《流子的行为问答》PPT课件.ppt

《《流子的行为问答》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《流子的行为问答》PPT课件.ppt（140页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、物理效应第一章 载流子的行为,形成电流的必要条件是要具备载流子，金属导电的载流子是自由电子，半导体导电的载流子是电子与空穴，电解质溶液的载流子是正、负离子。本章将介绍不同物质接触时，载流子的动向；载流子如何越过能垒、掉入陷阱；电子空穴如何相互作用形成新的准粒子以及电场到它们行为的影响；电场可能使某些区域的电子耗尽，另一些地方却积累。载流子表现出来的各种效应，在半导体器件、传感器等的制造中非常有用，有的还关系到现代尖端技术。,第一节 接触电效应,两种不同材料接触视目的不同有很多方式，如焊接、合金化、扩散、氧化、真空镀膜等。因为它们可以有不同的相，不同的晶态结构、电子结构，所以在其界面上几乎不可避

2、免地要形成空间电荷区，由此引起两种材料单独存在时所没有的新的电效应。金属、半导体、电解液都可“导电”，它们的载流子产生分别为电子、电子和空穴、离子。这里选取的这几种导电物质的接触不论从原理上还是从应用上都具有代表性，它们是：金属金属、金属半导体、金属电解液、P型半导体N型半导体、金属氧化物半导体接触，金属绝缘体金属。我们拟从以上接触的微观机制出发定性地讨论宏观可见的物理效应，主要应用量子力学和固体物理的能带理论。,一、金属一金属接触,1.金属中价电子的能量,量子力学建立以后，人们认识到，金属中价电子“气体”并不服从经典统计的玻耳兹曼分布(当有保守外力(如重力场、电场等)作用时，气体分子的空间位

3、置就不再均匀分布了，不同位置处分子数密度不同。玻耳兹曼分布律是描述理想气体在受保守外力作用、或保守外力场的作用不可忽略时，处于热平衡态下的气体分子按能量的分布规律)，而服从式(1-15)所表示的量子统计的费米一狄拉克分布。,图115,在金属晶体中，价电子不再专属于某个原子，但也不是完全自由，而是在晶格原子的周期势场中做公有化运动。因此，价电子的许可能级，既不象孤立原子的分立能级，也不象完全自由粒子的连续能级，而是由在一定范围内准连续分布的能级组成的能带，相邻两个能带之间有禁带，完整晶体中的电子能级不能分布在禁带中，但晶体缺陷及杂质引入的能级可处于其中。,一、金属一金属接触,索末菲认为：价电子彼

4、此之间没有相互作用，各自独立，在它的运动空间，只在离阳离子很近的地方，势能有起伏，如图2-l(a)所示，总的看来势场起伏很小，因此金属中的价电子，可近似地认为处在一个均匀的势场中运动，如右图或图2-1(b)所示。,处在金属中的价电子好象处在一个深度为E0的势阱中。在金属与真空的界面上，晶格原子的周期性排列被中断，按右上 图电子的势能由E0突跳到零，如果细致考虑界面的情况，由金属到真空，电子势能将按图2-1(b)所示的规律由E0逐渐达真空能级(指电子在真空的最低能量，相当真空一个静止电子的能量，图中令它为零)，构成了金属的表面势垒势垒高度为E0。,图21,在金属中电子的势能为E0。又可以具有从零

5、到EF的动能Ek，EF称为费米能级，它是0K下，价电子允许具有的最大动能。显然金属中一个电子的总能量E=E0+Ek。但是，金属中价电子并非能取0到EF的任何动能值，由于电子具有波粒二象性和界面对电子波的反射作用，电子的平动能量也被量子化。金属中价电子允许具有的能量便不是绝对连续的，而是由许多相隔很近的能级组成，而且能级间隔不是等距的，与能量E有关。这种关系可用能态密度g(E)来表示。所谓态密度就是能量E附近单位能量间隔的量子态数目，可以求得金属价电子的能态密度为（9-1）式中V为金属体积，h为普朗克常数，m是电子质量。上式表明态密度g(E)正比于E。能量越高，态密度越大，能级间隔越小；而能量越

6、低，能级间隔越大。,图2-1(b)粗略地表明了这种情况。允许有的能态按g(E)分布，但不一定为电子所占据，能态被占据的几率由式的费米一狄拉克分布f(E)描绘。知道了态密度g(E)和分布几率函数f（E），就可以得到电子按能量的分布密度（2-2）也就是单位能量间隔内填充的电子数，对于金属，这数目曾表示在式(1-l5（a）)中。,图115,当电子运动到金属表面，并试图越过界面时，由于总能量E0，电子受到表面势垒的阻碍而不能逸出金属表面，只有当它从外界获得足够的能量才能逃逸。由图2-l(b)可知，电子离开金属至少需要获得的能量，就是以前提到的逸出功，不同金属具有不同势垒和费米能级，从而有不同的逸出功。

7、电子获得逸出功的方式有多种，如光照的方式，参见“光电效应”，加热的方式参见“热电子效应”。,2、再谈接触电位差,设想两种具有不同E0、Ef，的金属，都是不带电的，当它们互相接触时(可紧密接触，称为M-M结；或者用导线连接)，由于真空能级相同，而各自的费密能级不同，其中占有高能量状态的电子数就不同，固而在接触处就会发生电子交换。,如图2-2，金属1的费密能级高于金属2的，所以开始时由金属l进入金属2的电子数多于由金属2到金属1的，这样金属1失去电子，其电位不断升高，相应在电子势能图上的能级要不断降低，费密能级也不断降低；金属2得到电子(这些电子大多集结在接触面上)，其费密能级不断升高。,当两金属

8、的费密能级拉平时就达到平衡状态(如1-2(b)所示)，由此在两金属间形成一个电位差这就是接触电位差。虽然此处接触电位差是由不同金属接触而产生的，但是同一金属的不同晶面的逸出功不同，若互相接触同样会产生接触电位差。金属-金属接触的应用多数都是基于接触电位差的。金属-金属接触的一个重要应用就是热电偶，可用它测量温度、发电、致冷等，具体请阅“温差电效应”(塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆孙效应)。,二、金属半导体接触,1、半导体的能带特点 固体按其导电性可分为导体、半导体和绝缘体，这可以根据电子填充能带的情况来说明。,对金属来说，内层电子充满能带（价带），不参与导电；外层电子部分地填充在能带（半满带），

9、它们可以从外电场吸收能量，跃迁到未被电子占据的能带中，形成电流，这是价电子形成的电流，金属的能带如图2-3(a)所示。,半导体和绝缘体能带类似，唯一区别是导带和价带之间的禁带宽度不同(如图2-3(b)、(c)，例如绝缘体金刚石为67ev，而半导体硅、锗、砷化镓分别为1.12eV，0.67eV，l.43ev。绝对零度下半导体价带全被电子占满，而导带全空；一般温度下，共价键上的电子依靠热激发，有可能获得能量脱离共价键成为准自由电子，也就是说，满带中有少量电子被激发到空带中，使得空带底部附近有少量电子同时满带顶部出现了一些空量子状态，称为空穴，可看成是带正电荷的准粒子。半导体中，导带电子和价带空穴都

10、参与导电，这是与金属导电的最大区别。(而金属中只有导带中的电子参与导电),2.本征半导体和杂质半导体,纯净半导体完全利用热激发到导带中的电子和价带的空穴来导电，若设二者的浓度为n和p，则n=p。满足这一条件的半导体，意思是导电本领并未受到任何外来杂质或晶格缺陷的影响，如图2-4(a)。,图24,如果对纯净半导体掺入适当杂质，也能提供载流子。例如在硅掺入少量象砷这样的V族元素，晶格中一些硅原子就要被砷原子代替。每个硅原子和砷原子都要贡献出4个价电子与周围原子形成共价键，这样砷原予就多余一个电子，仅受As离子的微弱吸引，很容易脱离束缚成为导电的准自由电子。因此杂质砷引入能级处于禁带中而又极接近导带

11、底。如图2-4(b)，ED表示杂质能级（Ec-ED=0.049eV），每个砷原子都提供一个导电子，使导带中的电子急剧增长，np，这种半导体以电子导电为主，故称之N型半导体，相应杂质称为施主。若在硅中硼这样的族元素，就要引入禁带中极接近于价带顶的杂质能级EA(EA-EV=0.045eV)，同时提供价带空穴来导电，且pn，相应有P型半导体和受主的术语(如图2-4(c)。,3.半导体的费米能级,半导体在导带底、价带顶附近有同金属类似形式的态密度(见图2-5)：其中，分别为导带底电子和价带顶空穴的有效质量，注意它们并不是电子的惯性质量，可以通过回旋共振试验测出。引进有效质量的意义在于它包括了半导体内部

12、势场的作用，使得解决电子、空穴在外力（例如电场力）作用下的运动规律时，可不涉及内部势场的作用，带来极大方便。,图25 半导体的态密度曲线,半导体中的电子也遵循费密-狄拉克分布，即量子态E被电子占据的几率为，被空穴占据的几率为1f（E），EF也叫做费密能级，但它在能带中的位置与金属有所不同。一般在室温下，本征半导体的费密能级在禁带中线附近它可作为一个标准，用 Ei 表示；对杂质半导体，由于引入了杂质能级，使得费密能级EF 随温度、杂质浓度有较大变化(一般在杂质浓度不很高时，其杂质原子可视为全部电离)：杂质浓度一定时，温度越高，EF就越向 Ei 方向靠近；温度相同时，杂质浓度越高，EF越远离Ei。

13、,图2-6表示了这种影响。在杂质半导体中费密能级的位置不仅反映导电类型，而且还反映其掺杂水平。,图26,利用 积分，还可求出各种类型半导体的载流子浓度n和p，如图27示意。对重掺杂的半导体EF，甚至可进入导带或价带。,图27,4、半导体表面势,本征半导体载流子浓度随温度变化很迅速，故用本征半导体材料制成的器件很不稳定。而杂质半导体的载流于主要来源于杂质电离，浓度恒定，且常温下大大地高于本征载流子浓度。所以为使器件正常工作，一般都适当掺杂的半导体材料。为此我们以后主要讨论杂质半导体的性质。半导体的表面，由于吸附杂质原子、离子，或是由于有外电场以及与金属接触，甚至就因为是晶体边界，会形成带电的表面

14、层。在外场作用下，它的出现来自于载流子的重新分布，由此在表面与内部之间存在一个电位差，称为表面势。用一些简化模型计算表明，它是随着向晶体内部深入而按指数变化的。下面分别就N型和P型半导体做简要说明。,对N型半导体，当外加电场V0(表示方向为由半导体外指向内，以下类推)时，多数载流子电子会向表面积聚，形成电子的堆积层，使表面附近的能带下降，即如图2-8(a)所示弯曲情况；当V0时，表面附近的电子浓度比内部小，施主离子凸现出来，构成正电荷层，由于层内电子数很少，故称为耗尽层（图2-8（b）；当 Vs 足够大，使能带过分弯曲，或禁带足够窄时，表面处的EF落在禁带中线Ei之下，使价带顶比导带底离EF更

15、近，这意味着在表面层内空穴浓度将超过电子浓度，形成如由2-8(c)的反型层(由空穴和施主离子组成)。,对于P型半导体，外电场V0，V0分别形成由空穴组成的堆积层，由受主形成的耗尽层，由电子和受主离子组成的反型层，其能带弯曲如图2-8(d)(f)。可见，表面空间电荷区的不同状态是和表面能带弯曲的程度和方向直接联系着的，由此引入的表面势就是Vs。,图28,问题一,费米能级是：A、材料表面能B、价带顶对应的能量C、导带底对应的能量D、0K下，价电子允许具有的最大动能E、量子态E被电子占据的几率,5金属半导体接触,金属逸出功：m=E0（EF）m半导体的导带底Ec一般比真空能级E0低几个电子伏特。与金属

16、类似，把E0与EF之差称为半导体的逸出功 s=E0 EF同时，把E0与导带Ec的间隔定义为电子亲和能s=E0 Ec它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需的能量。,设想：有一块金属和一块N型半导体接触，假定金属逸出功大于半导体逸出功，即 m s，显然（EF）S高于（EF）S。如图2-9(a)所示。当金属与半导体紧密接触时(通常称为MS结)，半导体中的电子就会向金属中流动，使金属表面带负电，半导体表面带正电，能带发生相对移动，最后费密能级重合，而达到平衡状态，不再有净电子流动，形成接触电势差,图2-9,这时在半导体接触面处形成一由电离施主构成的较厚的空间电荷区，相当于有一从半导体指向金属的内建电

17、场，在半导体内形成耗尽层。由于层内电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻区域，常称为阻挡层。接触电势差绝大部分要降落在阻挡层上。按照前面的讨论，能带要向上弯曲(如图2-9(b)，它在金属与半导体两侧形成的势垒高度Wm和Ws稍有不同，相差。下节将知道，具有这种势垒的结具有整流作用，称为肖脱基整流结。若m、s、相差比较多，使，则在接触面处EF将超过禁带中线 Ei，而在半导体表面形成反型层，层内空穴浓度远比半导体内高，少数载流子(空穴)有向内部扩散的倾向。若在外加电压作用下这种倾向成为事实称为少数裁流子注入，它在半导体器件中起重要作用。,金属与P型半导体接触，时形成反阻挡层；时形成阻挡层。上述表面

18、电荷区有时引入一种称为表面态的能态，它对整流结和欧姆结有明显影响。,若ms，电子将由金属流向半导体，在半导体一侧形成电子堆积层，是个高电导区，称为反阻挡层形成的能带向下弯曲，如图2-10。这种结无整流作用，称为欧姆结。通常半导体器件采用金属电极就要有良好的欧姆接触。,图210,6MS结的整流作用,所谓整流作用就是指电流电压曲线的单向性或不对称性。上面讨论的处于平衡态的阻挡层是没有净电流流过的，是一种动态平衡。外加电压V于MS结上，电压主要落在高阻的阻挡层上,此时不再处于平衡状态,不再有统一的费密能级。先讨论MS(N)结。若V0，即金属联正极，N型半导体联负极，将使Ws（结势垒）降低e|V|，从

19、半导体流入金属的电子数增加，而Wm不变，从金属流入半导体的电子数不变。,因此显现由半导体进入金属的净电流，如图2-11(b)。在这个过程中，因由半导体中跃过势垒的能量较低的电子格外多，电流增加比电压增加更快，因此随电压增加电阻减小。若V0，将使Ws升高e|V|，由半导体进入金属的电子数减少，而反方向电子数不变，二者构成由金属到半导体的净电流（(图2-11(c)。此电流最多只能增大到原有的平衡值，这时电流饱和，电阻非常大。对于MS(P)结，可仿照上述方法用空穴来讨论形成的电流。总结以上讨论，可知MS结的整流作用可用图2-12表示。通常称这种结为肖脱基结。,图211,图212,7金属-半导体接触的

20、应用,此类接触的两个最主要应用就是制造肖脱基势垒二极管和肖脱基场效应晶体管。肖脱基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的，在金属中并不发生积累，而是直接成为漂移电流流走，因此它比PN结二极管有更好的高频特性。把它连在晶体管的基极和集电极之间组成的箝位晶体管，其开关速度可达毫微秒数量级。另外，肖脱基二极管有较低的正向导通电压，一般为0.3V左右，因此除用于检波和混频外在微波技术和高速集成电路等许多领域有重要应用。用金属半导体势垒作为控制栅极制成的肖脱基势垒栅场效应晶体管是由米德在1966年提出来的，它可以避免表面态的影响。砷化镓肖脱基场效应晶体管在微波领域有很低的噪声和

21、较高的功率增益，因此在通信和雷达中得到广泛应用。预计今后这种晶体管将向高频方向发展。,三、P型N型半导体接触,1.PN结及其接触电位差(1)PN结 P型与N型半导体是指在一块N型(或P型)半导体单晶上，用适当的工艺方法(如合金法、扩散法、生长法、离子注入法等)把P型(或N型)杂质掺入其中，形成两个不同区域，其交界面就称为PN结。在N型硅上放熔融的铝，形成含高浓度铝的P型硅薄层，它与N型衬底的交界面即为合金结；,而在N型硅片上通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的PN结叫做扩散结。一般合金结和高表面浓度的浅扩散结(用PN或PN表示)是突变结，而低表面浓度的深扩散结是缓变结(如图2-13)。,图213,

22、同质结与异质结有很不同特性，重要价值,(2)PN结空间电荷区及能带图 P型半导体和N型半导体接触以后，P区的多数载流子空穴和N区的多数载流子电子都要向对方扩散，而分别留下电离受主和电离施主，形成空间电荷区，它所产生的电场称为内建电场，在此电场作用下载流于作漂移运动。,这里扩散和漂移是一对矛盾运动。当它们达到平衡时，就形成了热平衡状态下的PN结且结两侧空间电荷的数量达到稳定。空间电荷区的载流子浓度比两侧的多数载流于浓度小得多好象已耗尽了，故空间电荷区也称为耗尽层，且是个高阻区(如图2-14(c)。由于扩散运动，P区积累电子，电位降低，能带上升；N区积累空穴，电位升高，能带下降。直至两侧的费密能级

23、达到统一值，能带不运动为止，因此，PN结中的空间电荷区的能带将发生弯曲(如图2-14(d)。,图214,(3)接触电位差 空间电荷区两端间的电位差VD称PN结的接触电位差，相应的电子电位能之差即能带弯曲量称为PN结的势垒高度，无论是电子要从N区进入P区，还是空穴要从P区进入N区都要克服这一势垒所以空间电荷区又称为势垒区（但对少数载流子来说，这不是势垒）。由图可见，（9-4）费米能级与掺杂浓度、温度有关。所以，VD与PN结两边掺杂浓度、温度、材料禁带宽度有关，掺杂浓度高，禁带宽，则VD大。硅的禁带宽度比锗大，在相同掺杂浓度下，硅的VD比锗大。,2.PN结的电流-电压特性,PN结加正向电压V（即

24、P区接电源正极，N区接负极）时，势垒区中产生与内建电场VD方向相反的电场,同时势垒区变薄，势垒高度从eVD变为e(VD-V)，如图2-15(a)。它使PN结失去平衡。载流子的扩散比漂移占据优势，产生了净扩散流。电子扩散入P区，在势垒边界处形成积累，成为P区的非平衡少数载流子，结果使结区边缘电子浓度比P区内部的电子浓度高，形成向P区内部的扩散流，再经过一定距离，与P区的多数载流子空穴全部复合，这一段区域成为扩散区。同理，在N区的空穴扩散区也形成空穴的扩散流，这两股扩散流共同构成了稳定的正向电流。随着V的增加，势垒区变薄，势垒更低，正向电流更大。这里非平衡载流子进入半导体就是电注入。,图215,由

25、于在势垒区和扩散区中都有非平衡载流子，所以电子和空穴无统一的费米能级。势垒区中电子和空穴浓度基本不变，故准费米能级为两条平行线。在电子的扩散区中，空穴浓度高，且基本不变，故 也基本不变；但电子浓度低，而且随着向P区的深入越来越少，故 逐渐接近，即 为一斜线。同理在空穴的扩散区中，恒定，为一斜线。如图2-15(b)。可以看出，,PN结加反向电压V时，势垒区变宽，势垒高度由eVD增高为e(VDV)，如图2-15(c)。这增强了漂移运动存在于空间电荷区的电子又被拉回N区，同时P区的少数载流子电子来补充势垒区中电子的损失，形成电子扩散电流。同理在N区会形成空穴的扩散电流，PN结总的反向电流等于这两个少

26、数载流子电流之和。因而是很微弱的。又由于少数载流子由本征热激发产生，一定温度下其数量一定，电压再高也不会使其数目增加，所以电流随反向电压升高很快趋于稳定。易知反向电压下能带图如图2-15(d)。以上对PN结电流电压特性定性分析的结果可简单地由图2-l6表示出来。与MS结一样，PN结也有整流作用，或称单向导电性。,3PN结的电容特性，瞬变特性和击穿特性,(1)电容特性 PN结电容包括势垒电容和扩散电容。势垒电容的存在表明势垒区具有存贮电荷的作用，例如，当正向电压升高时，N区电子和P区空穴就要进入势垒区中和掉一部分施主离子和受主离子，使势垒区变薄，这相当于给势垒电容充电；反之，当正向电压降低时，相

27、当于放电。势垒电容与平行板电容类似，但它是随外加电压变化的。,根据理论计算，电容(“+”号为反偏，“”号为正偏)，对突变结n1/2，对线性缓变结n1/3，一般缓变结n可以从1/3到1。正向偏压下的势垒电容大于反向偏压下的势垒电容。扩散电容是扩散区的电容，它总伴随相当大的损耗电导，所以不利用扩散电容，而利用势垒电容，且只工作在反向偏压下。,图216,(2)瞬变特性,PN结两种偏置状态互变的特性叫做瞬变特性，包括正向偏压突变为反向偏压的反向渡越和反向偏压突变为正向偏压的正向渡越一般前者时间比后者长得多，是决定PN结开关速度的主要方面。较小的反向恢复时间是某些二极管所要求的。当PN结处于正向偏置时，

28、扩散区内有很多非平衡少数载流子。电压突然反向后，电场由空穴扩散区指向电子扩散区，电压降暂时为正值，电阻很小，电流很大。这个电流不断把N区空穴和P区电子抽走，同时空穴电子也复合消失，直到非平衡少数载流子浓度接近于零，才达到PN结实际上的反偏。所以造成PN结反向渡越的根本原因是少数载流子的存贮，其恢复时间取决于非平衡少数载流子的总量及其消失需要时间。通常采用硅中掺金的办法减少恢复时间，这种方法可使恢复时间由1s减小至l0ns。,(3)击穿特性,PN结反向偏压增大到某一数值时，反向电流突然增大的现象叫作PN结击穿，它包括；I雪崩击穿 反向偏压很大时，载流子受势垒区强电场的漂移作用具有很大动能，与晶格

29、原子碰撞，打出导电的电子空穴对，它们又与其它晶格原子碰撞，同样又打出电子空穴对，如此循环下去，载流子与反向电流大增，从而发生了雪崩击穿。发生这种击穿载流子必须有足够大的速度因此除需要足够大的势垒电场外，还要有较厚的势垒以使载流子有足够时间加速。,.隧道击穿 见“齐纳效应”。温度升高，电子平均自由程减小，不易被电场加速，所以雪崩击穿电压升高；另一方面，温度升高，禁带宽度减小，所以隧道击穿电压下降。可见，温度较高时主要发生隧道击穿，温度较低时主要发生雪崩击穿。,4.P型-N型半导体接触的应用,目前半导体电子器件种类繁多、发展迅速，其中相当大的部分都与PN结有关。可以说，没有它就没有现代电子技术。P

30、N结主要应用于以下方面：(1)整流二极管 具有整流、检波作用，用于计算机、收音机、电视以及电化学等方面。现代面结型二极管绝大多数用硅制成，能在较高温度(200C)、较高反向电压(1000V)下工作，而且漏电流非常低。需要低正向压降，用锗制造；需要大功率，用砷化镓等化合物制造。现已有击穿电压2500V，正向电流1500A的整流器和漏电流仅为1011A的小信号二极管。,(2)变容二极管 以电容随反向偏压的变化率较大和电损耗较小为原则设计的二极管，主要用于电子调谐，微波信号的开关和射频调制产生外加微波信号的谐波以及参量放大、倍频等。制造材料主要有硅和砷化镓。(3)隧道二极管 见“隧道效应”。(4)齐

31、纳二极管 见“齐纳效应”。(5)开关二极管 利用PN结瞬变特性制成的二极管，已广泛应用在计算机和自动控制系统中。用砷化镓制成的超高速二极管的恢复时间可达1.0ns。(6)光电二极管 见“光生伏特效应”。(7)发光二极管 见“陷阱效应”。,(8)三极管 通过扩散的方法制成的两个靠得很近的背靠背的PN结构成了三级管。由于它们互相影响，使得三极管不同于单个PN结而具有电压、电流放大的作用。常用的是NPN型的，额定功率从100mW到500W，特征频率在502000MHz。锗PNP合金结晶体管额定功率范围更广，而锗台面型晶体管特征频率更高(4000MHz)。以上晶体管适于一切电子放大、检波和开关等应用。

32、,(9)结型场效应晶体管在一块N(或P)型半导体两边扩散高浓度的P(或N)型区构成的晶体管。图2-17中在两个PN结中间的N型区域称为导电沟道，栅极电压可调整PN结耗尽区，使沟道的宽窄和闭合发生变化，也就控制了源极漏极电流。它的工作原理与肖脱基场效应管(见“金属半导体接触”)和绝缘栅场效应管(见“金属氧化物一半导体接触”)类似。同三极管相比，场效应管有输入阻抗高、噪声低(0.5ldb)、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点，为制造超大规模集成电路创造了条件。,图217,(10)集成电路 在一块单晶半导体内部及表面加工制成的小型化电路，是平面扩散技术进一步发展的产物。利用现有技术很容易制

33、成集成化的二极管、三极管、电阻和电容，电感也可采用复杂的电路模拟或采用分立电感器，用这些元件可组成各种电路，例如倒相器、门电路、计数器、运算器和存贮器、放大器等等。由于集成电路具有低成本、高可靠性、高速度的特点，因此极大地推动了电子技术的发展。它不仅能用于处理模拟信号(例如调频立体声的解调系统)，而且还更广泛地用在处理数字信号，微型计算机的心脏中央处理单元(CPU)都是用集成电路制成的。现在已能在55mm的硅片上制造出包含成千电子元件的大规模集成电路，最近甚至生产出了包含105106个元件的超大规模集成电路。这样，一个计算机只用一个或几个芯片就够了。现在各种电路的集成化趋势越来越明显。,问题二

34、,MS结与PN结特性差异有1）温度特性不同2）频率响应不同3）输出功率不同4）制备工艺不同你认为最关键的特性差异是：A、1）+2）B、2）+3）C、2）+4）D、1）+3）E、3）+4）,四、金属-氧化物-半导体接触,1.理想MOS结构 金属-氧化物-半导体接触简称MOS结构，它是MIS(金属-绝缘体-半导体)结构的特殊形式，实际用得最广的MIS结构器件就是MOS的。典型MOS结构如图2-18所示。VG为加在金属电极G上的电压，规定金属电极相对于半导体的欧姆接触为正偏置时VG为正，反之为负。,MOS结构的各种应用都是基于半导件表面的空间电荷区，而理想MOS的空间电荷区是由外加电压VG引起的。所

35、谓理想MOS，指的是满足三个条件：VG=0时,金属与半导体费米能级持平；氧化物层中无任何静电荷，且完全不导电半导体界面无任何表面态。,图218,外场作用下半导体表面空间电荷的几种状态在“金属-半导体接触”中已有叙述（堆积层、耗尽层、反型层），这里把VG作用下P型半导体MOS结构的能带和表面电荷分布示于图2-19。注意，在突然加上一个较大的电压VG0的瞬间，少数载流子电子来不急产生，因此不能形成反型层。,为补偿金属电极上大量的正电荷，在半导体表面出现大量电离受主，并且由于受主较稀薄，这一电荷层较厚，这就是深耗尽状态（图2-19（e）。但这是一种非稳态，随着时间的推移，半导体内部电子会在 VG的作

36、用下聚集到表面，这时就过渡到反型状态（图2-19（d），它是一种稳态。显然，半导体掺杂浓度越高，表面电荷层就越薄。由深耗尽态转入反型态也越困难（即加较大的VG才可转变）。,图2-19,2、MOS的电容-电压特性,随着VG的变化，半导体形成各种表面状态的过程实质是一个充电过程，因此MOS结构可看成一个电容器，其电容C是氧化层电容C0（定值）与半导体表面空间电荷区电容CS（随VG而变）的串联。P型半导体MOS的理想C-VG特性 如图2-20所示，ABD段对应的空穴的堆积状态，DG段则代表耗尽状态。若用低频信号（几十赫兹）测量，曲线为（a），GE和EF分别对应反型和强反型状态的形成。若用高频信号（几

37、千赫兹）测量，曲线为（b），这时电子的产生跟不上信号的变化，不能形成反型状态，因此电容只是耗尽层的贡献，为GH段。,实测C-VG特性与图2-20曲线的形状符合较好。只是整体沿横轴有一些移动。这正是违背了理想条件所致，即金属与半导体存在功函数差、氧化层中含正电荷等。MOS的C-VG特性直接反映了半导体表面空间电荷区在外电场作用下的状态变化情况，是研究半导体表面和界面的重要手段。,图2-20,3.MOS应用之一绝缘栅场效应管,目前使用的绝缘栅场效应管大多以二氧化硅为绝缘层，简称为MOS管。它同结型场效应晶体管(见“P型一N型半导体接触”)一样，也是利用载流子沟道导电，也具有输入阻抗高、噪声低、功耗

38、小、热稳定性好、制造工艺简单等优点。,N沟道MOS管(图2-21)是在P型半导体衬底上扩散两个高掺杂的N区，即源区和漏区，而它们之间的二氧化硅上的铝层为栅板。它是通过栅极电压对漏极电流的控制作用来工作的。,图221,(1)增强型MOS晶体管,当VG=0时，源区、衬底、漏区形成两个背靠背的PN结，无论VD正负，都有一个PN结是反偏的，所以没有形成导电沟道，ID=0。当VG 0时，它通过绝缘层形成一强电场。由于绝缘层很薄，即使VD只有几伏，电场也高达107108Vm。,当VG超过开启电压VT时，半导体表面出现反型状态，即出现电子层，这就是N沟道，它把源区与漏区联接起来，而与衬底又通过耗尽层绝缘。此

39、时在VD作用下就产生了ID，典型的ID-VD曲线如图2-22所示。,区是可变电阻区。沟道主要受VG影响，几乎不受较小的VD的影响。VG一定，沟道电阻一定，因此ID与VD成线性关系。VG越正，沟道越厚，电阻越小，曲线越陡。区是饱和区。在较大VD的作用下，沟道从源区的低电位升高到漏区的高电位，即产生一个横向电位梯度。它与栅极作用叠加在一起，愈靠近源区，栅极与沟道间的电位差愈大，沟道愈厚；愈靠近漏区，沟道愈薄(图2-23(a)。当VD大到某一值时，沟道出现夹断现象(图2-23(b)。再进一步增大VD，产生夹断区(图2-23(c)。,夹断区电阻很大，VD几乎全部落在这里，形成强电场，电子一靠近夹断区，

40、就被其迅速拉向漏极。另一方面，沟道内电阻较小其两端电压基本不变，电场也保持恒定，所以由沟道进入夹断区的电子流不随VD的增大而变，即ID不变。区是击穿区。较大的VD会使源漏间发生雪崩击穿，ID迅速上升。不允许工作于此区，否则管子将烧坏。,图223,(2)耗尽型MOS晶体管,这种晶体管的二氧化硅绝缘层中掺有大量正离子，即使在VG=0时也有电场作用在半导体表面而形成反型沟道，因此若有VD就有ID。当VG0时，ID增大。当VD 0时，沟道变薄，ID减小，VG达到小于零的某值时，不能形成沟道，ID=0。所以耗尽型MOS管与增强型MOS管的区别就是前者的VG可正可负。仿照MOS管的结构，可制成一种半导体存

41、贮器。它是利用热电子注入等方式向绝缘层中注入电荷或利用紫外线照射等方法清除电荷，使其在增强型与耗尽层之间变化，达到写“1”或写“0”的目的。其存贮信息一般可保持10年以上。,4.MOS应用之二集成电路,MOS集成电路虽然没有结型集成电路响应快，但却有工艺简单、集成度高和功耗低的优点。因为它所有的结工作时都处于反偏所以衬底上各器件之间都是自动隔离的；另一可贵之处是：只要增大两个少数载流子扩散区间的距离就可把衬底上的MOS管用作阻值充分大的电阻器实际上是把沟道当作电阻用了，结构非常筒单。现在在一块零点几个平方厘米的面积上集成一万个MOS管是很容易的事。MOS集成电路的特点使其很适宜制做计算机的随机

42、存贮器。造价极低的袖珍计算器、数字式电子手表也采用MOS集成电路。为进一步提高其性能，硅栅MOS(体积更小)、互补MOS（功耗更低）、短沟道MOS(频率特性好)等新型MOS器件已制造出来并进入实用。,5.MOS应用之三电荷耦合器（CCD）,CCD是电荷的存贮和转移器件，是MOS电容的有序阵列与输入输出部分的总和。它是一种新型MOS型集成电路。CCD不象MOS晶体管那样工作在热平衡的反型态，而是工作于由深耗尽向反型过渡过程中的非稳态。CCD的电荷的存贮和转移也是在栅电极下的半导体表面沟道中进行的。下面以P衬底三相单层电极CCD为例说明其工作原理。,CCD工作原理,图2-24(a)是其结构，图2-

43、24(b)是加在其栅极上的三个彼此相差2/3位相的时钟脉冲阵列。在t=t1时刻，电极1，4，7，的电压为V1，其它电极为V2，若CCD接收到光信号(或电信号)，它注入的少数载流子电子会立刻被1，4，7，电极收集到它们下面(如图2-25(a)，这就是CCD对电荷的存贮作用。在t=t2时，3，6，9，电极为V2，其它为V1，1，4，7，电极下的电荷要向2、5、8电极下流动。tt3时，只有2，5，8，电极电压为V1，其它都为V2，所有电荷都由l，4，7，电极下转移到2，5，8，电极下。这样就完成了信号电荷从一个电极下向另一个电极下的转移，这需要三分之一个时钟周期。tt4时又开始了向3，6，9，电极的

44、电荷转移。,图224,图225,可以看出，时钟脉冲对CCD转移电荷是必需的，并且它的周期要小于MOS电容由深耗尽到反型需要的时间(1100s)，一般时钟频率在十分之几赫兹到十兆赫兹之间。以上的CCD是不实用的，为弥补缺陷，常采用交叠栅(栅极在二氧化硅中周期性地深入不同深度)、离子注入、高掺杂等方法。CCD主要应用于摄像、存贮和模拟信息处理等方面。利用大规模集成电路技术把大量控制逻辑器件同感光器件制作在同一电路内，可用作固体摄像机的心脏，从生产上测量产品到光学字符读出器，其用途数不胜数。既然CCD具有存贮电荷的功能，那么就有动态移位寄存器的功能，这种寄存器具有存贮密度高、容量大的优点，原因是它用

45、一个电板及其下面的通道代替了普通存贮器的一块电路。近年来CCD受到普遍重视，发展前景深远，有可能代替很多传统的固体器件。,第2节 肖脱基效应,被加热的金属会发射强度随温度而异的电子流，这就是“热电子效应”(见第一章)。当金属表面存在加速电场(即电场的方向能使逸出的电子得到加速)时，能大大增强其热电子发射，这种现象称为肖脱基效应。肖脱基等人首先从理论和实验上研究了这个效应。他认为，在给定温度下热电子发射的增强意味着金属逸出功的降低。利用自由电子的索末菲模型就能很好地解释肖脱基效应。,1金属表面势垒的形状在金属的表面，电子势能按某一规律上升到真空能级，这就是金属的表面势垒，当电子运动到表面，并试图

46、逸出金属时，就会受到这个势垒的阻碍作用。处于金属表面外距离的电子受到金属的吸引力，可等效为表面内距表面处的+e电荷对电子的吸引力，形象地称为镜象力，即 但这只适合 x x0 1nm的范围，而在 0 x x0 必须用其它形式描述这个力，这是因为：,当x可与晶格常数相比时，由于电子云的影响，已不能认为金属表面还象“镜面”一样均匀了；按上式，金属表面处(x=0)电子受到的引力将为无穷大，电子逸出需要的功也为无穷大，显然与实际不符。0 xx0范围内电子受到的引力不易确定，不妨令由0点平滑过渡到x0的因此用图2-35(a)描述作用力还是比较符合实际的。,图235,这样，电子逸出金属需克服电场力所做的功为

47、所以逸出电子的势能为E=W，它的函数曲线图2-35(b)就是金属表面势垒，曲线随x增大渐趋于E0，即势垒深度。容易算得，对xx0有(2-5)实际上金属内电子的最大能量为费密能，因此电子逸出金属需要的最小能量为 它称为金属的逸出功。,2肖脱基效应的解释,在金属表面加一均匀的加速电场，在此电场作用下，逸出电子需要附加势能e x，如图2-36直线PQ所示，另一条虚线OA是图2-35的势垒曲线。图2-36中实线OB是以上两条虚线叠加而成的，它就是外电场下的表面势垒，易见新的势垒高度E0比无外场时的E0降低了，这导致更多的电子逸出金属。对于xx0处的一个电子，其势能为,图236,此函数在 处有最大值，它

48、比E0小上式代表逸出功的降低量。对于 105Vm，可得Xm102 nm和102 eV，可见逸出功变化很小，但即使这样微小的变化也可导致发射电流成倍地增长。,在“热电子效应”中已知，热发射电流可用里查逊公式描述，即 把此式的用代替，则(2-6)由于在指数项，所以对电流的影响很灵敏。象理查逊图那样，曲线称为肖脱基图(如图2-37)。Ln Je 应该与 成线性关系，且直线斜率与T成反比，实验证明只在 较大时才是这样。由于空间电荷以及不同晶面逸出功的差异，使得 较小时严重偏离线性。利用线性部分外推得到纵轴截距ln J，此 J 即为无外场时热发射饱和电流。,当大于107 Vm时，电流的实验值周期性地偏离

49、理论值；而当大于l08 V m时，实验值则大大地超过理论值；这表示逐渐过渡到场致电子发射(见“隧道效应”)。,图2-37,第3节普尔一夫伦克尔效应,半导体中的载流子“陷阱”都有一定的能量深度，这一深度对俘获在陷阱内的载流子来说就成为势垒，载流子要逃出陷阱必须克服这个势垒的阻碍。当给半导体加强电场时，在某个方向的势垒就会降低，从而使载流子较易逃出陷阱，这个效应称为普尔-夫伦克尔(poole-Frenkel)效应。这里，外加强电场增强了陷阱中载流子的热发射，很象增强金属热电子发射的肖脱基效应，因此又把这个效应称为内肖脱基效应。,1库仓陷阱,半导体中的陷阱会在其禁带能隙中引入一定的能级，而且有基态和

50、激发态之分(参见“陷阱效应”)。设陷阱基态电子能级为E0，则它与导带底Ec的能量差 EcE0 就是被俘获电子要逃出陷阱所必须克服的势垒。考虑一个带正电的陷阱，它可以俘获一个电子而呈中性。这个电子距离中心为 r 时所具有的库仑势能为 e2/4r(为半导体的介电常数)，则电子能量随 r 而变的函数为(假设陷阱的空间结构关于中心是球对称),图2-38(a)是用这个函数表达的陷阱势垒的形状。如果空陷阱不带电，或带负电那么它附近的电子的库仑势能用图2-38(b)(c)的曲线表示，其中(c)曲线表示了陷阱对电子的长程排斥、短程吸引的性质，一般后两种陷阱不会产生普尔一夫伦克尔效应。,图238,2普尔夫伦克尔