半导体光电材料基础glearningtjueducn.ppt

课程主要内容： 第一章 半导体光电材料概述 第二章 半导体物理基础 第三章 PN结 第四章 金属-半导体结 第五章 半导体异质结构 第六章 半导体太阳能电池和光电二极管 第七章 发光二极管和半导体激光器 第八章 量子点生物荧光探针 第三章 PN结 课程主要内容： 第一章 半导体光电材料概述 第二章 半导体物理基础 第三章 PN结 第四章 金属-半导体结 第五章 半导体异质结构 第六章 半导体太阳能电池和光电二极管 第七章 发光二极管和半导体激光器 第八章 量子点生物荧光探针 第四章 金属-半导体（M-S）结 非整流结不论外加电压的极性如何都具有低的欧姆压降而且不呈整流效应。所有半导体器件都需要用欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。 到70年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有重复性的金属-半导体接触，使金属-半导体结器件获得迅速的发展和应用。 引言 金属-半导体器件中最主要包括：肖特基势垒二极管、肖特基势垒场效应晶体管。 金属-半导体结器件是形成金属-半导体器件的基础。历史上，第一个实用的半导体器件是金属－半导体二极管。 4.1 肖特基势垒 4.1.1 肖特基势垒的形成 －半导体功函数 －金属的功函数 －半导体的电子亲和势 假设半导体表面没有表面态，半导体能带直到表面都是平直的。 E0：真空能级 接触后，半导体中的电子转移到金属，使二者的费米能级拉平。半导体表面出现带正电的空间电荷层，金属表面出现带负电的空间电荷层。 对于从金属流向半导体的电子，需跨越势垒高度： 或 其中： 4.1 肖特基势垒 4.1.1 肖特基势垒的形成 金属表面空间电荷层很薄（约0.5nm）；半导体的空间电荷层相对要厚很多。 热平衡时，半导体的能带向上弯曲，形成阻止半导体电子流向金属的势垒——内建电势差： 肖特基势垒 金属 半导体 4.1.2 加偏压的肖特基势垒 正向偏压：在半导体上相对于金属加一负电压 半导体-金属之间电势差减少为 ， 变成 4.1 肖特基势垒 未加偏压 正向偏压 金属一侧空间电荷层很薄，?b基本保持不变。 金属费米能级比半导体费米能级低qV。 半导体一边势垒降低使得半导体中的电子更易于移向金属，能够流过大的电流。 金属 半导体 金属 半导体 4.1.2 加偏压的肖特基势垒 反向偏压：在半导体上相对于金属加一正电压 半导体-金属之间电势差增加为 ， 变成 4.1 肖特基势垒 未加偏压 反向偏压 金属一侧空间电荷层很薄，?b基本保持不变。 金属费米能级比半导体费米能级高qVR。 金属到半导体的电子流占优势，但需越过较高势垒，反向电流很小，具有饱和性质。 金属 半导体 金属 半导体 肖特基势垒具有单向导电性即整流特性。 * * 3.1 PN结的形成和杂质分布 结（junction）：任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触（原子级接触） ，有时也称为接触（contact）。 PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触所形成的结构。它是几乎所有半导体器件的基本单元。 半导体结有同型同质结（如P-硅和P-硅）、同型异质结（P-硅和P-锗）、异型同质结（如P-硅和N-硅）、异型异质结（如P-硅和N-锗）。 制备PN结的主要技术是硅平面工艺，主要包括：离子注入工艺、扩散工艺、外延工艺、光刻工艺、真空镀膜技术、氧化技术以及测试、封装工艺。 采用单晶硅材料制作PN结的主要工艺过程 采用单晶硅材料制作PN结的主要工艺过程 3.1 PN结的形成和杂质分布 形成PN结最普遍的方法是杂质扩散。 在实际问题中，扩散结通常用突变结和线性缓变结来近似地描述。 突变结：P区和N区杂质过渡陡峭。 线性缓变结：两区之间杂质过渡是渐变的。 单边突变结：一侧的杂质浓度远远大于另一侧杂质浓度的突变结。 3.2 热平衡PN结 PN结空间电荷区 当电中性的N型和P型半导体结合形成PN结时，由于它们之间存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从P区到N区、电子从N区到P区的扩散运动。 电子和空穴的转移在N型和P型各别分别留下固定的施主离子和受主离子，建立了如图的两个电荷层。这些荷电的施主离子和受主离子称为空间电荷。 内建电场：N?P 3.2 热平衡PN结 PN结能带图 P N 形成PN结时，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区，P区费米能级不断上移，N区费米能级不断下移，直到两区的费米能级相等为止，PN结处于平衡状态。 空间电荷区也称势垒区。 3.2 热平衡PN结 内建电场 使载流子向与扩散运动相反的方向做漂移运动。 热平衡时，载流子的漂移电流和扩散电流互相抵