第七章 半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象

1、第七章 半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象 半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象主要有半導(dǎo)體與金屬之間的接觸（肖特基結(jié)和歐姆接觸）、半導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間的接觸（同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)）及半導(dǎo)體與介質(zhì)材料之間的接觸。§7-1 外電場(chǎng)中的半導(dǎo)體無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，均勻摻雜的半導(dǎo)體中的空間電荷處處等于零。當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，在半導(dǎo)體中引起載流子的重新分布，從而產(chǎn)生密度為的空間電荷和強(qiáng)度為的電場(chǎng)。載流子的重新分布只發(fā)生在半導(dǎo)體的表面層附近，空間電荷將對(duì)外電場(chǎng)起屏蔽作用。圖7-1a表示對(duì)n型半導(dǎo)體施加外電場(chǎng)時(shí)的電路圖。在圖中所示情況下，半導(dǎo)體表面層的電子密度增大而空穴密度減?。ㄒ?jiàn)圖7-1b、c），從而產(chǎn)生負(fù)空間電荷。這些空間電荷隨著離開(kāi)樣品表面的距離

2、的增加而減少?？臻g電荷形成空間電場(chǎng)，在半導(dǎo)體表面達(dá)到最大值（見(jiàn)圖7-1d）?？臻g電場(chǎng)的存在將改變表面層電子的電勢(shì)和勢(shì)能（見(jiàn)圖7-1e、f），從而改變樣品表面層的能帶狀況（見(jiàn)圖7-1g）。電子勢(shì)能的變化量為，其中是空間電場(chǎng)（也稱表面層電場(chǎng)）的靜電勢(shì)。此時(shí)樣品的能帶變化為 = （7-1）本征費(fèi)米能級(jí)變化為 雜質(zhì)能級(jí)變化為 （7-2）由于半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)，費(fèi)米能級(jí)處處相等。因此費(fèi)米能級(jí)與能帶之間的距離在表面層附近發(fā)生變化。無(wú)外電場(chǎng)時(shí)這個(gè)距離為（）和（） （7-3）而外場(chǎng)存在時(shí)則為 和 （7-4）比較（7-3）和（7-4）式則知如果Ec和Ef之間的距離減少，Ef與Ev之間的距離則增加。 當(dāng)外電場(chǎng)方

3、向改變時(shí)，n型半導(dǎo)體表面層的電子密度將減少，空穴密度將增加，在樣品表面附近的導(dǎo)電類型有可能發(fā)生變化，從而使半導(dǎo)體由n型變?yōu)閜型，產(chǎn)生反型層，在離表面一定距離處形成本征區(qū)，此處的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶的中央，見(jiàn)圖7-2。在本征區(qū)附近導(dǎo)電類型發(fā)生變化的區(qū)域稱物理pn結(jié)，這種由外場(chǎng)引起的物理pn結(jié)的特點(diǎn)是當(dāng)外電場(chǎng)撤掉后，它就消失了。 下面分析外電場(chǎng)對(duì)一維n型非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的影響。由泊松方程可知外加電場(chǎng)引起的表面層電場(chǎng)和空間電荷之間有以下關(guān)系 （7-5）如果用電勢(shì)的梯度表示電場(chǎng)，則，于是泊松方程可改寫為 （7-6）假設(shè)半導(dǎo)體體內(nèi)的電子密度為n0，由于半導(dǎo)體是非簡(jiǎn)并的，所以表面層的電子密度為 （7-7）半導(dǎo)體的

4、空間電荷密度由表面層的電離施主和自由電子密度決定。如果施主雜質(zhì)全部電離，即，表面層中的空間電荷密度則為 （7-8）下面只對(duì)情況討論，即對(duì)在外電場(chǎng)的作用下能帶變化不大的情況進(jìn)行分析。這時(shí)將項(xiàng)展開(kāi)成級(jí)數(shù)并只取前兩項(xiàng)，則由（7-8）式得 （7-9）若引入時(shí)，（7-6）式可寫為如下形式 （7-10）這個(gè)方程的解為 （7-11）因?yàn)楫?dāng)時(shí)，所以B=0，而在x=0處，。對(duì)于外加電場(chǎng)沿負(fù)x方向的n型半導(dǎo)體，由于<0，從而。于是得到表面層電勢(shì) （7-12）表面層電場(chǎng) （7-13）電子的勢(shì)能 （7-14）表面處空間電荷密度 （7-15）總之，當(dāng)半導(dǎo)體置于外電場(chǎng)時(shí)，表面層的電子和空穴的密度發(fā)生變化，能帶發(fā)生彎

5、曲。當(dāng)>0時(shí)，能帶上彎，空穴密度增加。此時(shí)，n型半導(dǎo)體表面層中少子密度增加，而p型半導(dǎo)體則多子密度增加；當(dāng)<0時(shí)，能帶下彎，電子密度增加。此時(shí)，n型半導(dǎo)體表面層中多子密度增加，而p型半導(dǎo)體則少子密度增加。（7-10）至（7-14）式中的為空間電場(chǎng)強(qiáng)度減弱為表面電場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)的距離，用來(lái)表征空間電荷對(duì)外場(chǎng)的屏蔽能力，通常稱德拜屏蔽長(zhǎng)度。金屬的德拜屏蔽長(zhǎng)度室溫下約為10-8cm，而半導(dǎo)體的德拜屏蔽長(zhǎng)度約為4。§7-2 金屬半導(dǎo)體接觸（肖特基結(jié)） 一功函數(shù) 1熱電子發(fā)射。固體向真空發(fā)射電子需要一定的能量，這說(shuō)明固體和真空間界面存在著阻止電子從固體表面逸出的勢(shì)壘。因而只有能量大于該

6、勢(shì)壘的電子才能從固體發(fā)射出去。溫度越高，電子獲得的能量越大，有可能克服勢(shì)壘發(fā)射的電子就越多，這種因熱激發(fā)而發(fā)射電子的現(xiàn)象稱熱電子發(fā)射。 2親合勢(shì)。如圖7-3(a)所示，如果用E0表示從半導(dǎo)體逸出進(jìn)入真空之后相對(duì)半導(dǎo)體樣品靜止的電子能量（稱真空能級(jí)），則從導(dǎo)帶底到真空能級(jí)的能量差就是電子的親合勢(shì)，通常用表示且有= E0- Ec。 3功函數(shù)。真空能級(jí)與固體費(fèi)米能級(jí)之差稱功函數(shù)，也稱熱電子功函數(shù)，通常用W表示。圖7-3(a)中的W為n型半導(dǎo)體功函數(shù)，故有 （7-16）圖7-3(b)中的W則為金屬的功函數(shù)。通常金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)為幾個(gè)eV量級(jí)。由于半導(dǎo)體的Ef與溫度和雜質(zhì)密度等有關(guān)，所以W也與這些因

7、素有關(guān)。 二接觸電勢(shì)差。當(dāng)金屬與非簡(jiǎn)并n型半導(dǎo)體接觸時(shí)，如果金屬的費(fèi)米能級(jí)位于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)的下方，則有。此時(shí)，從半導(dǎo)體流向金屬的電子流大于從金屬流向半導(dǎo)體的電子流，結(jié)果金屬一側(cè)帶負(fù)電，半導(dǎo)體一側(cè)帶正電，而在接觸處產(chǎn)生一個(gè)阻止電子繼續(xù)從半導(dǎo)體流向金屬的自建電場(chǎng)。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)相等時(shí)，金半接觸系統(tǒng)達(dá)到平衡，電子的流動(dòng)停止。此時(shí)金屬和半導(dǎo)體兩邊的熱電子發(fā)射電流相等，從而可求出金半接觸電勢(shì)能差 （7-17）式中，V0即為接觸電勢(shì)差，為電子從金屬費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體導(dǎo)帶底時(shí)需具有的最低能量，為半導(dǎo)體內(nèi)部導(dǎo)帶底和費(fèi)米能級(jí)之差，見(jiàn)圖7-4a。由于半導(dǎo)體的功函數(shù)比金屬小，所以半導(dǎo)體的接觸表面層的

8、能帶向上彎曲，導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級(jí)間的距離增加，而價(jià)帶頂則與費(fèi)米能級(jí)間距離減小。因此，在接觸區(qū)附近導(dǎo)帶中的電子密度減少，價(jià)帶中的空穴密度增加。此時(shí)，n型半導(dǎo)體表面層的電子密度比體內(nèi)小，從而電阻率比體內(nèi)大，通常稱這種表面層為耗盡層。而p型半導(dǎo)體表面層的空穴密度則比體內(nèi)大，從而電阻率比體內(nèi)小，通常稱這種表面層為積累層。 如果半導(dǎo)體的功函數(shù)比金屬的大，則能帶下彎，從而造成n型半導(dǎo)體的電子積累層和p型半導(dǎo)體的空穴耗盡層。 當(dāng)接觸表面層的少數(shù)載流子密度很高時(shí)，導(dǎo)電類型將可能發(fā)生變化，形成反型層而成為物理pn結(jié)。如果表面層中的多子密度增量很大，可導(dǎo)致該層變成簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。 三空間電荷區(qū)寬度和勢(shì)壘電容。對(duì)于的n型

9、半導(dǎo)體，假設(shè)電場(chǎng)滲透半導(dǎo)體的深度為x0，并假設(shè)施主雜質(zhì)全部電離，則由于接觸表面層導(dǎo)帶底電子的能量等于 （7-18）根據(jù)（7-8）式，此層中的空間電荷密度為 （7-19）因?yàn)榻佑|電勢(shì)差基本上落在半導(dǎo)體的接觸表面層中，可以認(rèn)為，從而該層的空間電荷可認(rèn)為是常數(shù) （7-20）這意味著在x0范圍內(nèi)的自由電子全部被電場(chǎng)排走而只剩下電離施主的正電荷。此時(shí)，在空間電荷層中的泊松方程可寫為 （7-21）該方程的一般解為 （7-22）由于電場(chǎng)只滲透x0距離，故上式應(yīng)滿足邊界條件 和 （7-23）將（7-22）式代入（7-23）式得 和-A=0 （7-24）因此，n型半導(dǎo)體接觸表面層中的電勢(shì)與坐標(biāo)的關(guān)系為 = （7

10、-25）為了確定空間電荷區(qū)寬度x0，利用x=0時(shí)的邊界條件 （7-26）及（7-17）和（7-25）式得 （7-27）由上式可見(jiàn)，n0越小，越大，x0就越大。由德拜長(zhǎng)度和（7-27）式可得 （7-28）因此，在金半接觸功函數(shù)相差約1eV時(shí)，x0比Ld大約10倍。如果接觸層為耗盡層，則金半接觸具有電容特性。這種電容稱為勢(shì)壘電容，其單位面積上的電容量為 （7-29）§7-3 金屬半導(dǎo)體接觸的整流現(xiàn)象 當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸時(shí)，如果滿足，則在熱平衡時(shí)整個(gè)體系的費(fèi)米能級(jí)相同，接觸表面層的能帶上彎，出現(xiàn)耗盡層。此時(shí)由熱電子發(fā)射理論可知，由金屬指向半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射電流J1為 （7-30）而由半

11、導(dǎo)體指向金屬的熱電子發(fā)射電流J2則為 （7-31）式中，常數(shù)C=，由（7-17）式又知，從而，熱平衡時(shí)有 （7-32） 當(dāng)給金半接觸體系施加外電場(chǎng)時(shí)，半導(dǎo)體成為非平衡態(tài)，體系的費(fèi)米能級(jí)不再統(tǒng)一，而是在接觸表面層中隨坐標(biāo)位置變化，成為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。此時(shí)由半導(dǎo)體指向金屬和由金屬指向半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射電流將出現(xiàn)差別，引起電流在金半接觸體系中流動(dòng)。 以下給出外電場(chǎng)方向不同時(shí)，通過(guò)金半接觸的電流密度。當(dāng)半導(dǎo)體一側(cè)接電源負(fù)極而金屬一側(cè)接電源正極（正向偏置）時(shí)，偏置電壓由于接觸表面層的電阻大而幾乎全部落在這一區(qū)域。半導(dǎo)體內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于Ec不變，但相對(duì)于金屬的費(fèi)米能級(jí)將移動(dòng)eV，因此，金半接觸電勢(shì)差將減少

12、V，并等于V0-V，而在接觸表面層中，費(fèi)米能級(jí)從變化到，見(jiàn)圖7-5a，結(jié)果平衡態(tài)被破壞，在金半接觸中產(chǎn)生電流 （7-33） 由于正偏時(shí)，半導(dǎo)體的勢(shì)壘高度下降，有更多的電子能夠從半導(dǎo)體過(guò)渡到金屬，從而使電流J1比熱平衡時(shí)的大且為 （7-34）而此時(shí)，金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度不變，從半導(dǎo)體到金屬的電流密度與熱平衡時(shí)的相同，即有 （7-35）從而總電流密度為 = （7-36）式中， 稱飽和電流密度。 當(dāng)金屬一側(cè)施加負(fù)電壓（反向偏置）時(shí)，在半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘高度增加eV。這時(shí)，通過(guò)金半接觸的電流密度為 = (7-37)如果認(rèn)為正向偏置時(shí)V>0，反向偏置時(shí)V<0，則（7-36）和（7-37）式可統(tǒng)一

13、寫為 （7-38）由上式可見(jiàn)，正偏時(shí)通過(guò)金半接觸的電流密度隨偏壓按指數(shù)律上升，而反偏時(shí)，則增加到Js為止。因此，金半接觸具有整流作用。 存在外電場(chǎng)時(shí)，半導(dǎo)體空間電荷區(qū)寬度為 （7-39）上式表明，正偏（V>0）時(shí)，空間電荷區(qū)厚度比熱平衡時(shí)的小，而反偏(V<0)時(shí)則比熱平衡時(shí)的大。§7-4 半導(dǎo)體pn結(jié) 本節(jié)討論n型與p型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象。當(dāng)在半導(dǎo)體中分別摻入施主和受主雜質(zhì)后，則摻施主部分就成為n型半導(dǎo)體，而摻受主部分則為p型半導(dǎo)體。于是在n型和p型半導(dǎo)體之間必然形成從n型轉(zhuǎn)變?yōu)閜型的過(guò)渡區(qū)，通常將這個(gè)過(guò)渡區(qū)稱為pn結(jié)。 假定pn結(jié)很窄，而且p型半導(dǎo)體的受主密度大于n型半導(dǎo)

14、體的施主密度，即有Na>Nd，如圖7-6a所示。令p區(qū)的多子空穴密度為，少子電子的密度為，n區(qū)的多子電子密度為，少子空穴的密度為，同時(shí)認(rèn)為施主和受主能級(jí)離導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂很近，從而在室溫下雜質(zhì)全部電離，因此有=Na，=Nd。于是對(duì)熱平衡條件下的非簡(jiǎn)并情況則有 = （7-40）在結(jié)區(qū)兩側(cè)，電子和空穴的密度梯度很大，電子從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散，空穴則從p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散，形成載流子的擴(kuò)散流，在n區(qū)產(chǎn)生正空間電荷，在p區(qū)產(chǎn)生負(fù)空間電荷，這些空間電荷在接觸區(qū)附近形成由n區(qū)指向p區(qū)的自建電場(chǎng)，該電場(chǎng)將阻止電子和空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，結(jié)果使體系達(dá)到平衡態(tài)，見(jiàn)圖7-6bc。這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)相同，而結(jié)區(qū)內(nèi)的能帶則

15、發(fā)生彎曲，從而引起電子與空穴的重新分布并改變pn結(jié)區(qū)中的電勢(shì)，見(jiàn)圖7-6def。 由圖7-7可見(jiàn)，多子渡越pn結(jié)時(shí)必須克服高度為eV0的勢(shì)壘，少子的渡越則在pn結(jié)的自建電場(chǎng)作用下進(jìn)行。在熱平衡時(shí)，多子擴(kuò)散電流密度和與少子漂移電流密度和相互抵消，通過(guò)pn結(jié)的總電流為零。 假設(shè)Wn為n型半導(dǎo)體的熱電子功函數(shù)，Wp為p型半導(dǎo)體的熱電子功函數(shù)，則在熱平衡情況下，pn結(jié)中的勢(shì)壘高度由下式?jīng)Q定 （7-41）式中，Efn和Efp分別為接觸前n型和p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。由于施主與受主雜質(zhì)全部電離，利用（4-47）和（4-63）式得 （7-42）考慮到，由（7-42）式則得 （7-43）或 （7-44）因此，n

16、區(qū)的施主和p區(qū)的受主密度越大，pn結(jié)的接觸電勢(shì)差越大，對(duì)于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，由于，從而有V0的最大值為 （7-45） 一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體的電子功函數(shù)都比較大，為幾個(gè)eV量級(jí)，在室溫下電子實(shí)際上不會(huì)離開(kāi)半導(dǎo)體，但卻完全可以克服勢(shì)壘從n區(qū)渡越到p區(qū)。由于p區(qū)摻雜密度比n區(qū)高，所以p區(qū)空間電荷區(qū)寬度xp比n區(qū)的xn小，整個(gè)空間電荷區(qū)寬度為 （7-46） 在區(qū)間，負(fù)空間電荷由電離受主雜質(zhì)密度決定，從而此區(qū)域的泊松方程為 （7-47）在區(qū)間的正空間電荷則由電離的施主密度決定，該區(qū)域的泊松方程為 （7-48）由邊界條件 ， 和 ， （7-49）可解得 （7-50）在x=0處，電勢(shì)及其導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的，因此有 和 從

17、而有 （7-51）因此在半導(dǎo)體pn結(jié)兩側(cè)的空間電荷區(qū)內(nèi)的正負(fù)空間電荷數(shù)相等，這就是pn結(jié)的電中性守恒條件。由（7-51）式不難得到以下關(guān)系 和 （7-52）利用以上條件容易得到 （7-53）從而pn結(jié)的空間電荷區(qū)寬度為 （7-54）由上式可見(jiàn)，n區(qū)和p區(qū)摻雜密度越高，x0則越小，如果一個(gè)區(qū)的摻雜密度遠(yuǎn)大于另一區(qū)，則電勢(shì)將主要落在低摻雜區(qū)。此外由于結(jié)區(qū)電阻率比半導(dǎo)體體內(nèi)大很多，所以pn具有電容特性，單位面積上的結(jié)電容（勢(shì)壘電容）為 （7-55）§7-5 pn結(jié)的整流現(xiàn)象 如圖7-8所示，對(duì)pn結(jié)施加正偏壓（p區(qū)接電源正極，n區(qū)接負(fù)極）V時(shí)，勢(shì)壘高度降低eV。勢(shì)壘高度的降低，使多子越過(guò)勢(shì)

18、壘變得容易了，從而由n區(qū)渡越到p區(qū)的電子數(shù)和由p區(qū)渡越到n區(qū)的空穴數(shù)比熱平衡時(shí)增加了。由于多子來(lái)源充足，于是多子電流j1可比熱平衡時(shí)大為增加。而此時(shí)通過(guò)pn結(jié)的少子電流j2則基本上保持不變。結(jié)果在回路中流過(guò)由p區(qū)指向n區(qū)的正向電流j12并有j12=j1-j2。正向偏置時(shí)耗盡層厚度也發(fā)生變化。為了計(jì)算其厚度x+，可利用如下公式代替（7-54）式 （7-56）由上式可見(jiàn)，pn結(jié)正向偏置時(shí)空間電荷區(qū)寬度變窄。 如果在pn結(jié)上施加反向電壓V，勢(shì)壘將提高eV，空間電荷區(qū)的寬度將由熱平衡時(shí)的x0增加到 (7-57)勢(shì)壘高度的增加，使多子越過(guò)勢(shì)壘變得困難了，從而由n區(qū)渡越到p區(qū)的電子數(shù)和由p區(qū)渡越到n區(qū)的空

19、穴數(shù)比熱平衡時(shí)減少了，于是多子電流j1比熱平衡時(shí)要小，而此時(shí)通過(guò)pn結(jié)的少子電流j2也基本上保持不變。結(jié)果在回路中流過(guò)由n區(qū)指向p區(qū)的反向電流j21并有j21=j2-j1。由于少子來(lái)源匱乏，所以反向電流很小。有關(guān)pn結(jié)的電流與偏置電壓的關(guān)系將在下一節(jié)中作詳細(xì)討論。§7-6 理想pn結(jié)理論（窄pn結(jié)理論） 為研究pn結(jié)的基本電流-電壓特性（伏安特性），需假設(shè)以下條件成立： 1）結(jié)寬很窄。載流子通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)無(wú)復(fù)合。這意味著耗盡層寬度x0比擴(kuò)散長(zhǎng)度小很多； 2）結(jié)兩邊的摻雜密度很高，即有pp>>ni，nn>>ni，因此半導(dǎo)體體內(nèi)的壓降可以忽略； 3）歐姆接觸電極

20、遠(yuǎn)離pn結(jié)。這樣少子在到達(dá)電極之前會(huì)因復(fù)合而全部消失； 4）電極上的壓降忽略不計(jì)。因此外偏電壓全部落在pn結(jié)上。 5）結(jié)區(qū)內(nèi)無(wú)俘獲中心，結(jié)區(qū)界面無(wú)表面復(fù)合，過(guò)剩載流子的減少只與體內(nèi)復(fù)合有關(guān)且認(rèn)為是線性減少的。 為了計(jì)算pn結(jié)的伏安特性，需找出p區(qū)和n區(qū)多子密度的變化規(guī)律。因此必須解空穴和電子的連續(xù)性方程： （7-58）和 （7-59）假定p區(qū)和n區(qū)的電子（或空穴）的擴(kuò)散系數(shù)和遷移率相等（這是不嚴(yán)格的），則空穴和電子的漂移和擴(kuò)散總電流分別為 （7-60）和 （7-61）式中，為外電場(chǎng)強(qiáng)度。 首先討論n區(qū)情況。在正向偏壓下，電子密度為，由于n區(qū)摻雜密度高，故有。因此漂移電流成分大大超過(guò)擴(kuò)散電流成分

21、，即有>>。所以在n區(qū)電子電流密度近似等于電子的漂移電流分量，即 = （7-62）但是在n區(qū)中，由于，所以在pn結(jié)n區(qū)一側(cè)邊界附近的少子空穴密度基本上由p區(qū)注入的過(guò)?？昭芏葲Q定。這時(shí)空穴的擴(kuò)散電流分量將大大超過(guò)漂移電流分量，即有。從而有 =- （7-63）考慮到（7-63）式后，穩(wěn)態(tài)下在的n區(qū)中，空穴的連續(xù)性方程可寫為 （7-64）利用，上式可改寫為 （7-65）其一般解為 （7-66）由于在半導(dǎo)體體內(nèi)（）的密度為零，因此B=0，從而有 （7-67）在空間電荷區(qū)邊界處，將熱平衡時(shí)（7-44）式中的eV0用偏置時(shí)的e(V0-V)代替，則可得少子空穴密度 （7-68）將（7-68）代

22、入（7-67）式，可解出 （7-69）在x>xn的n區(qū)中少子空穴的變化規(guī)律為 （7-70）從而由（7-63）式可得n區(qū)空穴電流密度為 （7-71） 類似地，對(duì)p區(qū)在區(qū)域可求出少子電子密度為 （7-72）電子電流為 （7-73）由于在半導(dǎo)體任意截面處電子和空穴電流的總和為常數(shù)，即有 （7-74）且由于空間電荷區(qū)足夠窄，其內(nèi)部沒(méi)有載流子的復(fù)合，故p區(qū)和n區(qū)的空穴電流在耗盡層邊界應(yīng)相等，即 （7-75）考慮到上述條件后，pn結(jié)的總電流密度可表示為 （7-76）根據(jù)（7-71）和（7-73）式有 （7-77） （7-78）因此窄pn結(jié)的伏安特性可表示為=（7-79）式中，=稱飽和電流密度。 從（

23、7-79）式不難看出，在正向偏置下（V>0）通過(guò)pn結(jié)的正向電流隨外加電壓按指數(shù)規(guī)律上升，而反向偏置時(shí)（V<0）的反向電流則稍微增加之后達(dá)到飽和。因此pn結(jié)有很強(qiáng)的整流作用，而且飽和電流越小，整流特性越好。§7-7 pn結(jié)擊穿 圖7-9為實(shí)際pn結(jié)的伏安特性?？梢?jiàn)當(dāng)反向偏壓達(dá)到某一臨界值時(shí)，反向電流會(huì)迅速增大，這種現(xiàn)象稱pn結(jié)擊穿，相應(yīng)的臨界電壓稱擊穿電壓。擊穿電壓給出了pn結(jié)的反向電壓的上限。只要電流被外電路限制在適當(dāng)范圍內(nèi)，pn結(jié)擊穿就不會(huì)造成永久性破壞。反向擊穿是pn結(jié)的重要性質(zhì)之一，擊穿電壓是pn結(jié)的一個(gè)基本參數(shù)。實(shí)踐證明，發(fā)生pn結(jié)擊穿的機(jī)理主要有兩種。一種是齊

24、納擊穿，另一種是雪崩擊穿。1齊納擊穿。齊納擊穿也稱隧道擊穿。這種擊穿是由于在結(jié)區(qū)中的強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電子由p區(qū)的價(jià)帶直接穿過(guò)結(jié)區(qū)的能量禁區(qū)到達(dá)n區(qū)的導(dǎo)帶的遂穿效應(yīng)引起的，見(jiàn)圖7-10。齊納擊穿主要取決于結(jié)區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)該區(qū)中的電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，就有大量的電子穿過(guò)隧道，從p區(qū)的價(jià)帶進(jìn)入n區(qū)的導(dǎo)帶，使反向電流很快增加，從而發(fā)生擊穿。2雪崩擊穿。當(dāng)反向偏壓增加時(shí)，結(jié)區(qū)中的電場(chǎng)增強(qiáng)，通過(guò)結(jié)區(qū)的電子和空穴可以在電場(chǎng)作用下獲得很大能量。當(dāng)電子與空穴的能量足夠大時(shí)，通過(guò)與晶格上的原子相碰撞可以使價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為“碰撞電離”。 碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴以及原有的電子和空穴，在電

25、場(chǎng)的作用下，向相反的方向運(yùn)動(dòng)，重新獲得能量，又可以通過(guò)碰撞再產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這種過(guò)程持續(xù)下去，便引起載流子的倍增效應(yīng)，見(jiàn)圖7-11。當(dāng)反向偏壓足夠高時(shí)，倍增效應(yīng)很強(qiáng)，好像雪崩一樣，使反向電流迅速增加，pn結(jié)發(fā)生雪崩擊穿。 §7-8 異質(zhì)結(jié) 前面討論的pn結(jié)，p區(qū)與n區(qū)屬同一種半導(dǎo)體材料，只是導(dǎo)電類型不同，所以也稱同質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)，廣義而言，不同物質(zhì)之間的接觸所形成的結(jié)均可稱異質(zhì)結(jié)。本課程所講的異質(zhì)結(jié)是指兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料接觸后所形成的異質(zhì)結(jié)。一異質(zhì)結(jié)的種類。從導(dǎo)電類型上可將異質(zhì)結(jié)分為兩類：1） 同型異質(zhì)結(jié)：形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型相同；2） 異型異質(zhì)結(jié)：形成異質(zhì)

26、結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型不同。 如果約定，以P和N分別表示禁帶寬度大的p型和n型半導(dǎo)體材料，以p和n分別表示禁帶寬度小的p型和n型半導(dǎo)體材料，則同型異質(zhì)結(jié)可表示為nN、pP，而異型異質(zhì)結(jié)則可表示為nP和pN。另外約定，以ND和NA分別表示寬帶隙材料的施主和受主摻雜密度，以Nd和Na分別表示窄帶隙材料的施主和受主摻雜密度。二理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖。 異質(zhì)結(jié)的能帶圖與形成結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的電子親和勢(shì)、禁帶寬度、導(dǎo)電類型、摻雜密度、膨脹系數(shù)以及界面情況等許多因素有關(guān)。所以實(shí)際異質(zhì)結(jié)的能帶圖遠(yuǎn)比同質(zhì)結(jié)的復(fù)雜，很難畫出。為此，人們對(duì)實(shí)際異質(zhì)結(jié)作了必要的簡(jiǎn)化處理后，給出了下面的理想模型：1） 形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料具有完全相同的晶體結(jié)構(gòu)；2） 形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料具有完全相同的晶格常數(shù)；3） 形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料具有完全相同的熱膨脹系數(shù)。從而使由這些差別引起的影響可忽略不計(jì)。 1理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖。以nP結(jié)為例。圖7-12為接觸前n和P型半導(dǎo)體各自的熱平衡能帶圖。圖中，E0為真空能級(jí)， 稱導(dǎo)帶階