半导体物理学第六章

1、 半导体中的电子状态半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性半导体的导电性 非平衡载流子非平衡载流子 pn结结 金属和半导体的接触金属和半导体的接触 半导体表面与半导体表面与MIS结构结构 半导体异质结构半导体异质结构半导体物理学结型器件种类 PN结型二极管（第六章）(b) (c)PN结二极管原理性结构(a), 符号(b)与I-V特性曲线(c) 1(DSDkTqVeII肖特基结二极管（第七章）金属与半导体接触金属金属与掺杂半导体接触形成的肖特基二极管的工作原理 基于GaAs和InP的MESFET和HEMT

2、器件中，其金属栅极与沟道材料之间形成的结就属于肖特基结。因此，它们的等效电路中通常至少包含栅-源和栅-漏两个肖特基结二极管。MOS晶体管的基本结构（第八章）MOS管的物理结构与电路符号欧姆接触第6章 pn 结 6.1 pn结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应 6.1.1PN结形成及杂质分布结形成及杂质分布 PNPN结是同一块半导体晶体内结是同一块半导体晶体内P P型区和型区和N N型区之间的型区之间的边界边界 PNPN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件理有助于更好地理

3、解器件 典型制造过程典型制造过程合金法合金法扩散法扩散法1.合金法液体为铝硅熔融体液体为铝硅熔融体 ，p型半导体为高浓度铝的型半导体为高浓度铝的硅薄层硅薄层合金结的杂质分布：合金结的杂质分布：NDNAN(x)xp n单边突变结（单边突变结（ P+-n结）：结）：由两边杂质浓度相差很大由两边杂质浓度相差很大的的p、n型半导体形成的型半导体形成的p-n结为单边突变结。结为单边突变结。p区的施主杂质浓度为区的施主杂质浓度为1019cm-3 ,而而n区的杂质浓度区的杂质浓度为为1016cm-3 。浅结、重掺杂（浅结、重掺杂（3um） 上面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析6.1.2空间电荷

4、区 空间电荷区空间电荷区 在在PN结的交界面附近，由于扩散运动使结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和区和N 区分区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。 扩散运动扩散运动 P型和型和N型半导体结合在一起时，由于交界型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的区的电子必然向电子必然向P区运动，区运动，P区的

5、空穴也向区的空穴也向N区运动，这种由于区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。浓度差而引起的运动称为扩散运动。 漂移运动漂移运动 在扩散运动同时，在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区区空穴向空穴向P区漂移，区漂移，P区的电子向区的电子向N区漂移。区漂移。 内部电场内部电场由空间电荷区（即由空间电荷区（即PN结的交界面两结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由侧的带有相反

6、极性的离子电荷）将形成由N区指区指向向P区的电场区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。的扩散，加速少子的漂移。 耗尽层耗尽层在无外电场或外激发因素时，在无外电场或外激发因素时，PN结处结处于动态平衡没有电流，内部电场于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。PN结的形成结的形成6.1.3PN结能带图：结能带图： 平衡的平衡的PN结，结，没有外加偏压没有外加偏压载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等

7、)，形成自建场和自建势形成自建场和自建势图图6-8电势电势电子势能电子势能(能带能带) 费米能级费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：级被电子占据的几率为： E=EF时，能级被占据的几率为时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁带中央本征费米能级位于禁带中央kTEEFeEf/ )(11)(自建势自建势qVD平衡时的能带结构平衡时的能带结构0 xEnjFnn0 xEpjFpp0dxdEF费米能级平直费米能级平直6.1.4PN结接触电势差：内建电势结接触电势差：内建电势 EC EfnEVEC Ef pEV- - - - - -EF q

8、VDqVDx空间电荷区空间电荷区空间电荷区内电势由空间电荷区内电势由 np区不断下降，区不断下降，空间电荷区内电势能由空间电荷区内电势能由np区不断升高，区不断升高，p区能带相对向上移，区能带相对向上移， n区能带向下移，至费米能区能带向下移，至费米能级相等，级相等， n-p结达平衡状态，没有净电流通过。结达平衡状态，没有净电流通过。 势垒高度：势垒高度：qVD = EFnEFpxV(x)VD-xpxnx qVDqVDxqV(x)0 xn-xp接触电势差)(ln)(ln)(1/;)(1ln)exp();exp(200002000000000iADpnFpFnDAipDnFpFnpniFpipi

9、FninFpFnDnNNqTknnqTkEEqVNnnNnEETknnTkEEnnTkEEnnEEqVPNPN结的内建电结的内建电势决定于掺杂势决定于掺杂浓度浓度N ND D、N NA A、材料禁带宽度材料禁带宽度以及工作温度以及工作温度2lnADDiN NkTVqn式中 NA：P区掺杂浓度； ND：N区掺杂浓度 ni ：本征载流子浓度 0.026 300tkTVVTKq对于锗PN结，通常可取VD=0.30.4V对于硅PN结，通常可取 VD=0.60.7V热电压热电压图图6-8电势电势电子势能电子势能(能带能带)6.1.5p-n载流子的分布载流子的分布 当电势零点取当电势零点取x=-xx=-x

10、p p处处, ,则有则有: : 势垒区的载流子浓度为势垒区的载流子浓度为: :)()(xqVExECCCCpExExx)(,DCCnqVExExx)(,()()()0( )=CFCFEqVxEEEqVxkTkTkTCCqVxkTpn xNeNeenekTxqVpkTxqVEEVepeNxpVF)(0)()()()(xqVExEVV即有即有:00 pppxxnnpp 00 nnnxxnnpp0000 DDeVeVkTkTnpnpnn epp e( )( )00( ) ( )npeV xeV xkTkTppxxxn xn ep xp e图6-9 平衡平衡p-np-n结载流子浓度分布的基本特点结载流

11、子浓度分布的基本特点: : 同一种载流子在势垒区两边的浓度关同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼关系系服从玻尔兹曼关系 处处都有处处都有n np=np=ni i2 2 势垒区是势垒区是高阻区高阻区( (常称作常称作耗尽层耗尽层) )突变结Step Junction能带能带内建电势内建电势电场电场电荷电荷第6章 pn 结 6.1 pn结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应 6.2 pn结电流电压特性结电流电压特性 V 0条件下的突变结：条件下的突变结：外加电压全部降落在外加电压全部降落在耗尽区，耗尽区，V V大于大于0 0时，使

12、耗尽区势垒下降，时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为反之上升。即耗尽区两侧电压为V VD D-V-V正偏能带图正偏能带图反偏反偏PN结结准费米能级准费米能级正偏：少子扩散；反偏：少子抽取正偏：少子扩散；反偏：少子抽取x xn np p0 0p pn n( (x x) )p pn n0 0n np p( (x x) )x xp pn n( (x xn n) )n np p( (- -x xp p) )n np p( (x x) )p pn n( (x x) )p pn n0 0n np p0 06.2.2理想二极理想二极管方程管方程 PN结正偏时理想二极管方程理想二极管方程 PN结

13、反偏时定量方程定量方程 基本假设P P型区及型区及N N型区掺杂均匀分布，是突变结。型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在，载流子在PNPN结中一维流动。结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, , 不考虑不考虑空间电荷区的产生空间电荷区的产生复合作用。复合作用。P P型区和型区和N N型区的电阻率都足够低，外加电压全型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。部降落在过渡区上。PN结电流结电流1/00kTqVPn

14、PNpNeLpDLnDqAIAIJeJJeIIkTqVskTqV/,11/s，肖克莱方程：单向导电性肖克莱方程：单向导电性PN结电流与温度的关系结电流与温度的关系6.2.3与理想情况的偏差与理想情况的偏差* 大注入效应大注入效应 空间电荷区的复合空间电荷区的复合单向导电性应用单向导电性应用 整流二极管整流二极管 检波二极管检波二极管 开关二极管开关二极管第6章 pn 结 6.1 pn结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应 电容6.3.1 PN6.3.1 PN结电容的来源结电容的来源两端有等效电容，此电容由两部分组成：两端有等效电容，此电

15、容由两部分组成：势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒电容：势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是的电容是势垒电容势垒电容。扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流为了形成正向电流（扩散电流），注入（扩散电流），注入P 区的少子区的少子（电子）在（电子）在P 区有浓度差，越靠区有浓度差，越靠近近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电区有电子的积累。同理，在子的积累。同理，在N区有空穴的区有空穴的积累。正向电流大，积累

16、的电荷积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散多。这样所产生的电容就是扩散电容电容CD。P+-NCB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。 电容效应电容效应 p-np-n结有存储和释放电荷的能力。结有存储和释放电荷的能力。势垒电容势垒电容 C CT T 当当p-np-n结上外加电压变化，势垒区的结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应空间电荷相应变化所对应的电容效应. . 当当p-np-n结上外加的正向电压增加，势垒结上外加的正向电压增加，

17、势垒高度降低高度降低空间电荷减少空间电荷减少 当当p-np-n结上外加的反向电压增加，势垒结上外加的反向电压增加，势垒高度增加高度增加空间电荷增加空间电荷增加扩散电容扩散电容 C CD D 当当p-np-n结上外加电压变化，扩散区的结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应电容效应. . 当正向偏置电压增加，扩散区内的非平当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加衡载流子积累很快增加 在反向偏置下，非平衡载流子数变化不在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大大, ,扩散电容扩散电容 可忽略可忽略 p-np-n结的势垒电容和扩散

18、电容都随外加电结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化压而变化- - C CT T 和和C CD D都是微分电容都是微分电容: : C=dQ/dV C=dQ/dV6.3.2 6.3.2 突变结的势垒电容突变结的势垒电容1. 1.突变结的电场电势分布突变结的电场电势分布耗尽层近似下的耗尽层近似下的空间电荷空间电荷: : 突变结突变结+ +杂质完全电离杂质完全电离+ +耗尽近似耗尽近似的条件下，势垒的条件下，势垒区中电离杂质组成空间电荷区中电离杂质组成空间电荷 势垒宽度势垒宽度: X: XD D= = X Xp p +X+Xn n 势垒区中势垒区中单位面积的单位面积的正负电荷总量相等：正负电荷总量

19、相等： | |Q Q|=eN|=eNA AX Xp p =eN=eND DX Xn n( )(0)( )(0)ApDnxqNxxxqNxx 势垒区势垒区能带能带空间电荷分布空间电荷分布矩形近似矩形近似 电场电场: : 泊松方程：泊松方程： 积分一次积分一次22021202220( ),(0)( )(0)ApDnd Vxdxd VqNxxdxd VqNxxxdx 110220()(0)( )()(0)ApDndVqNxCxxdxdVqNxxCxxdx 利用边界条件定出待定常数得电场利用边界条件定出待定常数得电场在在x=0 x=0处处, , 内建电场数值达到极大内建电场数值达到极大 电势电势: :

20、 再积分一次得电势分布（抛物线），利用边界条件确再积分一次得电势分布（抛物线），利用边界条件确定待定系数定待定系数000ADMpnQeNeNExx110220()( )(0)()( )(0)AppDnnqNxxdVE xxxdxqNxxdVExxxdx 2110022200( )(0)2( )(0)22ApApDnDnqN xqNV xxxDxxqN xqNV xxxDxx 空间电荷空间电荷电场电场电势电势能带能带2. 2.突变结的势垒宽度宽度突变结的势垒宽度宽度: : 上面公式得到上面公式得到 利用X XD D= = X Xp p +X+Xn n和和N NA AX Xp p =N=ND DX

21、 Xn n可得可得 代入上式代入上式220()2ApDnDq N xN xV,ADDDnpDADAN XN XxxNNNN20()2ADDDDAN NqVXNN 则，则，平衡平衡p-np-n结结 当加外电压当加外电压V V ,ADDDnpDADAN XN XxxNNNN1202()DADDDANNXVeN N1202()()DADDDANNXVVeN N1202=()()DADnDDAeN NQ eN XVVNN 单边突变结单边突变结: : 势垒区主要在轻掺杂势垒区主要在轻掺杂一边一边 对对p p+ +-n-n结结, N, NB B代表代表N ND D 对对p-np-n+ +结结, N, NB

22、 B代表代表N NA AnDxX1202()DDBVVXeNpDxXP+-n结结3. 3. 突变结的突变结的势垒电容势垒电容 反向偏压下的反向偏压下的突变结突变结势垒电容势垒电容(单位面积单位面积):1202()()DATDADeN NCdQAdVNNVV0TDCAX1/21()TDCVV 几点说明几点说明: p-np-n结的结的势垒电容可以等效为一个平行势垒电容可以等效为一个平行板电容器板电容器,势垒宽度即两平行极板的距离势垒宽度即两平行极板的距离 这里求得的势垒电容这里求得的势垒电容, 主要适用于主要适用于反向反向偏置情况偏置情况单边突变结的势垒电容单边突变结的势垒电容:120002()B

23、TDBeNCAVVXd6.3.4 6.3.4 扩散电容扩散电容 扩散电容扩散电容C CD D 当当p-np-n结上外加电压变化，结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应所对应的电容效应. . ( ) ( )DpppxnxpDnnnCdQQp x edxAdVCdQQn x edxAdV 少子在扩散区中的分布少子在扩散区中的分布: : 在在空穴扩散区空穴扩散区 在在电子扩散区电子扩散区0()(), ()(1)nx xeVLkTnnnp xp xep xpe 0( )(), ()(1)Px xeVLkTpppn xnxenxne PN结

24、的结的 单位面积微分扩散电容为单位面积微分扩散电容为: 扩散电容在正向偏压和低频下起重要扩散电容在正向偏压和低频下起重要的作用的作用.2200()eVDppDnnDkTCe n LCe p LCeAAAkTkT第6章 pn 结 6.1 pn结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应 6.4 p-n6.4 p-n结击穿结击穿 现象现象: 对对p-n结施加反向偏压时结施加反向偏压时, 当反向偏压当反向偏压增大到某一数值时增大到某一数值时, 反向电流密度突然开反向电流密度突然开始迅速增大始迅速增大. 发生击穿时的反向偏压发生击穿时的反向偏压- p

25、-n结的击结的击穿电压穿电压. p-np-n结击穿的基本原因结击穿的基本原因: 载流子数目的突然增加载流子数目的突然增加.反向击穿反向击穿 电流急剧增加电流急剧增加 可逆可逆 雪崩倍增雪崩倍增 齐纳过程齐纳过程 不可逆不可逆 热击穿热击穿 击穿机理击穿机理: : 雪崩击穿雪崩击穿强电场下的碰撞电离强电场下的碰撞电离, 使载使载流子倍增流子倍增 隧道击穿隧道击穿大反向偏压下大反向偏压下, 隧道贯穿使隧道贯穿使反向电流急剧增加反向电流急剧增加 热电击穿热电击穿不断上升的结温不断上升的结温, 使反向饱使反向饱和电流持续地迅速增大和电流持续地迅速增大雪崩倍增雪崩倍增齐纳过程齐纳过程 产生了隧穿效应产生

26、了隧穿效应ELhEmPg324exp*隧道穿透几率隧道穿透几率P P：qEELg隧道长度隧道长度: :隧道击穿隧道击穿: VB6Eg/q第6章 pn 结 6.1 pn结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应 隧道效应隧道效应 隧道效应隧道效应能量低于势垒的粒子有一定能量低于势垒的粒子有一定的几率穿越势垒的几率穿越势垒. 这是一种量子力学效应这是一种量子力学效应 隧穿几率隧穿几率与势垒的高度有关与势垒的高度有关, 与势垒的与势垒的厚度有关厚度有关. 隧道二极管隧道二极管利用量子隧穿现象的器件利用量子隧穿现象的器件效应效应6.5 pn结隧道效

27、应结隧道效应 蒲松龄，聊斋志异 崂山道士的故事 日本科学家：江崎玲於奈Leo Esaki 1958年江崎博士发表了关于隧道二极管的论文。这种固体内部的隧道效果后被叫做“隧道分光学”，开拓了新的固体内部电子的研究领域。同时以江崎博士名字命名的“江崎二极管”的电子素子的开发研究也得以广泛进行。从此金属和超导体的隧道现象的研究有了飞跃发展。由于这一成就，江崎博士与B.D.约瑟夫森和I.贾埃佛共同获得1973年度诺贝尔物理学奖。江崎博士于1969年预言：如果能够在半导体单结晶里人工赋予一次元的周期构造变化，就会变成超晶格半导体，出现微分逆抵抗效果等奇特的现象。江崎博士开发了极为精密的分子束外延法(MB

28、E：Molecular Beam Epitaxy)，1972年在III-V族半导体中实现了超晶格半导体构造，并发现了先前预言的负性电阻和谐振隧道效应。同时江崎博士提出的超晶格概念为今后从半导体到金属甚至磁性材料等广泛的研究领域开拓了新的道路，发展了对未知特性的研究，为人类的发展作出了巨大贡献。1998年江崎博士因此贡献获得日本国际奖。1947东京大学理学部物理学科毕业1947神户工业株式会社1956东京通信工业株式会社（现索尼公司）1959理学博士（东京大学）1960美国IBMT. J. Watson研究所1975日本学士院会员1992-1998筑波大学校长2000芝浦工业大学校长 p-n p

29、-n结势垒区的隧道贯穿结势垒区的隧道贯穿隧道结隧道结 p-np-n结结, , 两边都是重掺杂两边都是重掺杂( (简并情况简并情况), ), 以至在以至在p p区区, E, EF F进入价带进入价带; ; 在在n n区区, E, EF F进入导带进入导带. .结果结果: n n区的导带底部与区的导带底部与p p区的价带顶部在能量区的价带顶部在能量上发生交叠上发生交叠 势垒十分薄势垒十分薄电子可以隧道贯穿势垒区电子可以隧道贯穿势垒区. .图6-29 隧道结的隧道结的I-V特性特性 正向电流一开始就随正向电压正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升的增加而迅速上升, ,达到一个极达到一个极大大,

30、( , (峰值电流峰值电流I Ip p, ,峰值电压峰值电压V Vp p ) ) 随后随后, ,电压增加电压增加, ,电流反而减少电流反而减少, ,达达到一个极小到一个极小,( ,(谷值电流谷值电流I Iv v, ,谷值电谷值电压压V Vv v) ) 在在V Vp p到到V Vv v的电压范围内的电压范围内, ,出现出现负负阻特性阻特性. . 当电压大于谷值电压后当电压大于谷值电压后, ,电流又电流又随电压而上升随电压而上升图6-27 0点点平衡平衡pn结结 1点点正向电流正向电流迅速上升迅速上升 2点点电流达到电流达到峰值峰值 3点点隧道电流隧道电流减少减少,出现负阻出现负阻 4点点-隧道电流隧道电流等于等于0 5点点反向电流反向电流随反向电压的随反向电压的增加而迅速增增加而迅速增加加小结小结 1、PN结的形成 （1）PN结 采用特殊的制作工艺，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，在两种半导体的交界处就会产生一个特殊的接触面，称之为PN结。 （2）空间电荷区：由于扩散运动使电子与空穴复合以后，在P区与N区的交界面处留下不能移动带正电和带负电的离子的区域，称为空间电荷区，这就是PN结，在空间电荷区中不再存在载流子，因此PN结又叫