第3章 金属半导体与异质结PPT课件
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金属半导体和半导体异质结高级课件.ppt
xn eNd dx
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1 2
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)
B0
取金属的电势为0势能点
W
xn
[
2
sVbi
]
1 2
eN d
类比p精+编n课件单边突变结得出
17
结电容：
C 0 s [ e s Nd
1
]2
W 2(Vbi VR )
( 1 )2 2(Vbi VR )
主要取决于多数载流子。肖
特基二极管的基本过程是电
子运动通过势垒。这种现象
可以通过热电子发射理论来
解释。热电子发射现象基于
势垒高度远大于kT这一假定。
精编课件
29
Js m是电子从半 导体扩散到金属 中的电流密度，
Jm s是电子从金 属扩散到半导体 中的电流密度。
精编课件
30
假定x坐标垂直于MS界面并指向半导体方向。
结论：M<s形成欧姆接触 实际要形成欧姆接触时，要求半导体重掺杂，使空间电荷层 很薄，发生隧道穿透。
精编课件
43
9.2 金属半导体的欧姆接触
精编课件
44
9.2 金属半导体的欧姆接触
金属与P型半导体接触：m> s
精编课件
45
9.2 金属半导体的欧姆接触
• 由于半导体表面态的存在，假定半导体能带隙的 上半部分存在受主表面态，那么所有受主态都位 于EF之下，如图9.11b.这些表面态带负电荷， 将使能带图发生变化。
金半接触与异质结
半导体器件物理
重掺杂
半导体器件物理
异质结
半导体器件物理
不同的半导体材料构成的界面
一、异质结及其能带
1、分类 p-n Ge-GaAs p-n Ge-Si 导 电 类 型 反型异质结 变 化 快 慢 突变型 缓变型
不同材料间的过渡发生 于几个原子的距离内
同型异质结
n-n Ge-Si n-n Ge-GaAs
• 半导体表面耗尽层电荷密度QSC
QSC 2q S N DVbi 2q S N D ( Bn Vn )
• 界面层电势降落
QM
i
m ( Bn )
半导体器件物理
• 势垒高度的一般表达式
Bn
S C1 ( m ) (1 C1 )( 0 ) C1C 2 q i
EF 0.2 0.4 0.6 0.8 1
耗尽层厚度 xd
Energy (eV)
-0.4 -0.2 -0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.4 -0.2 -0.2
Ec
m Distance (µm)
势垒变薄 隧穿加剧
EF 0.2 0.6 m Distance (µm) 0.4 0.8 1
Ec
qV
EF Ec
场致发射
重掺杂，简并
Ev
半导体器件物理
. 3 5
. 3 0
1 e + 5
Jtunelig (A/M 2)
隧穿势垒
. 2 5
1 e + 4
Jtunelig /J TE
. 2 0
. 1 5
1 e + 3 2 . 0 e + 8 4 . 0 e + 8 6 . 0 e + 8 8 . 0 e + 8 1 . 0 e + 9 S q r t ( N d )
半导体光电材料基础-4PPT课件
：电子的亲和能
W：电子的功函数 Eg：禁带宽度
两种半导体紧密
接触时，电子
（空穴）将从
n(p)型半导体流
向p(n)型半导体，
直至费米能级相
P型
N. 型
等为止。
5
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）
交界面两边形成空间电 荷区(x1-x2)，产生内建电 场。
EcEv0.76eV
交界面两侧半导体中的 内建电势差VD1,VD2由掺 杂浓度、空间电荷区 （势垒区）宽度和相对 . 介电常数共同决定。 8
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(np) 异质结能带图
N型
P型
形成异质结前
.
N型
P型
形成异质结后 9
5.1 异质结及其能带图
异质结具有许多同质结所所不具有的特性，往往具 有更高的注入效率。
反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料构成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge与n型GaAs）
同型异质结：由导电类型相同的两种不同的半导体 单晶材料构成。如：n-nGe-GaAs（n型Ge和n型GaAs）
异质结的能带图对其特性起着重要作用。在不考虑
导带阶 Ec 12
价带阶
E v E g 2 E g 1 1 2
E c E vE g2E g1
以上式子对所有突变异
P型
N型.
质结普适 7
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变p-nGe-GaAs异质结能带图
n-GaAs
Ec 0.07eV
Ev 0.69eV
金属与半导体讲解.pptx
0 VD sat
VD
ID ID sat
第19页/共30页
VG 0 VG 1V
(d ) VG 1且小的VD
的 这 的
V qN2 a V V 定
值初V是D当时始因而加V，电为言GVVVGGG入VV耗流沟G，G反100尽比道V沟P100WV向P区V的W道DG栅将s=截就at极0接面a像时Pa偏触PV积是VDV的DVIV压D到DVDVDD减VD电D初VD时半VD0DV小0D阻V始s0Dsa，s0D绝tasta的s2器t电at耗缘IDII关一流IDDs尽DII衬assDDt000saa系般a来ttsstb区000aa底ttiIII。得，DDD宽IIIVV．DDDDDVV如小但ssDD度此aaVttssGVaa图G。是VttWG时VG夹饱G(当具夹饱随断和Vd01断V和0V)D1有之V所值DVVV较DD增增VV示D为VDD((D高d(加c加b(，())(d(c)aVVb))V的至)。)(GGVVVGVVV(GGDGGV阻G某对0D=0且10且V且值0一较0且1-且为且DV且为小1s为D特，小a小夹为小夹tVs的)a夹断的夹t的断)V断后V断DV时D后D时
电流也维持不变，V这D 是VD因sat 为在沟道中，由源极(b) 到VG P0点且为夹断时
的 基
电 本
上压V维降G 持维0 在持I不Ds变at，。且当与漏V极DID无电s0at 关压IDV。大D sat
于
V
Ds
aVtD时
，
电
流
P
VD VD sat
饱和
(c) VG 0且为夹断后 (VD VDsat )
栅极
漏极
物半导体制成的(如砷化镓)，
因为它们具有较高的电子迁移
n型
率，可以减小串联电阻并且具
半导体物理学复习讲义 引论~第三章
1.3晶向和晶面
晶体各向异性 将布拉维格子看成互相平行等距的直线族 每一直线族定义一个方向，称为晶向 如沿晶向的最短格矢为
l1a1 l2a2 l3a3
该晶向可记为：
l1, l2 , l3
1.3晶向和晶面
将布拉维格子看成互相平行等距的平面族，也称为晶面 如某平面族将基矢分成
1. 恒量 2. V为正空间体积
考虑自旋，k空间态密度：
状态密度定义
单位能量间隔内的状态数目：
考虑自旋，k空间态密度：
E-k 关系
能量空间状态密度
能量变化 dE
k状态变化 dk
k空间体积变化 dΩ
状态数变化 dZ
球形等能面状态密度求解
导带E- k关系：
k k0
E E dE
k k dk
1.1半导体的晶格结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动
有效质量 空穴
1.4本征半导体的导电机构
1.5回旋共振
1.6硅和锗的能带结构 1.10宽禁带半导体
1.1.1金刚石结构和共价键
特点：
每个原子和周围的4个最近邻原子形成一个正四面体
顶角原子和中心原子形成共价键
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
电子壳层：1s,2s,2p,3s,3p,3d,4s
……
电子的共有化运动
最外层电子的共有化运动最为显著
公有化运动导致简并能级出现分裂
由于原子数量巨大，分裂后能级之间差距微小，形
成能带，称为允带
S:非简并态， P:三重简并
1.2.1原子的能级和晶体的能带 几个名词：
三、原子结合类型
2022-2023学年高二物理课件：金属半导体结
构以集成电路的形式实现的。铝在轻掺杂的 N 型集电区上
而形成极好的肖特基势垒，并同时在重掺杂的 P 型基区上
面形成优良的欧姆接触。
为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接 触？
答：若半导体为重掺杂（例如，具有 1019 cm3 或 更高的杂质浓度时），则空间电荷层宽度变得如 此之薄，以至载流子可以隧道穿透而不是越过势 垒。由于在势垒每边的电子都可能隧道穿透到另 一边，因此实现了在正反向偏压下基本上对称的
当有外加电压时，
nS
N e b V VT c
由气体动力论，单位时间入射到单位面积上的电子数即进 入运金动属 速的度电，子m数为为电子14 n有S vt效h，质式量中。vt于h 是8km电T 为子热从电半子导的体平越均过热势 垒向金属发射所形成的电流密度为
J SM
qNc vth e ¢b V VT 4
到热电子发射理论的电流—电压关系
J RT e2 b VT eV VT 1
J R * T 2e b VT
R* 4m * qK 2 h3
I V 曲线。因此势垒是非整流的，并有一低电
阻。
二 重要推导
导出肖特基二极管I-V特性
解：对于非简并化情况，导带电子浓度和价带空穴浓度如
下：
n ni eEF Ei KT
p
n eEi EF i
KT
在半导体内部，设本征费米能级为 Ei0 ，则热平衡时半导
体内部的载流子浓度为
n0
n eEF Ei0 KT i
画出加偏压肖特基势垒能带图，说明肖特基势垒二极管
的整流特性
解： 若在半导体上相对于金属加一负电压 V ，则半导 体—金属之间的电势差减少为 0 V ，半导体中的电子 能级相对金属的向上移动 qV ，势垒高度则由 q 0变
而形成极好的肖特基势垒，并同时在重掺杂的 P 型基区上
面形成优良的欧姆接触。
为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接 触？
答：若半导体为重掺杂（例如，具有 1019 cm3 或 更高的杂质浓度时），则空间电荷层宽度变得如 此之薄，以至载流子可以隧道穿透而不是越过势 垒。由于在势垒每边的电子都可能隧道穿透到另 一边，因此实现了在正反向偏压下基本上对称的
当有外加电压时，
nS
N e b V VT c
由气体动力论，单位时间入射到单位面积上的电子数即进 入运金动属 速的度电，子m数为为电子14 n有S vt效h，质式量中。vt于h 是8km电T 为子热从电半子导的体平越均过热势 垒向金属发射所形成的电流密度为
J SM
qNc vth e ¢b V VT 4
到热电子发射理论的电流—电压关系
J RT e2 b VT eV VT 1
J R * T 2e b VT
R* 4m * qK 2 h3
I V 曲线。因此势垒是非整流的，并有一低电
阻。
二 重要推导
导出肖特基二极管I-V特性
解：对于非简并化情况，导带电子浓度和价带空穴浓度如
下：
n ni eEF Ei KT
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KT
在半导体内部，设本征费米能级为 Ei0 ，则热平衡时半导
体内部的载流子浓度为
n0
n eEF Ei0 KT i
画出加偏压肖特基势垒能带图，说明肖特基势垒二极管
的整流特性
解： 若在半导体上相对于金属加一负电压 V ，则半导 体—金属之间的电势差减少为 0 V ，半导体中的电子 能级相对金属的向上移动 qV ，势垒高度则由 q 0变
半导体物理异质结解析PPT课件
第13页/共30页
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
第15页/共30页
低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
第2页/共30页
pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
第18页/共30页
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
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低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
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pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
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《半导体光电子学课件》下集2.1异质结及其能带图
将异质结泡在溶液中，在合适的条件下生长形成异质结材料。
异质结效应
拉克特效应
异质结的巨拉克特效应提供了 高灵敏度和高速度的光电转换。
异பைடு நூலகம்结电阻效应
由于材料性质差异带来的电阻 变化，用于电子器件中的控制 和调节。
热电效应
利用异质结在温度梯度下产生 的热电势差实现能量转换。
异质结失效机制
惯性效应
当异质结材料无法快速响应外界变化时，会产 生失效。
通过施加电场，改变异质结的 材料电位差，形成能带结构的 变化。
外界压力作用下的形 成
外界压力对异质结材料的物理 和结构性质的影响，使能带发 生变化。
掺杂作用下的形成
通过对材料进行掺杂，引入杂 质能级，改变能带结构。
异质结应用
1 光伏电池
异质结是光伏电池的关键构件，转换太阳能 为电能。
2 激光器
异质结的能带结构和电子能级分布是激光器 实现激光输出的基础。
损耗效应
由于能带结构和电子能级的变化，异质结材料 会发生能量损耗。
串扰效应
异质结中的电场和电子状态相互影响，导致器 件性能下降。
失效测试方法
通过对异质结性能的测试和分析，判断异质结 是否失效。
总结
异质结的重要性
异质结在半导体器件中起着重要的作用，广泛应用 于光电子学领域。
展望其未来的应用
随着技术的不断发展，异质结将在能源、通信和信 息等领域有更广泛的应用。
能带结构
能带简介
能带描述了材料中电子的能量分 布情况，直接影响半导体的导电 性能。
能带在异质结中的分布
异质结中的能带分布受到材料性 质差异的影响，形成能带弯曲或 偏移。
常见异质结的能带图
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eN d
( 1 )2 2(Vbi VR)
C
e x Nd
3
Figure 9.2
反偏与正偏电压下的肖特基势垒的能带图
4
3. 影响肖特基势雷高度的非理想因素 (1) 肖特基效应– 势垒的镜像力降低效应
5
势垒的镜像力导致 肖特基势垒的降低
xm
e 16 s E
eE 4 s
6
(2)其他相关因素的影响：表面态的影响
第三章 金属半导体与半导体异质结
1
3.1 肖特基势垒二极管 1. 性质上的特征
金属元素的功函数和半导体的亲和能
元素 Ag, 银 Al，铝 Au，金 Cr，铬 Mo，钼 Ni，镍 Pd，钯 Pt，铂 Ti，钛 W，钨
功函数，
4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
Thank You
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
22
7
4. 电流-电压关系
J s m
e
E
' c
v
x
dn
dn
4
(2
m
* n
)3/2
h3
E E c exp[
( E E F ) ]dE kT
J J s m J m s
[ A *T 2 exp( e n )][exp( eV a ) 1 ]
kT
kT
J sT [exp(
eV a ) 1 ] kT
高掺杂浓度的半导体 依赖于掺杂浓度，隧穿为主
2 R c exp[
s
m
* n
•
Bn ] Nd
15
3.3 半导体异质结
1. 不同的半导体材料组成的结 （1）具有不同的禁带宽度，结能带不连续 （2）两种材料的晶格常数匹配或接近
16
2. 能带图 nP结接触前的能带图
17
nP结热平衡下的能带图
18
nN结热平衡下的能带图
J sT A *T 2 exp(
en ) kT
A*
4 em
* n
k
2
h3
8
正偏电流与电压的关系
9
5. 肖特基二极管与pn结二极管的比较
pn结的反偏 电流密度 10-7A/cm2, 较肖特基势 垒二极管的 反向饱和漏 电流小2-3 个数量级。 并具有较大 的开启电压
10
3.2 金属半导体的欧姆接触 1. 理想的非整流接触势垒
半导体 Ge Si GaAs AlAs GaN ZnO 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC C
亲和能
4.13 4.01 4.07 3.5 4.2 4.35 3.92 4.07 4.05 4.0
2
2.理想结的特性 肖特基势垒
内建电势差
B0 (m ) Vbi B0 n
W
xn
[2s (Vbi VR )]1/211Βιβλιοθήκη 偏压下的欧姆接触12
金属与p-半导体的欧姆接触
13
2. 隧道效应
14
宽带隙半导体的欧姆接触实现的困难
低掺杂浓度的半导体 依赖于势垒高度，热发射为主
J [ A *T 2 exp( e n )][exp( kT
( kT ) exp( e Bn )
Rc
e
kT
A *T 2
eV a ) 1] kT
19
3. 异质结二维电子气
20
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
21
( 1 )2 2(Vbi VR)
C
e x Nd
3
Figure 9.2
反偏与正偏电压下的肖特基势垒的能带图
4
3. 影响肖特基势雷高度的非理想因素 (1) 肖特基效应– 势垒的镜像力降低效应
5
势垒的镜像力导致 肖特基势垒的降低
xm
e 16 s E
eE 4 s
6
(2)其他相关因素的影响：表面态的影响
第三章 金属半导体与半导体异质结
1
3.1 肖特基势垒二极管 1. 性质上的特征
金属元素的功函数和半导体的亲和能
元素 Ag, 银 Al，铝 Au，金 Cr，铬 Mo，钼 Ni，镍 Pd，钯 Pt，铂 Ti，钛 W，钨
功函数，
4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
Thank You
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
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4. 电流-电压关系
J s m
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[ A *T 2 exp( e n )][exp( eV a ) 1 ]
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J sT [exp(
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高掺杂浓度的半导体 依赖于掺杂浓度，隧穿为主
2 R c exp[
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Bn ] Nd
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3.3 半导体异质结
1. 不同的半导体材料组成的结 （1）具有不同的禁带宽度，结能带不连续 （2）两种材料的晶格常数匹配或接近
16
2. 能带图 nP结接触前的能带图
17
nP结热平衡下的能带图
18
nN结热平衡下的能带图
J sT A *T 2 exp(
en ) kT
A*
4 em
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k
2
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8
正偏电流与电压的关系
9
5. 肖特基二极管与pn结二极管的比较
pn结的反偏 电流密度 10-7A/cm2, 较肖特基势 垒二极管的 反向饱和漏 电流小2-3 个数量级。 并具有较大 的开启电压
10
3.2 金属半导体的欧姆接触 1. 理想的非整流接触势垒
半导体 Ge Si GaAs AlAs GaN ZnO 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC C
亲和能
4.13 4.01 4.07 3.5 4.2 4.35 3.92 4.07 4.05 4.0
2
2.理想结的特性 肖特基势垒
内建电势差
B0 (m ) Vbi B0 n
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[2s (Vbi VR )]1/211Βιβλιοθήκη 偏压下的欧姆接触12
金属与p-半导体的欧姆接触
13
2. 隧道效应
14
宽带隙半导体的欧姆接触实现的困难
低掺杂浓度的半导体 依赖于势垒高度，热发射为主
J [ A *T 2 exp( e n )][exp( kT
( kT ) exp( e Bn )
Rc
e
kT
A *T 2
eV a ) 1] kT
19
3. 异质结二维电子气
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写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
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