半導(dǎo)體物理學(xué)第六章

半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)結(jié)型器件種類PN結(jié)型二極管（第六章）(a)(b) (c)PN結(jié)二極管原理性結(jié)構(gòu)(a),符號(b)與I-V特性曲線(c)肖特基結(jié)二極管（第七章）金屬與半導(dǎo)體接觸金屬與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的肖特基二極管的工作原理

基于GaAs和InP的MESFET和HEMT器件中，其金屬柵極與溝道材料之間形成的結(jié)就屬于肖特基結(jié)。因此，它們的等效電路中通常至少包含柵-源和柵-漏兩個肖特基結(jié)二極管。MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)（第八章）MOS管的物理結(jié)構(gòu)與電路符號歐姆接觸第6章pn

結(jié)6.1pn結(jié)及其能帶圖

6.2pn結(jié)電流電壓特性

6.3pn結(jié)電容

6.4pn結(jié)擊穿

6.5pn結(jié)隧道效應(yīng)6.1.1PN結(jié)形成及雜質(zhì)分布PN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造過程合金法擴(kuò)散法1.合金法液體為鋁硅熔融體，p型半導(dǎo)體為高濃度鋁的硅薄層合金結(jié)的雜質(zhì)分布：NDNAN(x)xpn單邊突變結(jié)（P+-n結(jié)）：由兩邊雜質(zhì)濃度相差很大的p、n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)為單邊突變結(jié)。p區(qū)的施主雜質(zhì)濃度為1019cm-3,而n區(qū)的雜質(zhì)濃度為1016cm-3。淺結(jié)、重?fù)诫s（<1um）或外延的PN結(jié)2.擴(kuò)散法通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝形成p-n結(jié)。nSiSiO2nSinSiP緩變結(jié)：

雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的p-n結(jié)為緩變結(jié)。深結(jié)（>3um）

上面兩種分布在實際器件中最常見也最容易進(jìn)行物理分析6.1.2空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)

——在PN結(jié)的交界面附近，由于擴(kuò)散運動使電子與空穴復(fù)合，多子的濃度下降，則在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。擴(kuò)散運動

——P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于交界面（接觸界）兩側(cè)多子和少子的濃度有很大差別，N區(qū)的電子必然向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴也向N區(qū)運動，這種由于濃度差而引起的運動稱為擴(kuò)散運動。漂移運動

——在擴(kuò)散運動同時，PN結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成電荷區(qū)，（或稱阻擋層，耗盡區(qū)等），在空間電荷區(qū)形成的內(nèi)部形成電場的作用下，少子會定向運動產(chǎn)生漂移，即N區(qū)空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。內(nèi)部電場——由空間電荷區(qū)（即PN結(jié)的交界面兩側(cè)的帶有相反極性的離子電荷）將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場E，這一內(nèi)部電場的作用是阻擋多子的擴(kuò)散，加速少子的漂移。耗盡層——在無外電場或外激發(fā)因素時，PN結(jié)處于動態(tài)平衡沒有電流，內(nèi)部電場E為恒定值，這時空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，故稱為耗盡層。PN結(jié)的形成6.1.3PN結(jié)能帶圖：平衡的PN結(jié)，沒有外加偏壓載流子漂移(電流)和擴(kuò)散(電流)過程保持平衡(相等)，形成自建場和自建勢自建場和自建勢圖6-8電勢電子勢能(能帶)能帶結(jié)構(gòu)費米能級EF：反映了電子的填充水平某一個能級被電子占據(jù)的幾率為：E=EF時，能級被占據(jù)的幾率為1/2本征費米能級位于禁帶中央自建勢qVD平衡時的能帶結(jié)構(gòu)費米能級平直6.1.4PN結(jié)接觸電勢差：內(nèi)建電勢EC

EfnEVEC

EfpEV------EF－－－－－－－－－－qVDqVDx空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電勢由np區(qū)不斷下降，空間電荷區(qū)內(nèi)電勢能由np區(qū)不斷升高，p區(qū)能帶相對向上移，n區(qū)能帶向下移，至費米能級相等，n-p結(jié)達(dá)平衡狀態(tài)，沒有凈電流通過。

勢壘高度：qVD=EFn—EFpxV(x)VD-xpxnx－－－－－－－－－－qVDqVDxqV(x)0xn-xp接觸電勢差PN結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度式中NA：P區(qū)摻雜濃度；

ND：N區(qū)摻雜濃度

ni

：本征載流子濃度

對于鍺PN結(jié)，通常可取VD=0.3—0.4V

對于硅PN結(jié)，通?？扇D=0.6—0.7V熱電壓圖6-8電勢電子勢能(能帶)6.1.5p-n載流子的分布

?

當(dāng)電勢零點取x=-xp處,則有:

?勢壘區(qū)的載流子濃度為:即有:圖6-9平衡p-n結(jié)載流子濃度分布的基本特點:?同一種載流子在勢壘區(qū)兩邊的濃度關(guān)系服從玻爾茲曼關(guān)系?處處都有n?p=ni2?勢壘區(qū)是高阻區(qū)(常稱作耗盡層)突變結(jié)StepJunction能帶內(nèi)建電勢電場電荷第6章pn

結(jié)6.1pn結(jié)及其能帶圖

6.2pn結(jié)電流電壓特性

6.3pn結(jié)電容

6.4pn結(jié)擊穿

6.5pn結(jié)隧道效應(yīng)6.2pn結(jié)電流電壓特性V0條件下的突變結(jié)：外加電壓全部降落在耗盡區(qū)，V大于0時，使耗盡區(qū)勢壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側(cè)電壓為VD-V正偏能帶圖反偏PN結(jié)準(zhǔn)費米能級正偏：少子擴(kuò)散；反偏：少子抽取6.2.2理想二極管方程PN結(jié)正偏時理想二極管方程PN結(jié)反偏時定量方程基本假設(shè)P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。電中性區(qū)寬度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長度。冶金結(jié)為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應(yīng)，載流子在PN結(jié)中一維流動?？臻g電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度,不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生—復(fù)合作用。P型區(qū)和N型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降落在過渡區(qū)上。PN結(jié)電流肖克萊方程：單向?qū)щ娦訮N結(jié)電流與溫度的關(guān)系6.2.3與理想情況的偏差*大注入效應(yīng)空間電荷區(qū)的復(fù)合單向?qū)щ娦詰?yīng)用整流二極管檢波二極管開關(guān)二極管第6章pn

結(jié)6.1pn結(jié)及其能帶圖

6.2pn結(jié)電流電壓特性

6.3pn結(jié)電容

6.4pn結(jié)擊穿

6.5pn結(jié)隧道效應(yīng)電容6.3.1PN結(jié)電容的來源PN結(jié)的兩端有等效電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。P+-NCB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略?！镫娙菪?yīng)p-n結(jié)有存儲和釋放電荷的能力。①勢壘電容CT—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，勢壘區(qū)的空間電荷相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng).?當(dāng)p-n結(jié)上外加的正向電壓增加，勢壘高度降低空間電荷減少?當(dāng)p-n結(jié)上外加的反向電壓增加，勢壘高度增加空間電荷增加②擴(kuò)散電容

CD—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，擴(kuò)散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng).?當(dāng)正向偏置電壓增加，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的非平衡載流子積累很快增加?在反向偏置下，非平衡載流子數(shù)變化不大,擴(kuò)散電容可忽略p-n結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化--CT

和CD都是微分電容:C=dQ/dV6.3.2突變結(jié)的勢壘電容

1.突變結(jié)的電場電勢分布①耗盡層近似下的空間電荷:

突變結(jié)+雜質(zhì)完全電離+耗盡近似的條件下，勢壘區(qū)中電離雜質(zhì)組成空間電荷勢壘寬度:XD=Xp

+Xn勢壘區(qū)中單位面積的正負(fù)電荷總量相等：

|Q|=eNAXp

=eNDXn勢壘區(qū)能帶空間電荷分布矩形近似

②電場:?泊松方程：?

積分一次?利用邊界條件定出待定常數(shù)得電場在x=0處,內(nèi)建電場數(shù)值達(dá)到極大

③電勢:再積分一次得電勢分布（拋物線），利用邊界條件確定待定系數(shù)空間電荷電場電勢能帶2.突變結(jié)的勢壘寬度寬度:

上面公式得到利用XD=Xp

+Xn和NAXp

=NDXn可得代入上式?則，平衡p-n結(jié)

?當(dāng)加外電壓V

?單邊突變結(jié):?勢壘區(qū)主要在輕摻雜一邊

?對p+-n結(jié),NB代表ND?對p-n+結(jié),NB代表NAP+-n結(jié)3.突變結(jié)的勢壘電容反向偏壓下的突變結(jié)勢壘電容(單位面積):幾點說明:①p-n結(jié)的勢壘電容可以等效為一個平行板電容器,勢壘寬度即兩平行極板的距離②這里求得的勢壘電容,主要適用于反向偏置情況③單邊突變結(jié)的勢壘電容:6.3.4擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，擴(kuò)散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng).

少子在擴(kuò)散區(qū)中的分布:

?在空穴擴(kuò)散區(qū)

?在電子擴(kuò)散區(qū)

PN結(jié)的單位面積微分?jǐn)U散電容為:

?擴(kuò)散電容在正向偏壓和低頻下起重要的作用.第6章pn

結(jié)6.1pn結(jié)及其能帶圖

6.2pn結(jié)電流電壓特性

6.3pn結(jié)電容

6.4pn結(jié)擊穿

6.5pn結(jié)隧道效應(yīng)

6.4p-n結(jié)擊穿現(xiàn)象:

對p-n結(jié)施加反向偏壓時,當(dāng)反向偏壓增大到某一數(shù)值時,反向電流密度突然開始迅速增大.

發(fā)生擊穿時的反向偏壓--p-n結(jié)的擊穿電壓.p-n結(jié)擊穿的基本原因:

載流子數(shù)目的突然增加.反向擊穿電流急劇增加可逆雪崩倍增齊納過程不可逆熱擊穿擊穿機(jī)理:

?雪崩擊穿—強(qiáng)電場下的碰撞電離,使載流子倍增?隧道擊穿—大反向偏壓下,隧道貫穿使反向電流急劇增加

?熱電擊穿—不斷上升的結(jié)溫,使反向飽和電流持續(xù)地迅速增大雪崩倍增齊納過程產(chǎn)生了隧穿效應(yīng)E隧道穿透幾率P：隧道長度:隧道擊穿:VB<4Eg/q雪崩擊穿：VB>6Eg/q第6章pn

結(jié)6.1pn結(jié)及其能帶圖

6.2pn結(jié)電流電壓特性

6.3pn結(jié)電容

6.4pn結(jié)擊穿

6.5pn結(jié)隧道效應(yīng)

★隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)—能量低于勢壘的粒子有一定的幾率穿越勢壘.這是一種量子力學(xué)效應(yīng)

隧穿幾率與勢壘的高度有關(guān),與勢壘的厚度有關(guān).

隧道二極管—利用量子隧穿現(xiàn)象的器件效應(yīng)6.5pn結(jié)隧道效應(yīng)蒲松齡，聊齋志異《嶗山道士》的故事日本科學(xué)家：江崎玲於奈LeoEsaki1958年江崎博士發(fā)表了關(guān)于隧道二極管的論文。這種固體內(nèi)部的隧道效果后被叫做“隧道分光學(xué)”，開拓了新的固體內(nèi)部電子的研究領(lǐng)域。同時以江崎博士名字命名的“江崎二極管”的電子素子的開發(fā)研究也得以廣泛進(jìn)行。從此金屬和超導(dǎo)體的隧道現(xiàn)象的研究有了飛躍發(fā)展。由于這一成就，江崎博士與B.D.約瑟夫森和I.賈埃佛共同獲得1973年度諾貝爾物理學(xué)獎。江崎博士于1969年預(yù)言：如果能夠在半導(dǎo)體單結(jié)晶里人工賦予一次元的周期構(gòu)造變化，就會變成超晶格半導(dǎo)體，出現(xiàn)微分逆抵抗效果等奇特的現(xiàn)象。江崎博士開發(fā)了極為精密的分子束外延法(MBE：MolecularBeamEpitaxy)，1972年在III-V族半導(dǎo)體中實現(xiàn)了超晶格半導(dǎo)體構(gòu)造，并發(fā)現(xiàn)了先前預(yù)言的負(fù)性電阻和諧振隧道效應(yīng)。同時江崎博士提出的超晶格概念為今后從半導(dǎo)體到金屬甚至磁性材料等廣泛的研究領(lǐng)域開拓了新的道路，發(fā)展了對未知特性的研究，為人類的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。1998年江崎博士因此貢獻(xiàn)獲得日本國際獎。1947東京大學(xué)理學(xué)部物理學(xué)科畢業(yè)1947神戶工業(yè)株式會社1956東京通信工業(yè)株式會社（現(xiàn)索尼公司）1959理學(xué)博士（東京大學(xué)）1960美國IBM

T.J.Watson研究所1975日本學(xué)士院會員1992-1998筑波大學(xué)校長2000芝浦工業(yè)大學(xué)校長★p-n結(jié)勢壘區(qū)的隧道貫穿隧道結(jié)—p-n結(jié),兩邊都是重?fù)诫s(簡并情況),以至在p區(qū),EF進(jìn)入價帶;在n區(qū),EF進(jìn)入導(dǎo)帶.結(jié)果:

①n區(qū)的導(dǎo)帶底部與p區(qū)的價帶頂部在能量上發(fā)生交疊

②勢壘十分薄電子可以隧道貫穿勢壘區(qū).圖6-29

★隧道結(jié)的I-V特性正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升,達(dá)到一個極大,(峰值電流Ip,峰值電壓Vp

)隨后,電壓增加,電流反而減少,達(dá)到一個極小,(谷值電流Iv,谷值電壓Vv)

在Vp到Vv的電壓范圍內(nèi),出現(xiàn)負(fù)阻特性.當(dāng)電壓大于谷值電壓后,電流又隨電壓而上升圖6-27

0點—平衡pn結(jié)

1點—正向電流迅速上升

2點—電流達(dá)到峰值

3點—隧道電流減少,出現(xiàn)負(fù)阻

4點--隧道電流等于05點—反向電流隨反向電壓的增加而迅速增加小結(jié)1、PN結(jié)的形成（1）PN結(jié)采用特殊的制作工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起，在兩種