第13讲金属-半导体接触和MIS结构.

8.异质结

异质结
1.突变反型异质结能带图（不考虑界面态）
导带底突变：ΔEc = χ1 − χ 2 价带顶突变：ΔE v = ( E g 2 − E g1 )－（χ1－χ 2） ΔEc + ΔEv = E g 2 − E g1
异质结 EF不一致载流子相对运动介电常数不同形成空间电荷区内建电场在交界面处不连续 D1 D2 能带弯曲，不连续
模型
发射－复合模型：热发射的电子和空穴通过界面态进行复合隧道模型：隧道效应隧道－复合模型：考虑了复合作用
2.突变同型异质结的电流输运结构
① 表面能级密度在1013cm-2以下，有扩散模型、发射模型、隧道模型，其结果与反型异质结类似。 ② 表面能级密度在1013cm-2以上，提出双肖特基二极管模型。
8
异质结
本章内容提要异质结及其能带图异质结的电流输运机构异质结在器件中的应用半导体超晶格
8.1 异质结及其能带图
同质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的结。（如第5章讨论的p-n结）
异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。反型异质结：导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成（如n-pGe-GaAs）同型异质结：导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成（如n-nGe-Si）
qVD = qV + qV
2.突变同型异质结能带图（不考虑界面态）不考虑两种半导体交界面处的界面态的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度以及功函数。
n-n
电子流动
电子耗尽层：禁带宽度大的一边
（与反型异质结不同）
费米能级不一致
电子积累层：禁带宽度小的一边
2.双异质结激光器

半导体物理学第六章解读

ND X D ND NA
1
Q=eND
Xn
2
0e
(
NDNA ND NA
)(VD
V
2 )
♦单边突变结:
XD
2
e
0
1
(VD V NB
)
2
♦势垒区主要在轻掺杂一边
• 对p+-n结, NB代表ND • 对p-n+结, NB代表NA
xn X D
xp XD
P+-n结
3. 突变结的势垒电容
电势
图6-8
电子势能(能带)
6.1.5p-n载流子的分布 ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
EV (x) EV qV ( x)
x x p , EC ( x) EC x xn , EC (x) EC qVD
♦势垒区的载流子浓度为:
EC qV ( x ) EF
• 反向偏压下的突变结势垒电容(单位面积):
1
CT A
dQ dV
2(
0eND NA
ND NA )(VD
V
)
2
CT 0
A XD
CT
(VD
1 V )1/ 2
• 几点说明:
① p-n结的势垒电容可以等效为一个平行
板电容器,势垒宽度即两平行极板的距离
② 这里求得的势垒电容, 主要适用于反向偏置情况
xn
NAXD ND NA
, xp
ND X D ND NA
• 代入上式
VD
q
2 0
( NAND ND NA
)
X
2 D
♦则，平衡p-n结
1
XD

半导体物理基础

物理与电子工程学院
原子的能级的分裂
原子能级分裂为能带
物理与电子工程学院
Si的能带（价带、导带和带隙〕的价带、导带和带隙〕
物理与电子工程学院
半导体的能带结构
导带 Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量的能带价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：带隙：导带底与价带顶之间的能量差
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半导体物理基础
课程考核办法 :
本课采用开卷笔试的考核办法。本课采用开卷笔试的考核办法。第九周安排一次期中考试。一次期中考试。总评成绩构成比例为：平时成绩10%；期总评成绩构成比例为：平时成绩；中考试45%；期末考试中考试；期末考试45%
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半导体物理基础
4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，在某处出现的几率是恒定不变的。在某处出现的几率是恒定不变的。（） 5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中、的差别。的差别。
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半导体中E（）半导体中（K）与K的关系的关系
在导带底部，值很小，在导带底部，波数 k = 0 ，附近 k 值很小，将 E (k ) 在 k = 0 附近泰勒展开
极高，杂质<1013cm-3
结构
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晶体结构
单胞
对于任何给定的晶体，对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元
注：（a）单胞无需是唯一的）
（ b）单胞无需是基本的）
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晶体结构

半导体物理学第二章-PPT

大家好
9
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 受主杂质受主能级
在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
大家好
11
受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中的B
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
大家好
12
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高，施主能级比导带底低，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
大家好
30
杂质在GaAs中的位置
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ族原子替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ族原子
大家好
31
IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。

半导体物理知识要点总结

第一章半导体的能带理论1. 基本概念✧ 共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不在局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。

✧ 单电子近似：假设每个电子是在大量周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。

该势场也是周期性变化的。

✧ 能带的形成：原子相互接近，形成壳层交替→电子共有化运动→能级分裂（分成允带、禁带）→形成能带✧ 能带：晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。

这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。

✧ 价带：P6✧ 导带：P6✧ 禁带：P5✧ 导体✧ 半导体✧ 绝缘体的能带✧ 本征激发：价带上的电子激发成为准自由电子，即价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。

✧ 空穴：具有正电荷q 和正有效质量的粒子✧ 电子空穴对✧ 有效质量：有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。

它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。

其大小由晶体自身的E-k 关系决定。

✧ 载流子及载流子浓度2. 基本理论✧ 晶体中的电子共有化运动✧ 载流子有效质量的物理意义：当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力f的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。

但是，要找出内部势场的具体形式并且求得加速度遇到一定的困难，引进有效质量后可使问题变得简单，直接把外力f 和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。

第二章半导体中的杂质与缺陷能级1. 基本概念✧ 杂质存在的两种形式：间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置。

替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。

半导体物理学刘恩科第七版

半导体器件
原子的能级的分裂
原子能级分裂为能带
半导体器件
Si的能带（价带、导带和带隙〕
半导体器件
半导体的能带结构
导带 Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量的能带
导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带
带隙：导带底与价带顶之间的能量差
半导体器件
自由电子的运动
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p E 2m0
i ( K r t )
2
p K E hv
(r, t ) Ae
半导体器件
半导体中电子的运动
薛定谔方程及其解的形式
V ( x) V ( x sa) d ( x) V ( x) ( x) E ( x) 2 2m0 dx ikx k ( x ) uk ( x ) e
EC
B
EA
EA EV
P型半导体
受主能级
半导体器件
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 EA，施主能级比导带底低 ED，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
考试90%
半导体器件
半导体物理学
一．半导体中的电子状态
二．半导体中杂质和缺陷能级
三．半导体中载流子的统计分布
四．半导体的导电性
五．非平衡载流子
六．pn结
七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构九．半导体异质结构
半导体器件
半导体概要

固体物理-7.7 金属--绝缘体--半导体和MOS反型层

—— 形成电子导电层
空间电荷区的载流子主要为电子，半导体内部的载流子为空穴，空间电荷层 —— 反型层
形成反型层时的能带 Ei是半导体的本征费密能级，EF是表面处的费密能级 —— 当EF在Ei之上时，电子的浓度大于空穴的浓度 —— 两者相等时，电子和空穴的浓度相等 —— 当EF在Ei之下时，电子的浓度小于空穴的浓度
—— 电子被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域 —— 有时称反型层称为沟道 —— P型半导体的表面反型层是电子构成的 —— N沟道
N沟道晶体管在P型衬底的MOS体系中增加两个N型扩散区
—— 源区S和漏区D，构成N沟道晶体管
1) 一般情况下：栅极电压很小，源区 S 和漏区 D 被 P 型区隔开，即使在SD之间施加一定的电压，由于 SP 和 DP 区构成两个反向PN结 —— 只有微弱的PN反向结电流
—— 集成电路应用
3) 正电压较小
—— 空穴被排斥，在表面处形成负电荷的耗尽层
—— 为屏蔽栅极正电压, 耗尽层具有一定的厚度 —— d ~ 微米量级 —— 空间电荷区
—— 空间电荷区存在电场，使能带发生弯曲
对空穴来说形成一个势垒
表面 —— x＝0相对于体内x>d的电势差 —— 表面势：Vs —— 栅极正电压增大时，表面势进一步增大 —— 表面势足够大时，有可能表面处的费密能级进入带隙的上半部 —— 空间电荷区电子的浓度将要超过空穴的浓度
MIS体系的机理金属层 —— 栅极氧化物(SiO2 ~ 100nm) 半导体接地
—— P型半导体
1) 在栅极施加电压为负时，半导体中的空穴被吸收到IS表面，并在表面处形成带正电荷的空穴积累层 2) 在栅极施加电压为正时，半导体中的多数载流子——空穴被排斥离开IS表面少数载流子—— 电离的受主电子被吸收表面处

(第一章)半导体物理ppt课件

下这些部分占满的能带中的电子将参与导电。由于绝缘
体的禁带宽度很大，电子从价带激发到导带需要很大能
量，所以通常温度下绝缘体中激发到导带去的电子很少，
导电性差；半导体禁带比较小（数量级为1eV），在通常
温度下有不少电子可以激发到导带中去，所以导电能力
比绝缘体要好。
最新课件
27
§1.3 半导体中电子（在外力下）的运动及有效质量
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒉波函数
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。自由粒子的波长、频率、动量、能量有如下关系
Eh P h k
即：具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当于频率为ν和波长为λ的平面波，二者之间的关系如同光子与光波的关系一样。
书中(1-13)
最新课件
16
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有如下形式：
k(x)uk(x)eikx 书中(1-14)
式中k为波数，u k ( x是) 一个与晶格同周期的周期性函数，即：
uk(x)uk(xna)
1.3.1半导体导带中E(k)与k 的关系
定性关系如图所示定量关系必须找出E(k)函数带底附近E（k）与k的关系
用泰勒级数展开可以近似求出极值附近的E(k)与k 的关系，以一维情况为例，设能带底位于k＝0，将 E(k)在E ( kk ＝) 0E 附(0 近) 按(d 泰d勒)E k k 级0k 数展1 2(开d d 2 ，E 2k )取k 0 至k2 k项2 ，得到
K=0时能量极小，所以(ddEk)k0k ，0因而