

33、中电荷对MIS结构的电容-电压特性的影响课程重点：理想MIS结构的电容相当于绝缘层电容和半导体表面空间电荷层电容的串 联，表示为：式中C0为绝缘层电容，C=S0为半导体表面空间电荷层电容，它与表面状态有关，在不同的表面状态下将上节得到的七表达式代入上式就可以讨 论MIS结构电容与电压的关系。要特别注意平带状态的情况，平带电容与掺杂浓 度和绝缘层厚度有关。当绝缘层厚度一定时，掺杂浓度越大，平带电容也越大， 这是因为表面空间电荷层随掺杂浓度增大而变薄所致。另一方面，绝缘层厚度越 大，绝缘层电容越小，平带电容也越大。以后在利用电容-电压特性测量表面参 数时，常需要计算平带电容，因此，平带电容很重要。

34、电容-电压特性中还有一个重要参数即反型时的高频最小电容。对同一种半 导体材料，在温度一定时高频最小电容为绝缘层厚度和掺杂浓度的函数。绝缘层 厚度一定时掺杂浓度越大，高频最小电容值越大，当掺杂浓度一定时绝缘层厚度 越大，高频最小电容值也越大。利用这种关系可以测量半导体表面的杂质浓度。对于实际的MIS结构，还要考虑金属和半导体的功函数差及绝缘层中电荷等 因素的影响。对于p型衬底，功函数差和绝缘层中正电荷均使理想电容-电压特 性的平带电压向电压坐标轴的负方向平移一定距离，这段距离对应的电压值就是 使半导体表面层恢复平带状态所效应的电压，故称为平带电压。课程难点：MIS结构电容-电压特性的解析分析：在

35、理想MIS结构电容-电压特 性的基础上着重分析了金属功函数差和绝缘层中正电荷对理想MIS结构电容- 电压特性的影响。基本要求：掌握平带电容和高频最小电容与掺杂浓度和绝缘层厚度的关系；掌握 金属和半导体功函数差及绝缘层中电荷对电容-电压特性的影响。8.4硅-二氧化硅系统的性质本节内容：1、二氧化硅中的可动电荷2、二氧化硅中的固定电荷3、在硅-二氧化硅界面处的快界面态课程重点：二氧化硅中的可动离子有Na、K、H等，其中最主要而对器件稳定性 影响最大的是Na离子。Na离子来源于所使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及 人体沾污等。Na离子所以易于在二氧化硅中迁移，可从二氧化硅的结构及Na离 子在其中的迁

36、移性质来说明。二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组成的 四面体，Na离子存在于四面体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从而导致Na离子 易于在二氧化硅中迁移或扩散。由于Na的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱 因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故Na离子在二氧化硅中的迁移率也特 别大。温度达到100摄氏度以上时，Na离子在电场作用下以较大的迁移率发生 迁移运动。例如在127摄氏度时，加10伏正向电压，Na离子几乎可以全部移动 到硅和二氧化硅界面附近，对电容-电压特性影响最大；使电容-电压特性曲线 向左移动。根据这一原理，作偏压-温度实验，可以测量二氧化硅中单位面积上 的Na离子电荷量。二氧化硅中

37、的固定电荷带正电，故引起半导体表面层中能带向下弯曲。要恢 复平带，必须在金属和半导体间加一负电压，即平带点向电压轴负方向移动一个 距离。固定正电荷也可通过实验测量。课程难点：无基本概念：二氧化硅层中固定电荷有如下特征：（1）这种电荷的面密度是固定的。当半 导体的表面势在一个很宽的范围内变化时它不随能带弯曲而变化，换句话说，这 种电荷不能进行充放电，故称之为固定表面电荷；（2）固定表面电荷面密度位于 硅-二氧化硅界面的200纳米范围以内；（3）固定表面电荷面密度的数值不明显 地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响；（4）固定电荷面密度与氧化和 退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系，例如在

38、一定氧化条件下，对于晶 体取向分别为111、110和100三个方向的硅表面其硅-二氧化硅结构中的 固定表面电荷密度之比约为3:2:1。快界面态:是指存在于硅-二氧化硅处而能值位于硅禁带中的一些分离的或 连续的电子能态（或者能级）。所以称为快界面态，是为了和由吸附于二氧化硅 外表面的分子、原子等所引起的外表面态加以区别。外表面态位于空气和氧化物 的界面上，它们和半导体交换电荷时，电子必须穿过绝缘的氧化层，因此需要较 长的时间才能进行电荷交换，因此外表面态又称作“慢态”。位于硅和二氧化硅 界面处的界面态，由于可以迅速的和半导体导带或价带交换电荷，所以称为“快 界面态”。基本要求：掌握二氧化硅中可动

39、电荷和固定电荷的性质（特征），和产生原因及 它们对电容-电压特性的影响，并掌握它们的测量原理；对快界面态的产生原因 及性质有所了解。8.5表面电导及迁移率本节内容：1、表面电导2、表面层载流子的有效迁移率课程重点：表面电导主要取决于两个因素，一是表面层中载流子浓度，而是表面 层中载流子的迁移率。表面层在不同的状态下，表面势使能带发生弯曲，单位面 积表面层中引起附加空穴数和附加电子数可以分别计算出来，它们在表面层内引 起薄层附加电导。实验发现，半导体表面层内载流子迁移率的数值比相应的体内 迁移率低，而且迁移率随表面层中载流子所处的位置（载流子至表面的距离）有 关。因此，通常用表面层中载流子的平均

40、迁移率（即有效迁移率）表示表面附加 电导。课程难点：定义方块电导弓口= V为表面电导。根据定义导出附加表面电导为AG 口 = q（NNy +NP ），式中AN和AP分别是半导体表面层中单位面积上的过剩电子和空穴面密度，r ns和r加分别为表面层中电子有效迁移率和空穴有效迁移率。基本概念：表面电导是指平行于表面的电导，它是表面层中载流子沿平行于表面 的方向运动产生的。表面层中过剩载流子引起附加表面电导，表面电导和附加表 面电导通常用方块电导表示。所谓“方块”是指正方形的表面层。方块电导的倒 数是方块电阻。在工程上通常用方块电阻。基本要求：明了产生表面电导的原因，了解有效载流子迁移率的意义和方块电

41、阻。8.6 表面电场对p-n结的影响本节内容：1、表面电场作用下的能带图2、表面电场作用下的反向电流3、表面电场对p-n结击穿特性的影响4、表面钝化技术课程重点：利用栅控二极管结构，研究表面电场对p-n结的影响。在普通p-n 结处的表面氧化层上，制作金属栅极，用以控制p-n结表面处的状态，使p-n 结产生异于普通p-n结特性，对于p型衬底做成的二极管，当栅压大于开启电 压时，在栅下p区一侧表面出现n型反型层时，它与p型衬底形成场感应结，并 和原来由掺杂形成的p-n结（称为冶金结）联通。这样一个结构对反向电流和 击穿电压产生很大影响。由于栅下面的表面反型而形成了场感应结，这个结的耗 尽区的复合-

42、产生中心也应对产生电流有贡献，因而产生的电流比单纯冶金结情 形要大。表面层耗尽状态下耗尽层宽度随栅压增加，由表面耗尽区贡献的产生电 流分量也随之增加。一旦表面反型，耗尽区宽度达到最大值，这个电流分量将不 再增加。但是，当表面被耗尽时，硅和二氧化硅处的界面态对总产生电流也有贡 献，而且，其值往往增大一些。因此，在方向电流随栅电压变化的特性曲线中出 现了一个电流峰。表面电场对p-n结击穿特性的影响：当栅电压使衬底表面反型时，将存在 一个和冶金结并联的场感应结。这个场感应结有它自己的击穿电压，而且在很多 情况下，其击穿电压比冶金结的击穿电压要低。这时，当方向电压增加到超过场 感应结的击穿电压时，由于

43、场感应结开始击穿，电流随电压迅速增加。这个电流 沿着反型层流向p型区，并随着方向电压进一步的增加而达到一个饱和值。继续 增加反向电压到超过冶金结的击穿电压时，电流再次迅速增加。这种电流-电压 特性称为沟道特性，如果场感应结处有使击穿电压降低的缺陷存在，击穿电压将 要更低，而且在相当低的方向电压下就出现大的方向电流。场感应结形成在p + -区，因为场感应结是在高掺杂材料的上部出现，其击穿电压将会很低，在小的 方向电压下就开始有沟道电流。课程难点：理想p-n结不加电压而栅上加电压后，这时栅控二极管将仍处于平 衡情况，因而，半导体中费米能级处处相等。在栅电压的表面电场作用下，栅下 面的p区表面层将发

44、生耗尽或反型。当p区表面反型时，在n型反型层及其下面 的p型硅之间也形成了 p-n结，我们称这个结为场感应结。当栅电压大于开启 电压时，p区表面处因反型而产生电子积累，表面出的导带底应下降到靠近费米 能级。这表示从p区内部到表面发生了能带向下弯曲。在表面开始强反型后，这 时表面势V可以近似地表示为V = 2匕。基本概念：表面钝化技术：为了提高器件性能地稳定性，以及温度半导体表面性 质而采取的工艺技术。在讨论栅控二极管特性时，为了使问题简化而易于处理， 只限于考虑在金属栅上加电压以形成表面电场的情况。实际中诸如在半导体表面 上吸附的各种带电粒子、半导体表面氧化层中的可动离子、固定电荷和陷阱电荷

45、中，皆可在半导体表面层中引起电场。这些因素将会对半导体的表面特性产生巨 大影响，例如氧化层中表面电荷数量过大则导致p - n结特性不好或出现低击穿。 在采用平面工艺的器件中，一般都使用二氧化硅膜保护，当这种器件工作引起温 度升高时，如果二氧化硅中存在可动的Na离子，则由于它的漂移将会有引起器 件特性不稳定。因此，为了提高器件性能的稳定性，除了尽量减少各种污染外， 人们还发展了种种技术以稳定半导体表面性质。目前使用比较广泛的表面钝化技 术如下：（1）在二氧化硅膜上再淀积一层对Na离子有阻挡作用的钝化膜，例如 磷硅玻璃、氧化铝和氮化硅膜等；（2）在热氧化时通入氯化氢或三氯乙烯等。实 验发现在110

46、0摄氏度干氧热氧化时通入适当的氯化氢气体可使可动Na离子数量 减少至最低值；（3）在那些气体中退火可以降低固定电荷或界面态。基本要求：理解表面电场作用下p-n结的能带图和场感应结对反向电流的影响， 能够定性描述表面电场对p-n结击穿特性的影响；明确表面钝化的目的，对钝 化技术有所了解。第八章思考题与自测题：1、什么是空间电荷区？如何才能在半导体表面形成正的空间电荷区和负的空 间电荷区？2、说明表面势匕的物理意义，如何才能保证V 0和V 0 ?3、为什么半导体的表面会发生弯曲？说明能带向上弯和向下弯的条件？4、能带弯曲以后形成电子势垒还是空穴势垒，如何判断之。在能带图上讨论n 型半导体和表面空间

47、电荷的关系。5、半导体表面积累、耗尽、本征和反型的物理意义是什么？分析n型半导体和 p型半导体形成上述几种状态的条件，以图示意之。6、为什么二氧化硅层下面的p型硅表面有自行变为n型半导体的倾向？7、分别对n型衬底和p型衬底MOS结构，画出在外加偏压条件下MOS结构中 对应于载流子在积累、耗尽、强反型时能带和电荷分布图。8、画出MOS结构的等效电路，写出MOS的电容表达式（包括归一化电容的表 达式）。9、设在实际MOS结构中存在可动离子，固定电荷和金-半功函数差，说明每 种情况对MOS结构C - V特性的影响。10、在忽略界面态影响情况下，可以用什么实验方法测量MOS结构氧化层中固 定电荷与可动

48、电荷，说明试验方法及有关公式。11、用耗尽近似方法推导半导体表面耗尽层的表面势，厚度和空间表面电荷的 表示式。第九章异质结9.1异质结种类及其能带图本节内容：1、异质结种类1、1反型异质结1、2同质异质结1、3突变型异质结和缓变型异质结2、异质结的能带2、1突变反型异质结能带2、2突变同型异质结能带2、3考虑界面态时的能带3、突变反型异质结的接触电势差及势垒区厚度4、突变反型异质结的势垒电容课程重点：突变反型异质结平衡能带图：有两块半导体，一块禁带宽度小的p 型半导体材料，另一块是禁带宽度大的n型半导体材料。在形成异质结之前，p 型半导体的费米能级为Ef 1，n型半导体的费米能级为Ef2，后者

49、的位置高于前 者即归皿Efi。当这两块导电类型相反的半导体材料紧密接触形成异质结时，由 于n型半导体的费米能级位置较高，电子将从n型半导体流向p型半导体，同时 空穴在与电子相反反向流动，直至两块半导体的费米能级相等时为止。这时两块 半导体有统一的费米能级，即Ef = Ef 1 = Ef2。因而异质结处于热平衡状态。与 上述过程进行的同时，在两块半导体材料交界面的两边形成了空间电荷区（即势 垒区或耗尽层）。N型半导体一边为正空间电荷数等于负空间电荷数。正、负空 间电荷间产生电场，也称为内建电场。因为两种半导体材料的介电常数不同，内 建电场在交界面处是不连续的。因为存在电场，所以电子在空间电荷区中

50、各点有 附加电势能，使空间电荷区中的能带发生了弯曲。由于Ef2比Efi高，则能带总 的弯曲量就是真空电子能级的弯曲量，即qVD = qVD1 + qVD = E2 - E1显然 VD = VD1 + VD 2式中VD称为接触电势差（或称内建电势差、扩散电势）。它等于两种半导体材料 的功函数之差（W -W2 ）。而VD1,VD2分别为交界面两侧的p型半导体和n型半 导体中的内建电势差。由两块半导体材料的交界面及其附近的能带可反映出两个 特点：其一是能带发生了弯曲。N型半导体的导带底和价带顶的弯曲量为qVD2， 而且导带底在交界面处形成一向上的“尖峰”。P型半导体的导带底和价带顶的 弯曲量为qVD

51、i，而且导带底在交界面处形成一向下的“凹口”。其二。能带在交 界面处不连续，有一个突变。两种半导体的导带底在交界面处的突变气为p型 材料和n型材料的电子亲合能之差。突变同质异质结的能带：当两种不同的n型材料紧密接触形成异质结时，由 于禁带宽度大的n型半导体的费米能级比禁带宽度小的高，所以的将从前者向后 者流动。结果在禁带宽度小的n型半导体一边形成了电子的积累层，而另一边形 成了耗尽层。这种情况和反型异质结不同。对于反型异质结，两种半导体材料的 交界面两边都形成为耗尽层；而在同型异质结中，一般必有一边称为积累层。界面态对异质结能带的影响：若考虑到界面态的影响，则前面的各种异质结 的能带图必须进行

52、修正。从半导体材料的晶格结构方面考虑，引入界面态的一个 主要原因，是形成异质结的两种半导体材料的晶格失配。通常制造突变异质结时， 是把一种半导体材料在和它具有相同的或不同的晶格结构的另一种半导体材料 上生长而成。生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材料的晶格匹配情况有关。对于晶格常数为a和a，而且a (qVD -AE )。所以通过势垒的电流主要是电子电流，空穴电流可以忽略。在正 向电压下，电子电流主要是n区多数载流子越过势垒到达p区成为p区电子扩散 区的非平衡少数载流子An1(x) = n1(x)-n1，并形成一定的浓度梯度，向p区内部 扩散形成的扩散电流。求解扩散电流方法与第六章同

53、质结的方法完全相同。对正反向势垒的扩散膜可作类似的讨论。发射模型认为，在任何温度下，由于热运动，将有一部分载流子具有足够的 热运动能量克服势垒，从交界面一侧以热电子发射方式通过势垒而进入另一侧。 因此，可以应用第七章中贝特二极管理论求电流-电压关系。对于负反向势垒情 况，所得结果与扩散模型的结果式（9-63）完全一样。对于正反向势垒情况，只 需将扩散模型的式（9-69）中的系数qR / J/2改为qv2/2即可。这里v2禁带 宽度大的半导体中的多数在；载流子的热运动速度。发射-复合模型：这一模型认为，在交界面处存在着晶格被强烈扰乱的一薄 层，它产生许多界面态，使得以热发射方式克服了各自的势垒而

54、达到交界面处的 电子和空穴迅速复合。根据这一模型，p-n异质结称为p型半导体-金属的肖特 基势垒和金属-n型半导体的肖特基势垒串联的状态。结果，电流-电压特性完 全由电流值小的一方即势垒高度大的一方的肖特基势垒特性所决定。其正向电流 随电压按指数函数增大，这一结果和扩散模型及发射模型的结果一致。课程难点：隧道-复合模型：这一模型认为在异质结的交界面存在界面态，载流 子可通过界面态复合而产生复合电流。因此，该模型形成电流的途径主要有三个， 分别为：电子以隧道效应方式从n型半导体的导带通过势垒到达界面态的隧道 电子流；在界面态复合的电子流和空穴流；在价带越过势垒的空穴发射流和 扩散流。当然，载流子

55、的流动也可以是空穴以隧道效应方式通过p型半导体在交 界面处的势垒的隧道空穴流；电子以扩散或发射发射通过n型半导体在交界面处 的势垒的电子扩散流和发射流；也有在交界面两边的载流子都以隧道效应方式通 过各自的势垒的情形。突变同型异质结的电流输运机构不作重点介绍。基本要求：掌握突变反型异质结负反向势垒扩散模型的基本原理，能够定性说明 发射-复合模型的基本原理，对其它模型有所了解。9.3异质结在器件中的应用本节内容：1、异质结晶体管2、异质结光电二极管3、单异质结激光器4、双异质结激光器5、大光学腔激光器课程重点：单异质结激光器：这种激光器是用液相外延的方法，在n型砷化镓衬底上 外延生长铝镓砷的晶体制

56、成。制作单异质结时，在一定配比的镓、砷化镓、锌的 熔体中，加进一定量的铝。在外延生长铝镓砷晶体层时，熔体中的锌向n型砷化 镓中扩散形成p型砷化镓层，这种单异质结激光器的结构是在砷化镓p-n结的 p型砷化镓一侧上再生长一层p型铝镓砷半导体的三层结构。这三层半导体材料 的禁带宽度、折射率并不相同。这种激光器的优点是阈值低，效率高。其原因是 由于铝镓砷比砷化镓具有较宽的禁带宽度和较低的折射率。课程难点：无基本要求：对单异质结激光器有较清晰的认识；对异质结在半导体器件中的其它 应用有大致的了解。第九章思考题与自测题：1、何谓异质结？异质结如何分类？试以错和砷化镓为例，说明异质结的表示 法。2、何谓突变

57、异质结和缓变异质结？它们与同质的突变p-n结和缓变p-n结有何 区别？3、以晶格常数为a的金刚石结构为例，计算（111），（110），（100）的悬挂键密 度，并比较其大小。4、如何区分界面的原子面密度和悬挂键面密度，是否原子面密度大的悬挂键面 密度一定大？5、比较异质结与同质结的不同。根据异质结的独特性质，说明异质结的应用。6、为什么异质结的电流输运机构比同质结复杂得多？第十章半导体的光学性质和光电与发光现象10.1半导体的光学常数本节内容：1、吸收系数和吸收光谱1、1吸收系数1、2吸收光谱2、反射系数和透射系数2、1反射系数2、2透射系数3、折射率和消光系数课程重点：固体对光的吸收过程，通

58、常用吸收系数、消光系数和折射率来表征。光在媒质中传播时，光强度按指数规律exp（f x）衰减，a是与光强度无关的系数，称为媒质的吸收系数，它的单位是cm -1。-1表示光强衰减到原值的1/e时，光 a强深入到媒质以内的平均距离。对于明确的媒质，吸收系数的大小与光的波长有 关。吸收系数与波长的关系称为吸收光谱。对于吸收系数很大的情况，光的吸收 实际上集中在晶体很薄的表面层内。消光系数也是表征光能衰减的参数，它与吸 收系数存在内在联系，即两者成正比关系。光照射在媒质表面时，必然发生反射和折射。一部分光从表面反射，另一部 分光透射入媒质，进入媒质的光还可能有一部分从另一表面透出。通常把反射光 强与入射光强称为反射系数；透射光强与