几种典型的半导体界面势垒比较
常见的半导体晶格结构
常见的半导体晶格结构半导体晶格结构是指半导体材料中原子或分子的有序排列方式。
根据原子或分子的排列方式，半导体晶格结构可以分为多种类型。
下面将介绍几种常见的半导体晶格结构。
1.简单立方结构（Sc）：简单立方结构是最简单的晶格结构，原子或分子沿着三个轴线上的整数倍坐标位置排列。
每个原子或分子都有六个近邻，并呈正方形形状分布。
这种结构在石墨和硫等半导体材料中较为常见。
2. 体心立方结构（Bcc）：体心立方结构中，除了沿着三个轴线上的整数倍坐标位置排列的原子或分子外，还有一个额外位于晶格中心位置的原子或分子。
这种结构具有更高的密度和稳定性，常见于铁、钠等半导体材料。
3. 面心立方结构（Fcc）：面心立方结构中，除了沿着三个轴线上的整数倍坐标位置排列的原子或分子外，还有一个位于每个面的中心位置的原子或分子。
这种结构也具有更高的密度和稳定性，常见于铜、铝等半导体材料。
4. 六方密排结构（Hcp）：六方密排结构中，原子或分子沿着六方向的整数倍坐标位置排列。
除了沿着六个轴线的有序排列外，还有一个位于每个六棱柱的中心位置的原子或分子。
这种结构在锌、钛等半导体材料中较为常见。
5.石盐结构（NaCl）：石盐结构是一种简单的离子晶格结构，其中正离子和负离子依次排列。
这种结构在氧化铝、氯化锌等半导体材料中较为常见。
6.锌黄铁矿结构（ZnS）：锌黄铁矿结构是一种由离子组成的晶体结构，其中正离子和负离子依次排列。
这种结构在锌硫化物等半导体材料中较为常见。
7.花岗岩结构（SiO2）：花岗岩结构是一种由共价键连接的原子或分子组成的晶格结构。
这种结构在二氧化硅等半导体材料中常见，也被称为硅的晶体结构。
除了以上介绍的几种常见半导体晶格结构外，还存在一些其他特殊的晶格结构，如钻石结构、四方密排结构等。
这些不同的晶格结构对半导体材料的性质和用途有着重要的影响。
研究和理解晶格结构对于半导体材料的制备和应用具有重要意义。
pn结的势垒电容和扩散电容
pn结的势垒电容和扩散电容PN结是半导体器件中最基本的结构之一，由P型和N型半导体材料的结合形成。
它在电子器件中具有重要的作用，其中势垒电容和扩散电容是PN结特有的两种电容。
下面将为大家详细解释这两种电容，并说明它们的作用和应用。
首先，我们来了解一下势垒电容。
势垒电容是指PN结中由于空间电荷区的形成而产生的电容效应。
在PN结中，N型区和P型区的杂质浓度不一样，导致了电荷的不均匀分布。
当PN结正向偏置时，P型区的正电荷和N型区的负电荷相互吸引，形成势垒电荷。
势垒电容是由这些电荷分布所形成的电容效应。
它的大小与PN结的面积、杂质浓度以及正向偏置电压有关。
势垒电容的特点是当正向偏压增大时，电容值会减小；而当反向偏压增大时，电容值也会减小。
接下来，我们介绍一下扩散电容。
扩散电容是指PN结中由于扩散效应而产生的电容效应。
扩散电容是由于PN结两侧P型和N型区的杂质浓度不同而产生的。
在PN结正向偏置时，自由载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，形成了电荷分布不均匀的状态。
这种不均匀分布形成了扩散电容。
扩散电容的大小与PN结的面积、杂质浓度以及正向偏置电压有关。
扩散电容的特点是当正向偏压增大时，电容值会增加；而当反向偏压增大时，电容值也会增加。
势垒电容和扩散电容在PN结的工作中起着重要的作用。
势垒电容主要用来储存电荷，并在正向偏压下形成势垒电位，对电流的传输起到控制作用。
扩散电容则主要用来储存在PN结中扩散的载流子，并在扩散电流发生时起到控制作用。
这两种电容相互结合起来，可以精确地调节PN结的工作状态，满足电路的要求。
在实际应用中，势垒电容和扩散电容广泛应用于各种电子器件中。
例如，二极管和晶体管中的PN结，使用了势垒电容和扩散电容来实现信号的调节、放大和传输。
而在高频电路和射频器件中，势垒电容和扩散电容则用来实现高速信号的处理和传输。
此外，势垒电容和扩散电容还被应用于集成电路和微电子器件中，为芯片的设计和制造提供了重要的基础。
半导体物理学第九章知识点
半导体物理学第九章知识点第9章半导体异质结构第6章讨论的是由同⼀种半导体材料构成的p-n结，结两侧禁带宽度相同，通常称之为同质结。
本章介绍异质结，即两种不同半导体单晶材料的结合。
虽然早在1951年就已经提出了异质结的概念，并进⾏了⼀定的理论分析⼯作，但是由于⼯艺⽔平的限制，⼀直没有实际制成。
直到⽓相外延⽣长技术开发成功，异质结才在1960年得以实现。
1969年发表了第⼀个⽤异质结制成激光⼆极管的报告之后，半导体异质结的研究和应⽤才⽇益⼴泛起来。
§9.1 异质结及其能带图⼀、半导体异质结异质结是由两种不同的半导体单晶材料结合⽽成的，在结合部保持晶格的连续性，因⽽这两种材料⾄少要在结合⾯上具有相近的晶格结构。
根据这两种半导体单晶材料的导电类型，异质结分为以下两类：(1)反型异质结反型异质结是指由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。
例如由p型Ge与n型Si构成的结即为反型异质结，并记为pn-Ge/Si或记为p-Ge/n-Si。
如果异质结由n型Ge 与p型Si形成，则记为np-Ge/Si或记为n-Ge/p-Si。
已经研究过许多反型异质结，如pn-Ge/Si；pn-Si/GaAs；pn-Si/ZnS；pn-GaAs/GaP；np-Ge/GaAs；np-Si/GaP等等。
(2)同型异质结同型异质结是指由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。
例如。
在以上所⽤的符号中，⼀般都是把禁带宽度较⼩的材料名称写在前⾯。
⼆、异质结的能带结构异质结的能带结构取决于形成异质结的两种半导体的电⼦亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度和界⾯态等多种因素，因此不能像同质结那样直接从费⽶能级推断其能带结构的特征。
1、理想异质结的能带图界⾯态使异质结的能带结构有⼀定的不确定性，但⼀个良好的异质结应有较低的界⾯态密度，因此在讨论异质结的能带图时先不考虑界⾯态的影响。
(1)突变反型异质结能带图图9-1(a)表⽰禁带宽度分别为E g1和E g2的p型半导体和n型半导体在形成异质pn结前的热平衡能带图，E g1 E g2。
势垒
势能比附近的势能都高的空间区域
01 基本概念
03 贯穿
目录
02 的分类
基本信息
一般在谈到半导体的PN结时，就会到势垒，这涉及半导体的基础内容。简单地说，所谓势垒也称位垒，就是 在PN结由于电子、空穴的扩散所形成的阻挡层，两侧的势能差，就称为势垒。
基பைடு நூலகம்概念
基本概念
势垒（Potential Energy Barrier）是势能比附近的势能都高的空间区域，基本上就是极值点附近的一小 片区域。在众多势垒当中，方势垒是一种理想的势垒。
保持ε和V的乘积不变，缩小ε，并趋于0，V将无穷大。方势垒过渡到δ势垒。在微观物理学中，δ势常作 为一种理想的短程作用来讨论问题。δ势可以看成方势的一种极限情况。事实上，所有涉及δ势的问题，原则上 均可以从方势情况下的解取极限而得以解决。但直接采用δ势来求解，往往要简捷得多。在δ势情况下，粒子波 函数的导数是不连续的，尽管粒子流密度仍然是连续的。
势垒贯穿的根本原因是“测不准原理”，只要你认可测不准原理，就很容易理解势垒贯穿了，并不需要你去 了解复杂的薛定谔方程求解。解释如下：能量E与时间T是不能同时测准的，时间测量越准确（时间范围越短）， 相应的能量就会无法很准确测量。这里的测不准并不是技术上的问题，而是“测不准原理”产生的真实的范围变 化。也就是说，微观粒子在极短的时间内，其能量的可能值范围就会变大，因此，虽然微观粒子的能量E小于势垒 U，这里的粒子能量E应该是其可能的能量范围的平均值。在极短的时间内，粒子会有一个较小的几率处于这个能 量范围的高端处（即呈现高能状态），瞬间能量超过了势垒U。如果势垒U的空间跨度非常小，这个只能存在极短 时间的高能粒子将可以越过势垒，越过势垒之后，粒子的能量重新回复到正常大小。简单地说，就是先凭空”借” 来能量，成功穿越后再把“借”来的能量”还”回去，这种凭空的能量“借还”是可以允许的，也并没有违背能 量守恒原理，但必须在极短的时间之内进行，因此势垒贯穿现象能够穿越的距离也就非常小。
半导体界面问题
♦ 其中
jsT
A T e
2
eSB
kT
♦ 有效里查孙常数 (书上,表7-4)
A 4 ek 2m
h3
★ 肖特基势垒二极管(SBD)
p-n结二极管
eV
J JS (ekT 1),
JS
eD L
pn0
eD L
np0
肖特基势垒二极管
eV
j jsT (e kT 1),
jsT
AT
e2
eSB
kT
,
图7-10
要定量讨论I-V特性,必须讨论电子是怎样 越过势垒的. 两种近似模型:
♦扩散理论—势垒区较厚,制约正向电流的 主要是电子在空间电荷区的扩散过程
♦热电子发射理论—载流子的迁移率较高, 电子能否通过势垒区,主要受制于势垒高 度.
②热电子发射 理论的结果
eV
j jsT (e kT 1)
②半导体一边的势垒高度:
VD =∣Vms∣ ③表面势—半导体表面相对于体内的电势
Vs= Vms
④金属一边的势垒高度(肖特基势垒--SB):
eΦSB = eΦns = Wm –χ ♦ 常常选择ΦSB为描述金属/半导体接触 势垒的基本物理量(ΦSB几乎与外加电压 无关)
能带
电荷分布 电场分布★ 金属/半导体 Nhomakorabea触的几种情况
图7-3
表7-1 半导体功函数与杂质浓度的关系 ♦ n型半导体: WS=χ+(EC-EF) ♦ p型半导体: WS=χ+[Eg-(EF-EV)]
★ 金属和半导体接触电势差
❖一种典型情况: 讨论M/n型半导体, Wm>Ws(阻挡层）
①接触电势差--为了补偿两者功函数之差, 金属与半导体之间产生电势差: Vms=(Ws –Wm)/e ♦当Wm>Ws , Vms<0 (金属一边低电势) （反阻挡层） ♦通常,可认为接触电势差全部降落于空 间电荷区.
半导体物理第九章
1. 异质结及其能带 2. 异质结的电流输运
3. 异质结的应用
4. 半导体的超晶格
1异质结及其能带
概念
由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结，通常称为同质结。
而由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为 异质结。 异质结的结构特点 异质结是由两种不同的半导体单晶材料形成的， 根据这两种半导体单晶材料的导电类型分类
27
② 正反向势垒情形 这时在交界面处禁带宽度大的半导体的势垒“尖峰”，高于异质结势
垒区外的禁带宽度小的半导体材料的导带底，称为正反向势垒。
qVB= qVD2－ (EC –qVD1) 热平衡时，异质结势垒区两侧克服各自势垒到对方去的电子数相等。
(a)零偏压和(b)正向偏压下正反向势垒扩散和发射模型能带图
o
qVD
如在杂质浓度ND1>>ND2 ，类似于计算金属半导体接触间的电 qN 容方法，得到每单位面积结电容公式为： C [ 2 D 2 ]1 / 2
2(VD V )
21
2 异质结的电流输运机构
影响异质结电流运输机制的特殊原因
形成异质结的两种半导体的交界面处能带是不连续 的。
两种半导体材料的晶格结构、晶格常数、热膨胀系 数的不同和工艺技术等原因，会在交界曲处引入界 面态及缺陷。
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
24
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
正偏下
25
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
P型区注入的小数载流子浓度连续性运动方程
解之得
26
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
pn结的势垒高度与厚度
——因为在热平衡时，一定的空间电荷就正好能够产生抵消扩散作用的确定的内建电场；而在耗尽层近似下，空间电荷主要是电离杂质中心所提供的电荷，故在掺杂浓度一定时，一定的空间电荷也就对应于一定的势垒厚度。
如果提高掺杂浓度，则就增大了电离杂质中心的浓度，即增大了空间电荷密度，于是在保持空间电荷总量大致一定的情况下，就将使得势垒厚度变薄。
相反，如果降低半导体的掺杂浓度，则势垒厚度增大。
极端地，当两边半导体都成为本征半导体时，那么势垒厚度就将变为无穷大，这时p-n结实际上也就转变为一整块本征半导体了，p-n结消失。
【推论1】隧道结：当两边半导体的掺杂浓度很高（简并）时，则势垒厚度将很薄。
如果掺杂浓度提高到使得势垒厚度薄至de Broglie波长大小时，那么p-n结两边的载流子就可以借助于量子隧道效应而穿过势垒区（不再受到势垒高度的限制），从而能够产生较大的电流，并且两个方向的电流都较大。
这时，p-n 结实际上也就变成了所谓隧道p-n结。
【推论2】金属的接触电势差：在两边掺杂浓度非常高（强简并）的极端情况下，就近似为两块金属之间的接触，这时势垒厚度也就减薄到接近Debye屏蔽长度的大小，内建电势差也就成为了金属之间的接触电势差（等于未接触前两边Fermi能级之差）。
【推论3】单边结：如果p-n结两边的掺杂浓度不一样，则两边的势垒厚度也将不同：因为空间电荷区中的正电荷与负电荷的数量总是相等的，若两边的电荷密度不一样，那就必然厚度不同。
掺杂浓度较高一边的势垒厚度较薄，较低一边的势垒厚度则较厚；因此，若p型半导体的掺杂浓度很大（简并，记为p+），而n型半导体的掺杂浓度较低，那么整个p-n结的势垒厚度基本上也就是n型半导体一边的势垒厚度，这种p-n结特称为单边结（p+-n结）。
【推论4】Schottky势垒和Ohm接触：对于单边结，如果把高掺杂一边的半导体更换为金属，就成为了所谓金属-半导体接触，这也就相当于把高掺杂半导体一边的杂质浓度提高到接近金属导电的程度。
PN结原理(能带、势垒)
PN结原理: P-N 结的形成和能带电子科技大学微电子与固体电子学院谢孟贤教授博导p-n结基本概念是解决许多微电子和光电子器件的物理基础。
对于许多半导体器件问题的理解不够深透，归根到底还在于对于p-n结概念的认识尚有模糊之处的缘故。
因为p-n结的一个重要特点就是其中存在有电场很强的空间电荷区，故p-n结的形成机理，关键也就在于空间电荷区的形成问题；p-n结的能带也就反映了空间电荷区中电场的作用。
载流子的转移：p型半导体和n型半导体在此需要考虑的两个不同点即为（见图(a)）：①功函数W不同；②主要（多数）载流子种类不同。
因此，当p型半导体和n型半导体紧密结合而成的一个体系——p-n结时，为了达到热平衡状态（即无能量转移的动态平衡状态），就会出现载流子的转移：电子从功函数小的半导体发射到功函数大的半导体去，或者载流子从浓度大的一边扩散到浓度小的一边去。
对于同质结而言，载流子的转移机理主要是浓度梯度所引起的扩散；对于异质结（例如Si-Ge 异质结，金属-半导体接触）而言，载流子的转移机理则主要是功函数不同所引起的热发射。
空间电荷和内建电场的产生：现在考虑同质p-n结的形成：在p型半导体与n型半导体的接触边缘附近处（即冶金学界面附近处），当有空穴从p型半导体扩散到n 型半导体一边去了之后，就在n型半导体中增加了正电荷，同时在p 型半导体中减少了正电荷，从而也就在p型半导体中留下了不能移动的电离受主中心——负离子中心；与此同时，当有电子从n型半导体扩散到p型半导体一边去了之后，就在p型半导体中增加了负电荷，同时在n型半导体中减少了负电荷，从而也就在n型半导体中留下了不能移动的电离施主中心——正离子中心。
这就意味着，在p型半导体一边多出了负电荷（由电离受主中心和电子所提供），在n型半导体一边多出了正电荷（由电离施主中心和空穴所提供），这些由电离杂质中心和载流子所提供的多余电荷即称为空间电荷，它们都局限于接触边缘附近处，以电偶极层的形式存在，如图(b)所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
几种典型的半导体界面势垒比较
（p-n结与pin结的主要性能差异何在？Schottky势垒与Mott势垒的主要性能差异何在？p-n 结二极管与Schottky二极管，以及pin结二极管与和Mott二极管在性能上分别有何异同？）在图中示出了半导体的几种典型界面势垒的能带图。
图（a）是突变p-n结；图（b）是Schottky势垒，可以看作为把突变p-n结的p型半导体代之以金属而形成的（或是把单边突变结的高掺杂区代之以金属而得到）；图（c）是pin结；图（d）是Mott势垒，可以看作为把pin结的p型半导体代之以金属而形成的。
依靠Schottky势垒来工作的二极管称为Schottky二极管；依靠Mott势垒来工作的二极管称为Mott二极管，它们都像p-n结二极管一样具有很好的单向导电性。
由图可见，关于界面势垒的高度，p-n结的最大势垒高度可以接近半导体禁带宽度的大小（非简并情况），而金属-半导体接触的Schottky势垒和Mott势垒的高度只相当于p-n结势垒高度的一半左右。
由图也可以见到，Schottky势垒也像突变结一样，其厚度较薄；而Mott势垒就像pin 结一样，其厚度很大（整个本征半导体层——i层都属于势垒区）。
实际上，它们的势垒高度和势垒厚度的差异也就在很大程度上决定了其性能上的差异。
此外，在导电机理上，金属与半导体的接触根本不同于半导体之间的结。
这些就决定了不同器件的不同特性。