半导体器件物理_3孟庆巨
半导体物理 刘恩科 第四版 知识点总结
2268半导体器件与物理考试大纲2268 半导体器件与物理[1] 《半导体物理学》，刘恩科、朱秉升、罗晋生，国防工业出版社；[2] 《半导体物理学》，顾祖毅、田立林、富力文等，电子工业出版社；[3] 《半导体器件物理》，孟庆巨、刘海波、孟庆辉，科学出版社。
网上提供考试大纲。
第一部分：半导体中的电子状态一、理解下列基本概念能级：原子中的电子只能在一些特定的分离能级上运动，这些特定能级称为原子的能级；能层（英语：Energy level）理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。
它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。
电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。
能级简并化：共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。
这种运动称为电子的共有化运动。
注意：因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。
因此，共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的交叠，例如2p、3s支壳层的交叠。
由于内外壳层交叠程度很不相同，所以只有最外层电子的共有化运动才显著。
能带（导带，价带，满带，空带）：晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。
能带：原子聚集在一起形成晶体时，电子的分立能量随之分裂为能带。
当N个原子处于孤立状态时，相距较远时，它们的能级是简并的，当N个原子相接近形成晶体时发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。
当N很大时，分裂能级可看作是准连续的，形成能带。
分裂的每一个能带都称为允带。
导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。
导带能量最低称为导带底，Ec；整个能带中只有部分能态被电子填充。
半导体器件物理_孟庆巨 (3) ppt课件
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芯片制造过程
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• 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底 片)上的图形转移到衬底上。
• 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂 在需要的位置上，形成晶体管、接触等。
• 制膜：制作各种材料的薄膜。
基本步骤： 硅片准备、 外延、 氧化、 掺杂、 淀积、 刻蚀、 光刻
低温（600 oC）、掺杂均匀性好、离子注入剂量可 精确控制，重复性好、横向扩散比纵向扩散小得多。
可以注入各种各样的元素并可以对பைடு நூலகம்合物半导体进 行掺杂。
多数注入离子停留在与硅晶格位置不一致的位置上， 不具有电活性，需要退火处理，激发电活性。
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化学气相淀积法 溅射法
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氧化硅层的主要作用
• 在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的组 成部分。
退火（Annealing）
退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮 气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为 退火。
–激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格 位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到 杂质的作用。
–消除损伤
退火方式： –炉退火 –快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激 光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨 加热器、红外设备等)。
负胶（曝光后不可溶） ：分辨率差，适于加工线 宽≥3m的线条。
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• 插图fig.4.6
正胶：曝光后可溶 负胶：曝光后不可溶
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亮场版和暗场版
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半导体器件物理__1孟庆巨
按结构形式的分类
• 单片集成电路： –它是指电路中所有的元器件都制作在同一 块半导体基片上的集成电路。 –在半导体集成电路中最常用的半导体材料 是硅，除此之外还有GaAs等。 • 混合集成电路： –厚膜集成电路 –薄膜集成电路如LCD 液晶显示屏
按电路功能分类
• 数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号 的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻 辑函数运算的一类集成电路。 • 模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号 (连续变化的信号)的集成电路。 –线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放 大器、电压比较器、跟随器等。 –非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。 • 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
集成电路的作用?小型化?价格急剧下降功耗降低?功耗降低?故障率降低市场销售额10亿美元630470380300270250250250230230210210200200190180市场销售额10亿美元170165160160155150150150145140140140135120115110手提数据通讯个人电脑移动电话服务cpu超薄显示器ic卡地面微波广播dna生物芯片多用途通讯设备半导体设备半导体设备电力交通工具墙壁式超薄电视移动电话直接引入工具its设备dna加工食品液晶显示器仿制品燃油汽车数据存储产品磁存储磁存储电子商务网络信息服务高密度磁存储系统集成芯片家庭医疗设备互联网数字电视智能传输系统代理软件2020年世界最大的30个市场领域
CCD器件
1970
1980
分水岭：
1974年 Chang, Esaki, Tsu 共振隧道二极管
1970年前发明
半导体器件物理复习指导纲要.doc
4•导出NPN缓变基区晶体管：
1）基区的缓变杂质分布引入的自建电场:
2）基区内电子分布（3-55）：
3）电流（3-56）：
4）基区输运因子（3-59）：
解:1•教材P112-113推导
2•学习指导
5.利用和Z间的关系证明：o
证明：
比较，有：
06.根据基区电荷控制方程导出：（3-98）。
解：详见学习指导
%1.《半导体器件物理学习指导》孟庆巨编 吉林大学国家精品课程 网站一半导体器件物理
四•学生作业
五…历年期末试题
六.历年吉林大学微电了学与固体电了学专业攻读硕士学位研究生入 学试题及复试试题
第二章PN结
一.基本概念与问题解释(37个)
PN结同质结异质结O同型结O异型结O高低结金属-半导体结 突变结线性缓变结单边突变结空间电荷区中性区耗尽区耗尽 近似势垒区少子扩散区扩散近似正向注入反向抽取正偏复合 电流反偏产牛电流隧道电流产纶隧道电流的条件隧道二极管的 主要特点过渡电容(耗尽层电容)扩散电容等效电路反向瞬变 电荷贮存贮存电荷隧道击穿雪崩击穿 临界电场雪崩倍增因子 雪崩击穿判据
※乞导出基区穿通电压
解：见学习指导
三重要图、表（8个）
1.画出图3.6并根据图3-6说明BJT的放大作用。
解:教材P98-99
2.画出BJT电流分量示意图3.7,写出各极电流及极电流之间关系公 式。（3T）~ （3-4）。
解：教材P100
3.解释图3.13中的电流增益随集电极电流的变化。
解答：1•学习指导
2.学生作业
2-19（补）解答:学生作业。
五更高能力考察问题（3个）
1.利用少子分布示意图2-22定性解释PN结反向瞬变现象。
Kronig-Penney模型
C30*exp(x*(alpha*i - k*i))*(alpha*i - k*i) - (C31*(alpha*i + k*i))/exp(x*(alpha*i + k*i))
2
同理可求 ，于是有：
1
2
= ( ‒ )( ‒ ) ‒ ( + ) ‒ ( + )
2
由于我们感兴趣的是 < 0时的情形，这时为虚数，于是我们引入实数，并令
= ，则方程可以改写为：
‒
2 ‒ 2
sinh sin + cosh cos = cos
2
如果0为常数，使0→∞，而→0,这时势场函数将化为一个函数。由于
0 ≫ ,→0则sinh ≈ ,cosh ≈ 1, ≈ 于是上述方程化简为：
| = =
|
=‒
即：
+=+
( ‒ ) ‒ ( + ) = ( ‒ ) ‒ ( + )
( ‒ ) + ‒ ( + ) = ( ‒ ) ∗ ( ‒ ) + ‒ ( + ) ∗ ( ‒ )
( ‒ )( ‒ ) ‒ ( + ) ‒ ( + ) = ( ‒ )( ‒ ) ∗ ( ‒ ) ‒ ( + ) ‒ ( + ) ∗ ( ‒ )
sin
+ cos = cos
其中 =
420
ℏ2
上述方程有解则薛定谔方程有解。P包含了势垒高度0、势阱宽度以及势垒宽度，
王忆锋和唐利斌在论文《Kronig2Penney能带模型的MATLAB分析与计算》提到P值的大小在
《半导体器件物理》教学大纲(精)
《半导体器件物理》教学大纲（2006版）课程编码：07151022学时数：56一、课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。
它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。
本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。
二、教学内容、要点和课时安排第一章半导体物理基础（复习）（2学时）第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结（12学时）第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）P 结第二节加偏压的N一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象P-结的直流电流-电压特性第三节理想N一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示Fig2.12）I-特性的温度依赖关系第六节V一、反向饱和电流和温度的关系I-特性的温度依赖关系二、V第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系Ebers-）方程第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、h FE和I CE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（W T），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接 型等效电路一、参数：g m、g be 、C D的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：t d、t r、t f、t s三、解电荷控制方程求贮存时间t s第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：g l g ml g m C G二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章 太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节 太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式五、R S 对I-V 特性的影响第四节 太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100⨯=inL OC P I FFV η 第五节 光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布 三、计算光子收集效率：O npt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-x P x LED三、GaN LED第五节红外LED一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章电荷转移器件（4学时）第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、主要参考书目1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005-6第二次印刷。
《半导体器件物理》课程实验教学大纲
《半导体器件物理》课程试验教学大纲《半导体器件物理》课程试验大纲课程编码：01222316 课程模块：专业方向课修读方式：限选开课学期：5课程学分：2.5 课程总学时：51 理论学时：36 实践学时：15一、实践课程的任务与要求本课程是微电子学专业试验课，是一门专业性和实践性都很强的课程。
本课程的主要任务是使学生把握半导体材料和器件的一些根本物理参数和物理性质的测试方法以及清洗、氧化、集中等微电子器件制造工艺，为微电子器件开发设计和研制铺垫必备根底和实际操作技能。
通过试验培育学生对半导体器件制造工艺的试验争论力量，培育学生实事求是、严谨的科学作风，培育学生的实际动手力量，提高试验技能。
其具体要求如下：1.了解微电子相关的一些设备的功能和使用方法，并能够独立操作。
2.通过亲自动手操作提高理论与实践相结合的力量，提高理论学习的主动性。
3.了解半导体器件制造的根本工艺流程。
二、试验工程、内容、要求及学时安排试验一用晶体管特性图示仪测量晶体管的特性参数试验目的或试验原理了解晶体管特性图示仪的工作原理；学会正确使用晶体管特性图示仪；试验内容测量共放射极晶体管的输入特性、输出特性、反向击穿特性和饱和压降等直流特性。
晶体管特性图示仪:XJ4810A 型，NPN 和 PNP 晶体管。
试验二四探针法测量电阻率试验目的或试验原理把握四探针法测量电阻率的根本原理和方法，以及具有各种几何外形样品的修正；分析影响测量结果的各种因素。
试验内容1.测量单晶硅样品的电阻率；2.测量集中薄层的方块电阻；3.测量探针间距 S 及样品的尺寸；4.对测量结果进展必要的修正。
试验主要仪器设备及材料四探针测试仪: D41-11D/ZM、P 型或N 型硅片、外延硅片。
试验三 P—N 导电类型鉴别试验目的或试验原理1.了解热电动势〔也称冷热探针法〕和整流法的工作原理；2.分别承受热电动势和整流法来推断硅片的导电类型。
试验内容1.承受整流法来推断硅片的导电类型；2.承受热电动势法来推断硅片的导电类型。
半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件
式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，Cox为MIS结构 中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：
COX
0 Si
TOX
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三、MOSFET的直流特性
1、阈值电压
• 平带电压VFB 在 实 际 的 MOS 结 构 中 ， 栅 氧 化 层 中 往 往 存 在 电 荷 （Qfc），金属—半导体功函数差 Vms也不等于零 （金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电 子的能量E0和费米能级之差），因此，当VG＝0时 半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直， 需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响， 这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB
（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）
4 PPT课件
随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部 分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集 成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成 电路几乎占据了绝对的位置。 此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器 件）和敏感器件方面应用广泛。
P型半导体的表面反型层由电子构成，称为N沟道。 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P沟道。
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五、金属-半导体接触
• 金属-半导体接触可以分成两类，一类是整流接触， 一类是欧姆接触。 • 半导体器件中金属的应用 使载流子（电子和空穴）在进 出半导体时少受阻力 整流
器件间的低阻互联
金属-半导体接触势垒
由于金属与半导体的功函数不同，它们相互紧密接 触时，会产生接触电势差。
金属与N型半导体接触，Wm>Ws 时 当它们紧密接触时，电子会从费米能级高的地方向 低的地方流动，所以半导体中电子会向金属中流动， 使金属表面荷负电，电子能量提高，而半导体表面 形成正的空间电荷区；当整个系统达到平衡时，金 属和半导体形成统一的费米能级。
非平衡态下pn结能带图
正向电压 反向电压
1、PN结的正向特性
正向偏置时，扩散大于漂移。 n x n
p p
qV exp po kT
qV pn xn pno exp kT
P区
N区
n po
xp
qV e kT 1
空间电荷区及内建电场
内建电场和内建电势
• 内建电场：实际上是组成p-n结的n型材料和p型材料 之间的接触电势差。按照多种材料串联接触的电势 差在同一温度下只决定于第一种材料和最后一种材 料而和中间任何一种材料无关这一性质，不难理解， 用普通电表测不出p-n的内建电势；无论画电路图或 列电路方程都不应考虑这个电势差。但内建电势影 响载流子分布，在研究半导体器件的物理过程时是 非常重要。
雪崩击穿 • 耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加 能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格原子 碰撞时使其电离，从而产生电子-空穴对。 • 新产生的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原 子碰撞再产生第三代电子-空穴对。如此继续，产 生大量导电载流子，电流迅速上升。
隧道击穿 • PN 结掺杂浓度十分高 (>51017cm-3 ） 时 ， 耗 尽区宽度变得很窄，耗 尽区内的电场高达 106Vcm-1。 • 这种情况下，价带电子 可以直接穿过禁带到达 导带，成为自由电子， 引起电流迅速增加。这 种击穿叫做隧道击穿。
金属与N型半导体接触，Wm<Ws 时 此时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形 成负的空间电荷层，使得半导体侧电子能量提高； 在空间电荷区中表面附近能带向下弯曲，电子浓度 将比体内的平衡浓度大得多，它是多子（电子)积累 层，是一个高电导层；这种情况下，多子（电子） 在两种材料中的相互转移，不需要越过势垒就可以 运动到对方，通常称为多子反阻挡层。
六、肖特基二极管特性
肖特基二极管和pn结二极管的比较： 1）pn结正向是少数载流子注入，反向是少数载流子抽取。 肖特基势垒电流由多数载流子传导。
2）pn结中由于少子储存效应，影响了开关速度和高频特性。
肖特基势垒中多子并不积累，直接漂走，频率特性不受 电荷存储时间的限制，具有更好的高频特性。
3）多子电流远高于少子电流，肖
势垒电容
• 当外加电压VA 变化时，pn结的空间电荷宽度跟着 发生变化，因而势垒区的电荷量也就随外加电压 变化而变化。这相当PN结中存储的电荷量也随之 变化，犹如电容的充放电效应。因为发生在势垒 区，故称势垒电容，用CT表示。
Q dQ CT V dV
扩散电容
• 在交流状态下，pn结在直流偏置VA上迭加交流信号 v(t)。既然pn结外加电压包括直流分量和交流分量， 必然引起注入少子浓度也包含直流和交流分量。 • PN结扩散电容来源于扩散区积累的过剩载流子电荷 随外加电压的变化。过剩载流子随外加电压变化的 同时，空间电荷区两侧的扩散区电荷也有变化。扩 散区是中性的，积累过剩载流子的同时，在同一区 也必然积累等量的过剩多子。
• 电击穿现象： PN结反向电压增加到一定数值（ VB ）时，反向电 流 开 始 急 剧 上 升 ， 这 种 现 象 称 为 PN 结 击 穿 。 VB 称为击穿电压。 • PN结电击穿机构有两种： 雪崩击穿（Avalanche Breakdown) 隧道击穿或齐纳击穿 (Tunneling or Zener Breakdown)
雪崩击穿和隧道击穿的区别
机理： • 隧道击穿取决于穿透隧道的几率 势垒区宽度要窄。 • 雪崩击穿取决于碰撞电离
有一定的势垒区宽度。
从实验上可区分这两种不同的电击穿。研究分析表明：
硅pn结： < 4 V
> 6 V
隧道击穿
雪崩击穿
四、 pn结电容与交流特性
• PN结在不同的偏置下，存贮的电荷会发生变化， 这说明PN结具有电容效应。 • PN结中有两类电荷随外加电压变化，因此存在两 种类型的电容 –势垒电容CT –扩散电容CD
从开态到关态，pn结电流有延迟。
在sd时间内，过剩载流子被 抽取。
直到过剩载流子抽取完，二极 管的偏压才由正偏变为负偏。
• 电荷贮存效应 贮存时间sd • 下降时间t • 反向恢复时间 sd＋t –决定因素： • 少子寿命p • 正向注入电流If • 反向抽取电流Ir 由于If 、Ir常受到电路中其他条件的限制，所 以，减小载流子寿命比较可行。
2、平衡pn结
（1）扩散流等于漂移流。 （2）pn结的内建电势VD (N型区到P型区的电势差) （接触电势差）） ：
kT N A N D VD ln q ni2
接触电势差，由pn结两边的掺杂浓度决定，与半导 体材料的特性相关。
平衡pn结能带图
P区能带相对于n区能带上移的原因： 能带图是按电子的能量高低来画的。由于内建电 场，使P区的电子能量在原来能级的基础，迭加上 一个由电场引起的附加势能。能带上移的高度即 为接触电势差。 在半导体中有电场存在的地方，能带会发生弯曲，朝 电场所指的方向上移，电场强度越强，能带弯曲越厉 害，电场为零或很弱的地方，能带保持平直。
特基势垒中的饱和电流远高于有 同样面积的pn结。 对同样的电流，在肖特基势 垒上加的电压要少的多。
思考题
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什么是平衡pn结？ 解释平衡pn结的空间电荷区和载流子分布。 什么是非平衡pn结？ 了解pn结正向偏置与反向偏置的载流子分布以及 pn结的特性。 雪崩击穿的机理是什么？ 势垒电容与扩散电容的产生机构是什么？ pn结的开关特性？ 金属-半导体接触类型？
xn
p no
x
正向电流
n p 0 Dn pn 0 D p j j p ( x ) jn ( x ) q L Lp n
正向的PN结电流输运过程 电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程）
扩散电流、复合电流
2、 PN结的反向特性
反向偏置时，漂移大于扩散。
漂移电流、产生电流 反向电流
PN结的特性 单向导电性： • 正向偏置
正向导通电压Vbi～0.7V(Si)
• 反向偏置 反向击穿电压VB • 正向导通，多数载流子扩 散电流； 反向截止，少数载流子漂 移电流。
三
pn结的击穿特性
• 击穿机理：热击穿、雪崩击穿和隧道击穿。后两种 属于电击穿。 • 热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向 电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而 引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。 如果产生的热量不能及时散发出去，结温上升和反 向电流的增加将会交替进行下去，最后使反向电流 无限增长，如果没有保护措施，pn结将被烧毁而永 久失效。这种击穿是由热效应引起的，所以称热击 穿。
受主 离子
施主 离子
因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平 衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离 子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间 电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
Hale Waihona Puke 第三章 pn结与金属－半导体接触主要内容
一、平衡pn结 二、非平衡pn结 三、pn结直流特性 四、pn结电容与交流特性 五、金属－半导体接触· 六、肖特基二极管特性
二极管作用：整流、稳压、变容、发光。
一、平衡PN结二极管
1、PN结的形成
在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、外 延法或离子注入等方法掺入P型（或N 型）杂质。此 时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物 自建电场 理过程:
平衡pn结载流子浓度分布 • 在空间电荷区边界 （xp)处的载流子浓 度分别等于p区平衡 少子浓度和多子浓度。 • 在空间电荷区边界 （xn)处的载流子浓 度分别等于n区平衡 少子浓度和多子浓度。
二、非平衡pn结及直流特性
在pn结上施加偏置电压时，pn结处于非平衡状态。 为分析方便，规定p区接电源正极为正向偏置，反之则 为反向偏置。
n p 0 Dn pn 0 D p j j p ( x ) jn ( x ) q L Lp n qVR e kT 1
空间电荷区边界少子浓度与外加偏压的关系：
p
n p (x) n p xn n0
n
np(x) p0 xp
pn结直流特性
pn结小信号工作时的特点是信号电流与信号电压满足线性关系， 即器件内部载流子分布的变化跟得上信号的变化。pn结在大信 号工作时的特点是I-V、C-V特性都是非线性的。
pn结开关特性
（1）TURN-ON OF A P-N DIODE
从关态到开态，pn结电流的延迟可忽略。
TURN-OFF OF A P-N DIODE
• 外加电压变化时，扩散区任意小的局部范围内， 电子和空穴的数量都以相同的速率增加和减少； 充放电过程中，扩散区始终维持电中性。所以， 扩散电容的正负电荷应理解为空间同一位置上价 带里的空穴和导带中的电子。
pn结的交流特性和开关特性
频率特性：半导体器件用于模拟电路（处理连续波） 时所表现出来的性能. 开关特性：半导体器件用于开关工作（处理数字信 号或脉冲信号）时所表现出来的性能. 小信号工作：信号电流（电压）<<偏置电流电压）， 模拟电路经常工作于小信号 大信号工作：信号电流（电压）>>小信号工作时的 信号电流（电压）.