半导体物理第次课.pptVIP

半导体中的接触现象 半导体中的接触现象：半导体表面与环境欧姆接触(电极)肖特基势垒半导体异质结半导体-绝缘体界面 不匹配1、功函数；2、晶体结构；3、介电常数；4、 热学性能；4、机械性能 本章主要研究功函数不匹配引起的现象。 外电场中的半导体表面 假定半导体处于如图所示的外场中，金属板与半导体之间加一电场，电力线由金属到半导体表面。没有外场时，半导体表面能带平直，表面不带电荷。加上外场时，由于感应，在半导体表面感生出负电荷，其总量等于金属板上的电荷，类似与平板电容器。 屏蔽效应与空间电荷区 对金属而言，传导电子密度很高，所以电荷集中在表面极薄的一层内，大约为0.1纳米的量级． 对半导体而言，由于载流子密度较低，一般比金属中的电子密度低几个数量级，因此半导体不象金属那样对电场具有很强的屏蔽效应，而是在靠近表面的一定深度内产生一个空间电荷区。半导体中的电荷分布范围一般为几百埃至几千埃甚至更大。 空间电荷区的存在，使得半导体内部有电场存在，所以相应的产生一个电势分布，这个电势的存在将改变半导体中能级的位置。 能带弯曲 一般来说，金属与半导体间所加的电压大约0.1-10伏的数量级，所以相邻原子间的电压差很小，可以作为微扰处理(如果空间电荷区厚度为1000个原子层,则每个原子层分摊0.1mV-10mV)。 假定半导体的能带结构基本保持不变，则导带和价带相对体内来说整体有一个移动。 由于半导体与金属处于电连接状态，所以两者的费米能级应该相同，因此对空间电荷区内的电子来说，导带底及价带顶与费米能级的位置必然发生变化。 由于费米能级相对位置变化，必然导致空间电荷区的载流子浓度发生变化。 积累层 对于金属板加正电压的情形，我们假定样品为N型，则电子的电势变化为从表面至体内逐渐下降，即 。 所以能级变化为 。 即表面能级相对体内下降。所以导带底与费米能级的距离缩小，而价带顶与费米能级的距离增大。因此表面处电子浓度增加而空穴浓度减少，即发生所谓的电子积累。 耗尽层与反型层 如果改变金属板上所加电压的符号，即金属板加负电压，则情况刚好上面的相反，半导体表面电势相对体内降低； 表面电势降低导致表面能带升高，因此费米能级离开导带距离增大，表面电子浓度下降，即表面层中发生电子耗尽，而空穴浓度增加。 如果外加电压进一步增加，则表面电子进一步减少而空穴浓度进一步增加，当电压超过一定值后，表面空穴的浓度可以超过电子浓度，使得表面成为P型半导体，所以称为反型区。 P型半导体的情况 以上是对N型半导体的讨论情况，对P型半导体可以进行完全相似的讨论。只是电压的极性与讨论N型半导体 时相反。 积累层：金属板接负，能带向上弯曲，空穴积累； 耗尽层：金属板接正，能带向下弯曲，空穴耗尽； 金属板上正电压足够大时，表面电子浓度大于空穴浓度，形成反型层。 定量分析-N型半导体 根据泊松定律（高斯定律），得电场与电荷密度之间的关系式 由此可得 另外,空间电荷区内x处的电子浓度为 一般来说，原子尺度内能带的变化不大，即U较小，所以上式可以展开，即 假定:原先半导体处于杂质饱和电离状态，即Nd=n0。 加上外场后由于能带弯曲，电子浓度发生变化，但杂质离子的浓度无法改变，所以半导体内部出现净电荷 所以泊松方程变为 将此代入前面的方程，可以得到我们十分熟悉的通解，即 Debye长度=屏蔽长度 对于半导体，载流子浓度比金属的小几个数量级，而介电常数较大,例如n=1016，e=11，因此一般情况下半导体的屏蔽长度要比金属的大得多。 若样品较厚,则x很大时V=0，而表面处V=Vs，所以 半导体内部的电场强度为 空间电荷区内的电荷密度为 电子的势能为 电子的能带为  金属-半导体接触 当两种不同的物体相互电接触时，两者构成了一个系统。因此对于处于平衡态的系统来说，要求各自的化学势（费米能级）相同。 由于费米能级代表电子的填充情况，所以费米能级的变化必定引起电子在两个物体之间的流动。 或者说，由于原先两种物质内的传导电子能量不同（即费米能级不同），因此，接触后电子从能量高的一方流到能量低的一方，流出的一方能量降低，最后两者的费米能级达到一致。 半导体材料的功函数 功函数从固体向真空发射电子需要提供的最小能量称为逸出功或功函数。数值上等于真空能级与费米能级之差。 电子亲和势从导带底到真空能级的能量c=Ev-Ec称为电子亲和势。 半导体的功函数 N型半导体的功函数 本征电离区 杂质弱电离区 对于饱和电离区 P型半导体的功函数 对于P型半导体推导完全相似.根