异质结和MIS结构..ppt

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1、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-GaAs2.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

2、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EF1的位置为而n型的半导体的费米能级EF2的位置为当这两块导电类型相反的半导体材

3、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EF2比EF1高，则能带总的弯曲量就是真空电子能级的弯曲量即显然

4、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

5、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

6、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VD为而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为而VD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V1(x1)=0，则VD=V2(x2)，并代入式V1(X)、V2(X)中得

7、因此，将D1、D2分别代入原式得由V1(x0)=V2(x0)，即得接触电势差VD为而由式得：将上述两式代入VD(x)得从而算得势垒区宽度XD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VD1、VD2中得：得VD1与VD2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

8、电容类似的方法计算如下：将联立得将外加偏压下XD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