第二章 固体材料表面与界面电子过程.ppt

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1、第二章固体材料表面与界面电子过程3.1半导体与半导体界面特性-PN结3.2金属与半导体的接触特性3.3表面势、表面态、表面电导3.4MIS结构3.5PN结与功能器件3.6晶界势垒及其电荷区2•电子运动状态：能量、运动的范围电子运动的特点：微质点、高速度运动?不可能确定某电子在某空间位置→用在空间出现的概率(电子云及密度)能量不连续→能级?•决定电子运动状态是主要取决于对电子的作用势(原子核、电子间)•具体电子运动状态是通过薛定鄂方程求出电子的波函数及其对应的本征能量。电子的特点3无数电子形成一个

2、系统以后，电子运动特性(范围)→能带当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互作用，电子存在共有作用；原子能级分裂成能级示意图4能带理论简介5K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态K空间是以倒格子为基础的倒格空间在k空间中，电子能量En(k)函数关系6E～k,能带结构（能量色散关系）Si立方晶系晶体的能带结构（半导体，间接能隙）价带导带价带顶导带底7半导体的基础知识半导体；N-typeP-type半导体；导带；价带；禁带本征半导体杂质半导体载流子运

3、动方式及形成电流8纯净的、不含杂质的半导体1.1本征半导体9杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类N型半导体杂质半导体结构图10电子正离子对施主杂质原子电离电子空穴对热激发载流子杂质半导体N型半导体中的多数载流子(多子）为电子。空穴为少数载流子（少子）呈电中性11P型半导体结构图杂质半导体12空穴负离子对受主杂质原子电离空穴电子对热激发载流子P型半导体中的多数载流子(多子）为空穴。电子为少数载流子（少子）杂质半导体呈电中性13扩散运动及扩散电流扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运

4、动。扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。载流子运动方式及其电流扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比浓度差扩散运动扩散电流扩散力14漂移运动和漂移电流漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。载流子运动方式及其电流漂移电流大小与电场强度成正比电位差漂移运动漂移电流电场力153.1PN结1.pn结定义：把一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起，由于P、N区载流子浓度不等，N区电子浓度向P区扩散，P区空穴向N区扩散，结果在交界

5、面处积累电荷形成电偶极层，将该结构称为p-n结带负电荷的电离受主带正电荷电离施主16平衡p-n结的能带图1）电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区，因而EFn下移，而EFp移，直至EFn=EFp时为止。这时p-n结中有统一的费米级能Ef2)空间电荷区内电势V(x)V(x):np降低电子电势能-qV(x)np区不断升高p区的能带上移，n区能带下移，直至费米能级处处相等时，p-n结达到平衡状态。EFn和EFp分别表示n型和p型半导体的费米能级能带图特点：172PN结

6、基本特性带负电荷的电离受主带正电荷电离施主电离施主与少量空穴的正电荷严格平衡电子电荷电离受主与少量电子的负电荷严格平衡空穴电荷电中性电中性负电荷区正电荷区空间电荷1)空间电荷18d）对于空穴，情况完全相似。e）没有电流流过p-n结。或者说流过p-n结的净电流为零空间电荷区的特点：a）内建电场在内建电场作用下，载流子作漂移运动。电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，c）电子的扩

7、散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。E19PN结基本特性PN结平衡VD阻止多子继续扩散，同时有利少子定向漂移VD：势垒电压VD=0.6~0.8V或0.2~0.3VVD202)单向导电性PN结加正向电压流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称为PN结正向导通状态。PN正向应用UUU21PN结加反向电压流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。该状态称为PN结反向截止状态。PN反向运用UU22一个p-n结在低频电压下，能很好地起整流

8、作用，但是当电压频率增高时，其整流特性变坏p-n结电容包括势垒电容和扩散电容两部分。3)p-n结电容特性部分电子和空穴“存入”势垒区势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少电子和空穴中和23在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入”势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。当p-n结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少，因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空