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半导体物理基础,(Elementary Semiconductor Physics),第一章 半导体的一般特性（Basic Semiconductor Properties）,1 导体、绝缘体和半导体能带（enery band）,2 电导率(Conductivity)介于导体与绝缘体之间,导体 104105 scm-1,绝缘体 10-18 10-10 scm-1,半导体 10-10 104 scm-1,与温度、光照、湿度等密切相关,3 半导体材料种类,（1）元素（Elemental）,（2）化合物（Compounds）,（3）合金（Alloys）,P 2 Table 1.1,指两种或多种金属混合，形成某种化合物,4 晶体结构 Crystal structure,金刚石结构：Si、Ge。,闪锌矿结构：ZnS、GaAs、InP。,P 12,晶向指数和晶面指数,P 16 Table 1.6,晶面间距,晶向夹角,5 能带结构,准自由电子模型,紧束缚模型,克龙尼克-潘纳模型(Kronig-Penney model),将晶体势场看作是由方形势阱势垒周期性排列组成.,分区域求解上述方程,禁带出现在：,第一布里渊区：,第二布里渊区：,对称性 E（k）=E（-k）,周期性,等能面（Constant-Energy Surface）,金刚石结构的第一布里渊区,等能面（Constant-Energy Surface）Ge、Si、GaAs,硅导带底附近等能面是100方向的旋转椭球面。,E-k 关系图（Ge、Si）3.3.2,p75,锗：Eg=0.74eV硅:Eg=1.17eV,E-k 关系图（GaAs）,GaAs:Eg=1.42 eV,第二章 平衡载流子的统计分布,2.1 本征半导体和掺杂半导体（4.4.3）1.本征半导体（intrinsic semiconductor）,本征半导体:是指一块没有杂质和缺陷的半导体.,（Equilibrium Carrier Statistics）,本征激发:T0K时,电子从价带激发到导带,同时价 带中产生空穴.n0=p0=ni n0 p0=ni 2 ni-本征载流子浓度,*从si的共价键平面图看:,P15:1S22S22P63S23P3 P有五个价电子,其中四个与周围的四个Si原子形成共价键,多余的那个价电子束缚在正电中心P+的周围.,这种束缚比共价键的束缚弱得多,只要很少的能量就可以使它挣脱束缚,成为导带中的自用粒子.这个过程称杂质电离.,掺杂半导体(Doped/extrinsic Semiconductor)施主杂质（Donor）n型半导体 族元素硅、锗中掺族元素,如P:,*从Si的电子能量图看:,结论:磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂质。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。,主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体。,电离能的计算:,氢原子,（2）受主杂质(Acceptor)p型半导体,族元素硅、锗中掺族元素,如硼（B）:,*从si的共价键平面图看:,B13:1S22S22P63S23P1 B有三个价电子,当它与周围的四个Si原子形成共价键时，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子,共价键中缺少一个价电子，产生空穴。硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子。B-负电中心.,小结：纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。主要依靠价带空穴导电的半导体称p型半导体。,*从Si的电子能量图看:,（3）杂质的补偿作用,半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，它们之间有相互抵消的作用杂质补偿作用。,*当ND NA时，n=ND-NA ND 半导体是n型*当NDNA时，p=NA-ND NA 半导体是p型*当ND NA时，杂质的高度补偿,ND施主杂质浓度 NA受主杂质浓度 n导带电子浓度 p价带空穴浓度,2.2 Carrier Statistics半导体中载流子的统计分布(4.4),载流子浓度=(状态密度g(E)分布函数f(E)dE)/V状态密度g(E)单位能量间隔中的量子态数（能级数）分布函数f(E)能量为E的量子态被一个粒子占据的几率.,1.Electorn concentration(导带中的电子浓度)*状态密度(Density of states)：金属自由电子g(E)半导体导带电子gc(E),*分布函数f(E),半导体导带中的电子按能量的分布服从费米统计分布。,玻尔兹曼分布,fermi function,非简并半导体（nondegenrrated semiconductor）,简并半导体（degenrrated semiconductor）,*导带电子浓度n,令 Etop 则top,导带的有效状态密度Nc,电子占据量子态Ec的几率,*状态密度：,2.Hole concenteation(价带中的空穴浓度),*分布函数fV(E）,fV(E）表示空穴占据能态E的几率，即能态E不被电子占据的几率。,*价带空穴浓度p0,价带的有效状态密度Nv,价带顶部EV态被空穴占据的几率,3.施主能级上的电子浓度,*状态密度=所掺施主杂质的浓度ND(E=ED),*分布函数fD(E）:施主杂质能级与导带中的能级不同,只能是以下两种情况之一:(1)被一个有任一自旋方向的电子所占据;(2)不接受电子.,*施主能级上的电子浓度nD,电离了的施主浓度(ionized donors),4.受主能级上的空穴浓度,*状态密度=所掺受主杂质的浓度NA(E=EA),*受主能级上的空穴浓度PA：,*分布函数fA(E）（空穴占据受主能级的几率）:,电离了的受主杂质浓度(ionized acceptors),分析：,n0、p0的大小 与 T、EF有关,EF 的高低反映了半导体的掺杂水平。,3 n0 与p0的乘积与EF无关即与掺杂无关。,4.Charge Neutrality Relationship(电中性关系),1.intrinsic semiconductor,2.3 Concentration and EF Calculations,本征半导体的电中性方程:n0=p0=ni,两边取对数并整理,得:,P 125 4。5,（载流子浓度和EF的计算）,结论:本征半导体的费米能级Ei基本位于禁带中央.,本征半导体的费米能级EF一般用Ei表示,Intrinsic carrier concentration：(本征载流子浓度)ni,结论:本征载流子浓度ni随温度升高而增加.lnni1/T基 本是直线关系.,电中性方程:,以施主为例来分析：,分温区讨论：,(1)低温弱电离区,电中性方程,2.extrinsic semiconductor(非本征/杂质半导体),Freeze-out,两边取对数并整理,得:,ED起了本征EV的作用,载流子浓度:,(2)中温强电离区,电中性方程,两边取对数并整理,得:,载流子浓度:,(本征激发不可忽略),电中性方程,(3)过渡区,n0-多数载流子 p0-少数载流子,(4)高温本征区,(本征激发产生的载流子远多于杂质电离产生的载流子),电中性方程,载流子浓度:,温 区 低温 中温 高温,费米能级 载流子浓度,（1）n T,分析、讨论,（2）EF T,（3）EF 掺杂（T一定，则NC也一定）,T一定，ND越大，EF越靠近EC（低温：ND NC 时,ND(ln ND-ln2 NC)ND NC 时,ND|ln ND-ln2 NC|中温：由于T的升高，NC增加，使ND NC，ND|ln ND-ln2 NC|）T一定，NA越大，EF越靠近EV。,1 载流子浓度,2.4 简并半导体（degenrrated semiconductor）,对于简并半导体,导带底部的量子态基本被电子占满.电子分布函数不再能近似为玻尔兹曼分布函数了,而要用费米分布.,费米积分,P 119,前面分析得知,如中温：由于T的升高，NC增加，一般来说ND NC，EF EC,且ND越大，EF越靠近EC,但是当掺杂浓度很高时,会使,EF进入了导带.半导体简并化了.,EC-EF2k0T 非简并,2 简并化条件,0EC-EF 2k0T 弱简并,EC-EF0 简并,3 杂质带导电,在重掺杂的简并半导体中,杂质浓度很高.杂质原子相互靠近,被杂质原子束缚的电子的波函数显著重叠,这时电子作共有化运动.那么,杂质能级扩展为杂质能带.杂质能带中的电子,可以通过杂质原子间共有化运动参加导电-杂质带导电.,(3),(4),例题,结论：,例.室温下,本征锗的电阻率为47，(1)试求本征载流子浓度。(2)若掺入锑杂质，使每106个锗中有一个杂质原子，计算室温下电子浓度和空穴浓度。设杂质全部电离。锗原子浓度为4.4/3,n=3600/Vs且不随掺杂而变化.,解:,Chapter 3 Recombination-Generation Processes（复合-产生过程）,产生率G Generation rate：,单位时间和单位体积内所产生的电子-空穴对数,复合率R Recombination rate：,单位时间和单位体积内复合掉的电子-空穴对数,产生 复合 注入,非简并半导体处于热平衡状态时，体内电子和空穴浓度为n0和p0，它们之间的关系是,3.1 非平衡载流子的产生与复合（noneguilibrium carriers G-R）,如果在外界作用下，平衡条件破坏，就偏离了上式决定的热平衡状态即称为非平衡状态。载流子浓度为n、p：,外界作用,外界作用,外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程叫非平衡载流子的注入。,过剩载流子(excess carries),外界作用,光 照射半导体表面光注入,对p-n结施加偏压电注入,例，光照n型半导体表面,光照引起的附加光电导：,通过附加电导率测量可计算非平衡载流子。,对于n型半导体n=p n0，p型半导体n=p p0，称小注入。,对n型半导体，n称为多数载流子（Majority carriers），n被称为非平衡多数载流子；p称为少数载流子（Minority carriers），p被称为非平衡少数载流子。,非平衡少数载流子在器件中起着极其重要的作用。,外部条件拆除后，非平衡载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。,热平衡时：,导带电子增加，意味着EF更靠近EC。,外界作用,价带空穴增加，意味着EF更靠近EV。,3.2.非平衡载流子浓度的表达式,引入准费米能级：,非平衡态时，,3.3.非平衡载流子的衰减 寿命,若外界条件撤除（如光照停止），经过一段时间后，系统才会恢复到原来的热平衡状态。有的非子生存时间长、有的短。非子的平均生存时间称为非子的寿命。,光照刚停止，复合产生 n、p 复合 复合=产生（恢复热平衡）,单位时间内非子被复合掉的可能性 复合几率,单位时间、单位体积净复合消失的电子-空穴对（非子）复合率,在小注入时，与P无关，则,设t=0时，P(t)=P(0)=(P)0,那么C=(P)0，于是,非平衡载流子的寿命主要与复合有关。,t=0时，光照停止，非子浓度的减少率为,3.4.非平衡载流子的复合机制,复合,直接复合(direct recombination):导带电子与价带空穴直接复合.,间接复合(indirect recombination):通过位于禁带中的杂质或缺陷能级的中间过渡。,表面复合(surface recombination)：在半导体表面发生的 复合过程。,俄歇复合：将能量给予其它载流子,增加它们的动能量。,从释放能量的方法分:,辐射(radiative)复合,非辐射(non-radiative)复合,1 直接复合 direct/band-to-band recombination,T+Light：,净复合率=复合率-产生率,U=R-G,非平衡载流子的直接净复合,代入,则：,非平衡载流子寿命：,小注入：,n型材料：,p型材料：,2 间接复合(indirect recombination),半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它们有促进复合的作用。这些杂质和缺陷称为复合中心。,nT：复合中心能级上的电子浓度,NT：复合中心浓度,pT：复合中心能级上的空穴浓度,*俘获电子 Electron capture,*发射电子 Electron emission,*俘获空穴 Hole capture,*发射空穴 Hole emission,电子俘获率：,空穴俘获率：,电子产生率：,空穴产生率：,热平衡时：,电子俘获率=电子产生率,空穴俘获率=空穴产生率,EF与ET重合时导带的平衡电子浓度。,同理，得,空穴俘获率=空穴产生率,其中,表示EF与ET重合时价带的平衡空穴浓度。,稳态条件下：,俘获电子-发射电子=俘获空穴-发射空穴,-,=,-,和,又,净复合率：,U=俘获电子-发射电子=,通过复合中心复合的普遍公式,-,注意到：,非平衡载流子的寿命为,小注入条件下：,（并假设cncp）,n型半导体,强n型区：,高阻区：,*在较重掺杂的n型半导体中，空穴俘获系数起主要作用，而与电子俘获系数无关。,p型半导体,强p型区：,高阻区：,若Et靠近EC：俘获电子的过程增强，但对空穴的俘获能力却减少了。,不利于复合,Et处禁带中央，复合率最大。,3 其它复合,半导体表面状态对非平衡栽流子也有很大影响，表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心。,（1）表面复合,表面氧化层、水汽、杂质的污染、表面缺陷或损伤。,（2）俄歇复合,载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的将能量常以声子形式放出。非辐射复合,影响半导体发光器件的发光效率。,例题1,化,例2 在一块p型半导体中，有一种复合-产生中心，小注入时被这些中心俘获的电子发射回导带的过程和它与空穴复合的过程有相同的几率。试求这种复合-产生中心的位置，并说明它能否成为有效的复合中心？,4.1.载流子的漂移（drift）运动,半导体中的载流子在外场的作用下，作定向运动-漂移运动。相应的运动速度-漂移速度。漂移运动引起的电流-漂移电流。,-迁移率,单位电场下，载流子的平均漂移速度,Chapter 4 Carrier Transport(载流子输运),1 漂移,定性分析：迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度。,可以证明：,2 迁移率（Mobility）,3 影响迁移率的因素,不同材料，载流子的有效质量不同；但材料一定，有效质量则确定。,对于一定的材料，迁移率由平均自由时间决定。也就是由载流子被散射的情况来决定的。,半导体的主要散射（scatting）机构：,*Phonon（lattice）scattering 声子（晶格）散射,*Ionized impurity scattering 电离杂质散射,*scattering by neutral impurity and defects 中性杂质和缺陷散射,*Carrier-carrier scattering 载流子之间的散射,*Piezoelectric scattering 压电散射,能带边缘非周期性起伏,（1）晶格振动散射,声学波声子散射几率：,光学波声子散射几率：,（2）电离杂质散射,电离杂质散射几率：,其中：NI=ND+NA,总的散射几率：,P=PS+PO+PI+-,总的迁移率：,主要散射机制,电离杂质的散射：,晶格振动的散射：,轻掺杂时，电离杂质散射可忽略,非轻掺杂时，杂质浓度 电离杂质散射 迁移率,4 迁移率与杂质浓度和温度的关系,(1)迁移率杂质浓度,（2）迁移率与温度的关系,轻掺：忽略电离杂质散射T 晶格振动散射,非轻掺：低温：电离杂质散射为主。T 电离杂质散射,高温：晶格振动散射为主。,T 晶格振动散射,5 载流子的迁移率与电导率的关系(MobilityConductivity),-殴姆定律的微分形式,（1）殴姆定律的微分形式,（2）电流密度另一表现形式,（3）电导率与迁移率的关系,6 电阻率与掺杂、温度的关系,（1）电阻率与杂质浓度的关系,轻掺杂：常数；n=ND p=NA,电阻率与杂质浓度成简单反比关系。,非轻掺杂,：杂质浓度,n、p：未全电离;杂质浓度 n（p）,杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线。,（2）电阻率与温度的关系,：T 电离杂质散射,*低温,n（未全电离）：T n,：T 晶格振动散射,*中温,n（全电离）：n=ND 饱和,：T 晶格振动散射,*高温,n（本征激发开始）：T n,例题,例.室温下,本征锗的电阻率为47，(1)试求本征载流子浓度。(2)若掺入锑杂质，使每106个锗中有一个杂质原子，计算室温下电子浓度和空穴浓度。设杂质全部电离。锗原子浓度为4.4/3,n=3600/Vs且不随掺杂而变化.,解:,4.2 强电场下的效应(Hight-Field Effects),5.非平衡载流子的运动,（1）扩散运动与扩散电流,考察n型半导体的非少子的扩散运动,沿x方向的浓度梯度,空穴的扩散流密度,（单位时间通过单位 截面积的空穴数）,Dp-空穴扩散系数,-单位时间在小体积x1中积累的空穴数,-在x附近，单位时间、单位体积中积累的 空穴数,稳态时，积累=损失,若样品足够厚，,Lp表示空穴在边扩散边复合的过程中，减少至原值的1/e时所扩散的距离。,表明在稳定光照下，某一时刻非平衡载流子浓度随位置x的变化规律是按指数规律衰减。,空穴的扩散电流密度,电子的扩散电流密度,在光照和外场同时存在的情况下，非平衡载流子不仅做扩散运动，而且对漂移运动也有贡献。,（2）漂移运动与漂移电流,（3）总电流密度,载流子的扩散与迁移均受散射影响，散射越厉害，迁移、扩散越困难，可以证明，,（4）爱因斯坦关系,6.连续性方程,指扩散和漂移运动同时存在时，少数载流子所遵守的运动方程,以一维n型为例来讨论：,光照,在外加条件下，载流子未达到稳态时，少子浓度不仅是x的函数，而且随时间t变化：,*空穴积累率：,空穴的扩散和漂移流密度,空穴积累率,复合率,其它产生率,-连续性方程,讨论（1）光照恒定,（2）材料掺杂均匀,（3）外加电场均匀,第四章 半导体的界面特性4.1 p-n结,1.平衡p-n结空间电荷区的形成,当p型半导体和n型半导体接触在一起时,在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.,在内建电场作用下，载流子作漂移运动。,开始，扩散漂移 内建电场 漂移 扩散=漂移,（达到动态平衡）,P区的空穴扩散到n区，并与n区中的自由电子相遇而复合，则在交界面p区一侧留下带负电荷的受主杂质中心。,同样，n区的一侧会留下带正电荷的施主杂质中心。这些离子是不可自由移动的。通常把这个电荷区称为空间电荷区。在此区域若基本没有可自由运动的载流子，也可称它为耗尽区。,内建电场的建立，对扩散运动起阻碍作用，所以空间电荷区又称阻挡层。,EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。,P-n结中费米能级处处相等恰好标志了每一种载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消，没有净电流通过P-n结。,2 能带图,n型半导体中的电子浓度为,p型半导体中的电子浓度为,3.接触电势差VD,平衡时,4.p-n结电流-电压特性,现假设:1.势垒区的自由载流子全部耗尽,并忽略势垒区中载流子的产生和复合。2.小注入:注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场可忽略。,（1）外加正向电压（电源正端接p型半导体，简称正偏）,外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使势垒两端的电势差由VD减小为（VD-Vf），相应地势垒区变薄。,外加电场削弱了漂移运动，使:扩散漂移,P区的空穴扩散到n区，且在Xn处形成空穴的积累，形成n区的非平衡少子P(X),并向n区体内扩散，同时不断与n区多子电子相复合，直到空穴浓度减至平衡值pn0，便形成了空穴扩散电流。同时在Xp处也有一股向P区内部的电子扩散流，形成了电子扩散电流。这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。这种由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为电注入。,根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。,考虑xp截面：,忽略了势垒区载流子的产生和复合：,为了定量讨论正向偏置p-n结的净扩散电流，必须先讨论正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布。,加正向偏置V后，结电压为（VD-V），,在xp处注入的非平衡电子浓度为：,在xn处注入的非平衡空穴浓度为：,同理：,-肖克莱方程,（2）外加反向电压（电源正端接n型半导体，简称反偏）,外加电场Vr与内建电场方向一致，加强了内建电场，因而使势垒两端的电势差由VD增大为（VD+Vr），相应地势垒区加宽。,外加电场加强了漂移运动，使:扩散漂移,势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了反向扩散电流。,类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度,式中，Js不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。Jr与反向电压Vr无关，是因为当反向电压V的绝对值足够大时，边界上的少子浓度为零。,p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：,正向：V=Vf反向：V=-Vr,p-n结的伏-安特性,（3）p-n结伏安特性,p-n结正偏时，正向电流随外加电压按指数规律增加，正向电流增长的速率很大。反向偏置时，反向电流很小，这就是p-n结的单向导电性。,Ge、Si、GaAs：0.3、0.7、1V,影响p-n结伏-安特性的主要因素：,实际伏安特性曲线与理想曲线存在一定误差：正向低电压时，实验所得的电流偏大，正向电压较高时，电流偏小；反向电流偏大且不饱和。,产生偏差的原因：,（1）正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。（2）在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。,p-n结的直流伏-安特性表明：1。具有单向导电性。2。具有可变电阻性。3.p-n结的交流特性表明,p-n结还具有可变电容的性质。,特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。,4.p-n结电容,p-n结电容往往使p-n结的整流特性变坏，晶体管的高频特性变坏。但p-n结的电容效应也可以加以应用。如变容二极管及某些集成电路中的电容。,p-n结电容包括势垒电容和扩散两部分。,（1）势垒电容CT,由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应-势垒电容,势垒电容可以类比平板电容。电压的变化，引起空间电荷的变化，这类同于平板电容的充放电。但他们也不完全相同，势垒电容的势垒宽度随外加电压V变化，不同电压对应于不同的电容值，而平板电容之间的距离不变，电容值不随外加电压而变化。,势垒电容应用微分来表示,对于线性缓变结,对于突变结：,由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容。,(2)扩散电容,CT与CD都与p-n结的面积S成正比，且随外加电压而变化，所以是一种非线性电容。,点接触式二极管面积很小，CT、CD：0。51pF,面结型二极管中的整流管面积大，CT、CD：几十几百pF,（3）总电容,p-n结的总电容为两者之和：,正向偏置p-n结时，以CD为主，CjCD反向偏置p-n结时，以CT为主，CjCT,5.p-n结的击穿,在反向偏置下，当反向电压很大时，p-n结的反向电流突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性-p-n结的击穿。,p-n结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子-空穴对碰撞电离。,(1)雪崩击穿,新产生的电子空穴对再分别与其它的中性原子碰撞，又产生新的电子空穴对。如此连锁反应，使得势垒区中载流子的数量倍增式的急剧增多，因而p-n结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。,影响雪崩击穿电压的主要因素：,1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.,2.势垒宽度:势垒宽度足够宽.,3.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.,4.温度:温度升高,击穿电压增大.,(2)齐纳击穿(隧道击穿),是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制.,根据量子力学的观点,当势垒宽度XAB足够窄时,将有电子穿透禁带.当外加反向电压很大时,能带倾斜严重,势垒宽度XAB变得更窄.造成很大的反向电流.使p-n结击穿.,影响齐纳击穿电压的主要因素：,1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.,2.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.,3.温度:温度升高,击穿电压下降.,齐纳击穿电压具有负的温度系数,而雪崩击穿电压具有正的温度系数,这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法.,掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿.相反,易发生雪崩击穿.,(3)热击穿,禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿.,6.p-n结中的隧道效应,当p-n结的两边都是重掺杂时:(1)费米能级分别进入导带和价带.(2)势垒十分薄.,在外加正向或反向电压下,有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流.隧道电流,平衡时,加正向电压的情况,加反向电压的情况,7.p-n结的光生伏特效应,如果用hEg的光照射具有p-n结结构的半导体表面,那么只要结的深度在光的透入深度范围内,光照的结果将在光照面和暗面之间产生光电压.光生伏特效应.,试述平衡p-n结形成的物理过程.它有什么特点?画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向.2.内建电势差VD受哪些因素的影响?锗p-n结与硅p-n结的VD哪个大?为什么?3.试比较平衡p-n结,正向偏置p-n结,反向偏置p-n结的特点.4.写出p-n结整流方程,并说明方程中每一项的物理意义?5.p-n结的理想伏-安特性与实际伏-安特性有哪些区别?产生的原因是什么?,复习与思考,6.p-n结为什么有电容特性?与普通电容相比有哪些相似之处?有哪些区别?7.p-n结击穿主要有哪几种?说明各种击穿产生的原因和条件.影响它们的因素有哪些?8.在隧道二极管中,n区常重掺杂使EFn位于导带中,p区重掺杂使EFp位于价带中,画出这种二极管在零偏时的能带图,并说明外加正偏或反偏时,能带将如何变化?9.隧道二极管与一般p-n二极管的伏-安特性有什么不同?它有什么优点?10.解释光生伏特效应,说明太阳能电池的工作原理.,4.2 金-半接触,1.能带图,(1)M-S(n型),WmWs,n型阻挡层,(2)M-S(n型),WmWs,n型反阻挡层,(3)M-S(p型),WmWs,p型阻挡层,(4)M-S(p型),Wm Ws,p型反阻挡层,（对阻挡层而言）,金属与半导体接触可以形成阻挡层（肖特基势垒）与反阻挡层，前者具有与p-n结相似的整流特性，而后者具有欧姆特性。,外加电压对n型半导体的影响：,（1）加正电压（金属接“+”）,2.整流特性,（2）加反向电压（金属接“”）,扩散理论：假设势垒区宽度较半导体内的电子的平均自由程长，必须同时考虑电子在势垒区的漂移和扩散运动。,热电子发射：假设势垒区宽度较电子的平均自由程短，故可略去电子在势垒区的碰撞，当电子的热运动有足够大的动能超越势垒的顶点时，就可以自由地通过势垒区进入金属。同样，金属中能超越势垒顶的电子也都能到达半导体内。,Ge、Si、GaAs：迁移率较大，则电子平均自由程较大。,一般采用热电子发射理论，得：,其中：,A结面积 A*有效理查逊常数,实际I-V特性将偏离理想情况。如,1.反向电流不饱和现象,2.正向电流上升比较缓慢.,3.肖特基势垒二极管,(1)结构,(2)与p-n结二极管的比较,SDB与p-n结二极管相比的主要特点是:,1.SDB是多数载流子器件,而p-n结二极管电流取决于非平衡少数载流子的扩散运动.,2.p-n结二极管中,少数载流子注入造成非平衡载流子在势垒区两侧界面的积累,外加电压变化,电荷积累和消失需有一弛豫过程(电荷存储效应),严重影响了p-n结二极管的高频性能.SDB器件不发生电荷存储现象,使得它在高频、高速器件中有重要作用。,3。SDB的正向开启电压比p-n的低；而反向饱和电流比p-n的大。这是因为多数载流子电流远高于少数载流子电流。SDB中通常存在额外的漏电流和软击穿。,4.欧姆接触,由于表面态的影响，不能通过选择金属的功函数来实现欧姆接触（理论上说，WmWps可形成反阻挡层）。,在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。采用重掺杂半导体与金属接触。,从电学上讲，理想的欧姆接触的接触电阻应当很小，同时还应具有线性的和对称的电流电压关系。,（1）.表面态对接触势垒的影响,WmWs,WmWs,WmWs,（2）欧姆接触的实现,用重掺杂的半导体与金属接触,4.3 半导体表面理论,1.表面空间电荷区的特性,采用MIS结构来研究半导体表面(以p型半导体为例）.,垂直表面的外加电场使半导体表面形成空间电荷区.,一.多子堆积状态(VG0),二.多子耗尽状态(VG0),三.反型状态(VG0),ns pp0 强反型,半导体的掺杂浓度越高,越不容易满足强反型的条件.,N沟道,Vs表面电势,四.应用,MOS场效应管,复习与思考,1.金属和半导体的功函数是如何定义的?2.分析n型和p型半导体形成阻挡层和反阻挡层的条件,并画出金半接触时的能带图.(忽略表面态的影响)3.试比较p-n结和肖特基结的主要异同点.指出肖特基二极管具有哪些重要特点.4.金属与重掺杂的半导体接触能够形成欧姆接触,说明其物理原理.5.什么是表面空间电荷区?6.以n型半导体为例,画出积累、耗尽、反型三种状态下的能带图。7。什么叫“强反型”？发生“强反型”的条件是什么？,4.4 半导体的异质结,一 能带图,1.p-n型,2.n-p型,空穴耗尽,电子耗尽,3.p-p型,空穴积累,空穴耗尽,4.n-n 型,电子积累,电子耗尽,二.异质结的主要性质,1.可提高注入比,2.窗口效应,3.限制光子的光波导壁界,4.限制载流子的势垒,在总电流中电子电流与空穴电流之比，称为电子的注入比。,下面以p-n型为例，并借用同质p-n结的电流表达式，做些定性的讨论。,外加正偏：,1.可提高注入比,2.窗口效应,应用:,1.太阳能电池,2.发光二极管,3.限制光子的光波导壁界,4.限制载流子的势垒,以半导体激光器为例来讨论,产生激光的必要条件:,1.形成粒子分布反转,使受激辐射占优势;,2.具有共振腔,以实现光量子放大.,3.至少达到阈值电流,即增益至少等于损耗.,(1),2,(2),(3),