1、电子工程物理基础（5）,聂萌东南大学电子科学与工程学院,第5章 半导体中电子的控制,5.1 半导体与外界作用,5.2 半导体与半导体,5.3 半导体与金属,5.4 半导体与绝缘体,5.1 半导体与外界作用,一.半导体与热,温度可以影响,载流子的浓度,载流子的分布,载流子浓度不均匀,扩散运动,低温弱电离,中温全电离,高温本征激发,温度不均匀,1.温度对浓度的影响,由4.2得知,（1）n T,分析、讨论,希望器件工作在此温区,（2）EF T,EF ED的相对位置反映了半导体中载流子的电离程度,低温,中温,（掺杂一定）,（3）EF 掺杂（T一定，则NC也一定）,T一定，NA越大，EF越靠近EV。,中
2、温,2.局部热对分布的影响,温度不均匀,载流子浓度不均匀,载流子扩散,内建电场,温差电动势,均匀温度梯度下的半导体的能带图,+,-,温差电动势的方向与半导体导电类型相关。所以可以利用热探针法判断半导体导电类型。,二.半导体与光,产生非平衡载流子,半导体中会出现阻碍多子扩散的内建电场，导致能带弯曲。但当光注入载流子量很小时，该内建电场可以忽略。,类似于温差电动势，半导体吸收光子也会产生电动势光生伏特效应。,一类是发生在均匀半导体材料内部丹倍效应 非平衡载流子扩散速度的差异而引导起的光照方向产生电场和电位差。,一类是发生在半导体的界面pn结光生伏特效应 （常用于太阳能电池） 光在界面层被吸收，产生
3、电子空穴对。通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子和空穴向相反方向运动。产生一个向外的可测试的电压。,光生伏特效应,三.半导体与磁,1.霍耳效应,通了电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。,磁场 洛仑兹力 改变载流子运动的方向,比例系数RH 霍尔系数,- - -+ + + +,洛仑兹力,电场力,霍尔效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，以及判断材料的导电类型。还可制作霍尔器件。,霍尔电压的正负相反,p型,n型,同理：,（2）测定载流子浓度及迁移率,或,三参量已知，测出VH求出RH,求出n或p,测出电导率,可求出霍尔迁移率,（
4、3）霍尔器件,保持其中一个量不变，另一个或两个作变量，应用于不同场合。,（b-宽 d-厚）,2. 回旋共振,Cyclotron resonance experiments,测 m*,一些物质如半导体中的载(电)流子在一定的恒定(直流)磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振(常称回旋共振),电子的初速度为v ,在恒定磁场（B）中：,回旋频率,原 理,均匀磁场,实验方法,发生共振吸收,以硅为例,回旋共振实验现象：,（1）B沿111方向，观察到一个吸收峰。,（2）B沿110方向，观察到两个吸收峰。,（3）B沿100方向，观察到两个吸收峰。,（4）B沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。,四.半导体与力,压
5、阻效应是指半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。,半导体,施加力,晶格间距变化,周期势场变化,能带结构变化,迁移率变化,电导率变化,压阻系数，四阶张量。反映压电效应的强弱。,T应力（单位截面所受力）,半导体应变计 压敏二极管 压敏晶体管,控制载流子的迁移率,应用：压阻式压力传感器、压阻式加速度计传感器,第5章 半导体中电子的控制,5.1 半导体与外界作用,5.3 半导体与金属,5.2 半导体与半导体,5.4 半导体与绝缘体,5.2 半导体与半导体,半导体与半导体,同质结,异质结,p-n结,
6、n+-n、p+-p结,同型n-n、p-p,异型n-p、p-n,p-n结基本结构,(1) Alloyed Junctions (合金结),(2) Diffused Junctions (扩散结),(3) Ion Implantation (离子注入),(4) Epitaxial Growth (外延生长),1. 制备方法,最常用,一.p-n结,合金温度,降温再结晶,(1) Alloyed Junctions (合金结),(2) Diffused Junctions (扩散结),扩散系统,(3) Ion Implantation (离子注入),2 . pn结区(Space charge regio
7、n)的形成,+,-,内建电场E,刚接触，扩散,（达到动态平衡）,扩散=漂移,建立内建电场,漂移,P型半导体,n型半导体,阻挡层,耗尽区 Depletion region,当p型半导体和n型半导体接触在一起时,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.,缓变结与突变结,1. Alloyed Junctions (合金结),2. Diffused Junctions (扩散结),3. Ion Implantation (离子注入),4. Epitaxial Growth (外延生长),合金结、
8、高表面浓度的浅扩散结,深扩散结,突变结空间电荷区的电场E(x)、电势V(x)、宽度XD,泊松方程 poissons equation:,In the p-region:,所以,In the n-region:,及,突变结,空间电荷区宽度XD,掺杂浓度高的一侧，空间电荷区域窄。,其中：,空间电荷区宽度(Space charge region width),3. pn结能带 (Enery band ),势垒区,- +,0 VD,nno,ppo,势垒区,- +,0 VD,nno,ppo,势垒区 高度qV ？ 空间电荷区的接触电势差 V？,势垒区 宽度 XD ？ 空间电荷区 宽度XD ？,各区域的载流
9、子浓度分布 n（X）、p（X）？,n(x),4. pn结的物理参量,n型半导体中的电子浓度为,p型半导体中的电子浓度为,接触电势差VD,* 势垒高度 qVD ND、NA 、Eg,接触电势差 (The Contact Potential),载流子分布,-Xp,Xn,Carrier distributions,或,二.p-n结的常规特性,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。,现假设:,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. Pn结的I-V特性,nn0,np0,正向偏压下,外加电场与内建电场方向相反，
10、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。,(1) 正向偏置 （ Forward bias）,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,非平衡态,Space charge region,Neutral region,Diffusion region,外加正向偏压,这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。,P区空穴向n区扩散空穴扩散电流,n区电子向P区扩散电子扩散电流,与外加电压关系是什么？,平衡时,正向偏置,正向偏置下的能带图,正向偏置下的电流,考虑-xp截面：,忽略了势垒区载流子的产生和复合：,根据电流连续性原理，通过p-n结
11、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。,样品足够厚,同理：,肖克莱方程,外加电场Vr与内建电场方向一致,漂移扩散,(2)反向偏置 （Reverse bias）,VD增大为（VD+Vr），相应地势垒区加宽,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。,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,
12、（3）I-V characteristic of a p-n junction,p-n结的伏-安特性,单向导电性-整流,Ge、Si、GaAs： 0.3、 0.7、1V,具有可变电阻性,结论,VT,Eg VD VT,p-n结的单向导电性-整流,p-n结的温度效应,其中：,均与T有关,正向电流密度随温度上升而增加。,2. p-n结电容 (Capacitance of p-n Junctions),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。,p-n结电容包括势垒电容和扩散电容两部分,（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,也称结电容（Ju
13、nction capacitance）,势垒电容,对于线性缓变结：,对于突变结,对于突变结：,* 耗尽层近似条件成立,正偏下：,其中 :,对于线性缓变结：,扩散电容,(2) 扩散电容,也称电荷存储电容（charge storage capacitance ）,同理：,那么，,显然， CT与CD都与p-n结的面积A成正比，且随外加电压而变化。,（3）总电容,p-n结的总电容为两者之和：,大正向偏置p-n结时，以CD为主，CjCD 小正向偏置或反向偏置p-n结时， 以CT为主，CjCT,影响p-n结伏-安特性的主要因素：,产生偏差的原因：,（1）正向小电压时忽略了势垒区的复合电流；正向大电压时忽略
14、了扩散区的漂移电流和体电阻上的压降。,（2）在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。,三.p-n结的异常特性,1.p-n结I-V特性的非理想因素,空间电荷区的复合电流（正向）,注入p+-n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布,大注入 （正向）,扩散区产生内建电场,空间电荷区的产生电流 （反向）,势垒区由热激发通过复合中心产生的电子-空穴对来不及复合就被强电场驱走了， 存在净产生。,势垒区的复合影响,大注入影响,势垒区的产生影响,2. p-n结的击穿(Berakdown),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。,禁带宽度较窄的半导
15、体易发生这种击穿.,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，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(Avalanche berakdown),连锁反应，使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.禁带宽度: 禁带宽度越宽,击穿电压越大。,3.温 度: 温度升高,击穿电压增大。 正温度系数,但，杂质浓度很高势垒区宽度小不易完成载流子加速过
16、程不利于雪崩倍增,禁带宽度大碰撞电离产生电子-空穴对所需能量大不利于雪崩倍增,温度升高晶格振动散射增加电子、空穴获得的能量易损失不利于雪崩倍增效应,杂质浓度高接触电势差大载流子能够获得更大动能利于雪崩倍增,(2)齐纳击穿(Zener berakdown)或隧道击穿,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,当隧道长度XAB足够窄时,将有p区电子穿透禁带.当外加反向电压很大时,能带倾斜严重,势隧道长度XAB变得更窄.造成很大的反向电流.使p-n结击穿.,XD,XAB,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
17、越大.,3. 温度:温度升高,击穿电压下降。 负温度系数,杂质浓度高势垒区宽度窄隧道长度短易发生隧道击穿,禁带宽度大势垒区宽度大隧道长度变长不易隧道击穿,温度升高禁带宽度变窄势垒区宽度变小隧道长度变短,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,易发生齐纳击穿反向偏压较高的情况下，易发生雪崩击穿.,结 论,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,四.p-n结中的隧道效
18、应,加正向电压的情况,加反向电压的情况,热平衡（无外加电压）,扩散电流,五. 异质结,电子亲和能,功函数,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,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,同质pn结,2. 窗口效应,应用:,1. 太阳能电池,2. 发光二极管,(1),2,(2),(3),3.限
19、制光子的光波导壁界,4.限制载流子的势垒,第5章 半导体中电子的控制,5.1 半导体与外界作用,5.2 半导体与半导体,5.3 半导体与金属,5.4 半导体与绝缘体,5.3 半导体与金属（metal-semiconductor contact）,功函数,电子亲和能,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,P型半导体的价带电子向金属一侧转移,（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Schottky B
20、arrier）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。,（1）加正电压（金属接“+”）,2. 整流特性,势垒高度随外加正电压的增加而降低,因此由半导体流向金属的净电子流增加.,金-半接触前,金-半接触后平衡时,金-半接触后非平衡时,净电流=0,（2）加反向电压（金属接“”）,势垒高度随外加反电压的增加而身升高,因而从半导体到金属的电子减少,反向电流变大，主要由金属到半导体的电子流构成。,反向电流：jm-s-js-m,反向电压继续增大，致使js-m近似为零，反向电流趋于饱和。,其中，jm-s恒定不变,3.肖特基势垒二极管,(1) 结构,光刻产生的陡削的边沿,Si-SiO
21、2界面存在正固定电荷,拐角处有过量的电流,(2)与p-n结二极管的比较,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。,4.欧姆接触（Ohmic Contact）,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。,WmWs,WmWs,WmWs,（2）欧姆接触的实现,用重掺杂的半导体与金属接触,尤其在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计和制造的关键问题之一,
