异质结和MIS结构.

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,异质结和,MIS,结构,成龙,半导体异质结结构,以前讨论的pn结，是由导电类型相反的同一种半导体单晶体材料组成的，通常也称为同质结。而两种不同的半导体材料组成的结，则称为异质结。,本章主要讨论半导体异质结的种类、能带结构、,C-V,、,I-V,特性，并简单介绍一些应用。,根据两种半导体单晶材料的导电类型，异质结可分为以下两类：,1.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,p-nGe-GaAs,2.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-GaAs,异质结也可以分为突变型异质结和缓变形异质结两种。,1,、突变型异质结：两种半导体的过渡只发生于几个原子范围内；,2,、缓变型异质结：发生于几个扩散长度范围内。,半导体异质结结构的种类,如图表示两种不同的半导体材料没有形成异质结前后的热平衡能带图。有下标“1”者为禁带宽度小的半导体材料的物理参数，有下标“2”者为禁带宽度大的半导体材料的物理参数。,图1 形成突变pn异质结之前和之后的平均能带图,（1）突变反型异质结能带图,如从图中可见，在形成异质结之前，p型半导体的费米能级E,F1,的位置为,而n型的半导体的费米能级E,F2,的位置为,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高，电子将从n型半导体流向p半导体，同时空穴在与电子相反的方向流动，直至两块半导体的费米能级相等为止。,这时两块半导体有统一的费米能级，即,因而异质结处于热平衡状态。两块半导体材料交界面的两端形成了空间电荷区。n型半导体一边为正空间电荷区，p型半导体一边为负空间电荷区。正负空间电荷间产生电场，也称为内建电场，因为电场存在，电子在空间电荷区中各点有附加电势能，是空间电荷区中的能带发生弯曲。由于E,F2,比E,F1,高，则能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯曲量即,显然,处于热平衡状态的pn异质结的能带图如图1右图所示。,从图中看到有两块半导体材料的交界面即附近的能带可反应出两个特点：1.能带发生了弯曲。2.能带再交界面处不连续，有一个突变。,两种半导体的导带底在交界面的处突变 为,而价带顶的突变 为,而且,以上结果对所有突变异质结普遍适用。,如下图所示，突变np异质结能带图，其情况与pn异质结类似。,NP异质结能带图,（2）突变同型异质结的能带图,图,2,为均是n型的两种不同的半导体材料形成的异质结之间的平衡能带图；右图为形成异质结之后的平衡能带图。当两种半导体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，所以电子将从前者向后者流动。,图2：形成同型异质结前后的能带图,对于反型异质结，两种半导体材料的交界面两边都成了耗尽层；而在同型异质结中，一般必有一变成为积累层。,如下图所示，pp异质结在热平衡时的能带图。其情况与nn异质结类似。,实际上由于形成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电子亲和能及功函数的不同，能带的交界面附近的变化情况会有所不同。,以突变pn异质结为例，如图所示：,设p型和n型半导体中的杂志都是均匀分布的，则交界面两边的势垒区中 的电荷密度可以写成,突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度,势垒区总宽度为,势垒区内的正负电荷总量相等，即,上式可以化简为,设V(x)代表势垒区中x电的电势，则突变反型异质结交界面两边的泊松方程分别为：,将以上两式积分一次得,因势垒区外是电中性的，电场集中在势垒区内，故边界条件为,由边界条件得：,代入原式为,对以上两式继续积分得,在热平衡条件下，异质结的接触电势差V,D,为,而V,D,在交界面p型半导体一侧的电势差为,而V,D,在交界面n型半导体一侧的电势差为,在交界面处，电势连续变化，故,令V,1,(x,1,)=0，则V,D,=V,2,(x,2,)，并代入式,V,1,(X),、,V,2,(X),中得,因此，将D,1,、D,2,分别代入原式得,由V,1,(x,0,)=V,2,(x,0,)，即得接触电势差V,D,为,而,由式,得：,将上述两式代入,V,D,(x),得,从而算得势垒区宽度X,D,为,在交界面两侧，两种半导体中的势垒宽度分别为,将上述两式分别代入,V,D1,、,V,D2,中得：,得 V,D1,与V,D2,之比为,以上是在没有外加电压的情况下，突变反型异质结处于热平衡状态时得到的一些公式。若在异质结上施加外加电压V。可以得到异质结处于非平衡状态时的一系列公式：,以上所得公式，将下标1与2互换之后，就能用于突变np异质结。,突变反型异质结的势垒电容，可以用和计算普通pn结的势垒电容类似的,方法计算如下：,将,联立得,将外加偏压下,X,D,的表达式代入得,突变反型异质结的势垒电容,有微分电容C=dQ/dV，即可求的单位面积势垒电容和外加电压的关系为：,若结面积为A，则势垒电容为,将上式写成如下形式,可见， 与外电压V呈线性关系。而直线的斜率是,若已知一种半导体材料中的杂质浓度，则由斜率可算出另一种半导体材料中的杂质浓度。,突变同型异质结的若干公式,对于突变同型异质结，禁带宽度小的半导体一侧是积累层，禁带宽度大的半导体一侧是耗尽层。从电中性条件和泊松方程求得的接触电势差为超越函数。有关公式如下：,在 时，有,如图半导体异质pn结界面导带连接处存在一势垒尖峰，根据尖峰高低的不同有两种情况。上图表示势垒尖峰,低于p区导带底的情况，称为低势垒,尖峰情况，下图表示势垒尖峰高于p,区导带底的情况，称为高势垒尖峰,情况。,突变异质结pn结的电流电压特性,低势垒尖峰与高势垒尖峰情形,根据上述，低尖峰势垒情形是异质结的电子流主要有扩散机制决定，可用扩散模型处理，如下图中表示其正偏压时的能带图。p型半导体中少数载流子浓度n10与n型半导体中多数载流子浓度的关系为：,取交界面x=0，当异质结加正,向偏压V时,异质结正偏压时的能带图,在稳定情况下，p型半导体中注入少数载流子运动的连续性方程为,其通解为,由边界条件，,x=-,时，,n(-)=n,10,，得,A=0,；当,x=-x,1,时，将,n,1,(-x,1,),代入上式有：,从而求得电子扩散电流密度,上式为由n型区注入p型区的电子扩散电流密度，以下计算由p型区注入n型区的空穴电流密度。从p区价带顶的空穴势垒高度为,在热平衡时n型半导体中少数载流子空穴的浓度与p型半导体中的空穴浓度关系,正向电压V时在n区x=x,2,处的空穴浓度增加为,与前面相同，求解空穴扩散方程，从而求得空穴扩散电流密度,由上述,J,n,、,J,p,可得外加电压，通过异质pn结的总电流为,上式证明正向电压时电流随电压按指数关系增加。,对于高尖峰势垒情形，如图所示，通过异质结的电流是由发射,机制控制的，以下用热电子发射模型计算其电流密度。,设,n,区电子热运动平均速度为：,则单位时间从n区撞击到势垒处单位面积,上的电子数为：,图：高尖峰势垒情形,故由n区注入p区的电子电流密度,同理得到从p区注入n区电子流密度为,得到,总电流密度,由于异质结情况的复杂性，上式也只得到了小部分异质结实验结果,的证实。正向电压时，主要由从n区注入p区的电子流形成，则,说明发射模型也同样得到正向时电流随电压按指数关系增加。,不能用于加反向电压的情况。,异质pn结的应用,对于,NPN,型双极型晶体管，其结构如图所示，发射结效率定义为,NPN型双极型晶体管结构,式中J,n,和J,p,分别表示由发射区注入基区的电子电流浓度和由基区注入发射区的空穴电流密度，当 接近于1时，才能获得高的电流放大倍数。对于同质结的双晶体管，为了提高电子发射效率，发射区的掺杂浓度应较基区掺杂浓度高几个数量级，这就限制了基区掺杂浓度不能太高，增加基区的电阻，而为了减小基区电阻，基区宽度就不能太薄，影响了频率特性的提高。,采用宽禁带n型半导体和窄禁带p型半导体形成的异质结作为发射结，则获得高的注入比和发射效率，使基区厚度大大减薄，从而大大提高晶体管的频率特性。使用这种结构制作的双极晶体管称为异质结双极晶体管。,由前面分析，可得异质pn结电子电流与空穴电流的注入比为,在p区和n区杂质完全电离的情况上式可表为：,其中,E=E,C,+E,V,式中,D,n1,、,D,n2,及,L,p2,、,L,n1,相差不大，都在同一数量级，而,可远大于,1,，由式中可以看出，即使,p,区掺杂浓度很大，仍看,可以得到很大的注入比。,以宽禁带n型 和窄禁带p型GaAs组成的pn结为例，其禁带宽,度之差 ，设p区掺杂浓度为 ，n区掺杂浓度,为 。,由上式可得,这表明即使禁带宽n区掺杂浓度较p区低近两个数量级，但注入比仍可,高达 ，异质pn结的这一高注入特性是区别于同质pn结的主要,特点之一，也因此得到重要应用。,MIS,结构及其应用,场效应晶体管（英语：,field-effect transistor,，缩写：,FET,）是一种通过电场效应控制电流的电子元件。它依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性。场效应管工作的关键部分为金属,绝缘层,半导体,(MIS),接触的结构，如下图所示：,金属对应的电极为栅极，其外加偏压,为,V,G,。当,V,G,=0,时，该结构的能带,结,构如,图,所示,：,MIS,接触平衡时的能带结构,随着金属与半导体之间所加偏压,V,G,的变化，其能带结构呈现出,以下,不同的状态。,（,1,）多数载流子堆积状态（积累层）,V,G,0,时，表面处空穴被排斥走，当空穴势垒足够高时，表面层价带空穴极为稀少，可认为该层多子空穴被耗尽，称为耗尽层。,（,3,）少数载流子反型状态（反型层，,V,G,0,）,开始出现反型层的条件：,强反型层出现的条件：型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。,强反型层条件：,E,f,-E,is,=E,i0,-E,f,当外加电压继续增大，能带继续向下弯曲，表面处的少数载流子浓度等于体内的多数载流子浓度时，能带发生强反型。此时，表面耗尽层宽度达到一个极大值，不再随外加电压的增加而增加，这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用。,实际应用,MIS,结构的主要应用为场效应晶,体管,FET,。场效应管的应用非常,广泛，可应用于放大电路,、,用作,可变电阻,、,恒流源,，还,可以用作,电子开关,等,。,用作,MOSFET,时，,其结构如图所示：,MOSFET,结构,如图所示，衬底引线和源极接地，,栅极和漏极接正向偏压。当栅极,电压较小时，,p,型衬底和氧化层的,界面处尚未达到反型，源极和漏,极未导通；随着栅极正向偏压的,增大，,p,型衬底达到反型，在衬底,表面处形成,n,型沟道，使得场效应,管源极和漏极导通而通过反型沟,道导电。这一原理可用作电子开,关。,MOSFET,结构,此时，当,V,DS,较小时沟道区具有电阻的特性，因此可得：,其中沟道电导：,1,、对于较小的,V,DS,，当,V,GS,V,T,时，沟道反型层电荷密度增大，从而增大沟道电导。,g,d,越大，图中的,I,D,-V,DS,的特性曲线的斜率也越大。如图中的曲线,(2),所示。,3,、当,V,DS,增大时，由于漏电压,增大，漏端附近的氧化层压降减,小，即漏端附近的反型层电荷密,度也减小。漏端沟道电导减小，,从而,I,D,-V,DS,的特性曲线斜率减小，,如图中,ab,段所示。,4,、当,V,DS,增大到漏端的氧化层压降等于,V,T,时，漏极处的,反型层电荷密度为零，此时漏,极处的电导为零，即,I,D,-V,DS,的,特性曲线斜率为零，如图中,b,点,所示。,5,、当,V,DS,继续增大，漏端氧化,层的压降小于,V,T,时，沟道中反,型电荷为零的点移向源端。这时,，电子从源端进入沟道，通过沟,道流向漏端。在电荷为零的点处，,电子被注入空间电荷区，并被电,场推向漏端。假设沟道长度的变,化很小，此时漏电流为一常数。,这种情形在,I,D,-V,DS,的特性曲线中对应于饱和区，如图,bc,段所示。,MIS,结构的另一个应用是结型场效应晶体管,(JEFT),。该晶体管应用的是,pn,结反偏时耗尽区的扩展对沟道的夹断作用。,JEFT,的结构如下图所示。,结型场效应管的基本结构,如图所示，当源极,S,接地，在漏极加上一个小的正电压，则在源漏极间就产生了一个漏电流,I,D,此时,n,沟道实际是一个电阻。当给栅极与漏极加上一个反向电压差后，对于栅极与漏极之间形成的,pn,结将构成反偏，随着反向偏压的增大，栅极与漏极之间,pn,结的耗尽层将展宽，最终,N,型沟道将被空间电荷占据的耗尽层夹断，此时源漏极之间几乎没有电流。当,JEFT,开始夹断时的状态如下图所示，虚线表示其耗尽层。,JEFT,夹断时的结构,内容总结,异质结和MIS结构。如图表示两种不同的半导体材料没有形成异质结前后的热平衡能带图。而n型的半导体的费米能级EF2的位置为。处于热平衡状态的pn异质结的能带图如图1右图所示。实际上由于形成异质结的两种半导体材料的禁带宽度、电子亲和能及功函数的不同，能带的交界面附近的变化情况会有所不同。设V(x)代表势垒区中x电的电势，则突变反型异质结交界面两边的泊松方程分别为：。以上是在没有外加电压的情况下，突变反型异质结处于热平衡状态时得到的一些公式。则单位时间从n区撞击到势垒处单位面积。使用这种结构制作的双极晶体管称为异质结双极晶体管。场效应管工作的关键部分为金属绝缘层半导体(MIS)接触的结构，如下图所示：。随着金属与半导体之间所加偏压VG的变化，其能带结构呈现出以下不同的状态。强反型层出现的条件：型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。gd越大，图中的ID-VDS的特性曲线的斜率也越大。JEFT夹断时的结构,