半導(dǎo)體物理學(xué) 綱要2014

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平1半導(dǎo)體物理學(xué)總復(fù)習(xí)SemiconductorPhysics西安理工大學(xué)電子工程系DepartmentofelectronicsengineeringXi’anUniversityofTechnology

馬劍平majp@西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2半導(dǎo)體物理架構(gòu)圖非平衡載流子平衡載流子擴(kuò)散載流子統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體絕緣體金屬載流子能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)漂移復(fù)合金屬絕緣體半導(dǎo)體肖特基結(jié)MOSpn結(jié)半導(dǎo)體電光熱磁效應(yīng)半導(dǎo)體器件應(yīng)用半導(dǎo)體直接間接電子、空穴的分布、產(chǎn)生和輸運(yùn)控制西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平3描述半導(dǎo)體原理的基本方程泊松方程電荷密度(x）

連續(xù)方程

載流子的輸運(yùn)方程描述半導(dǎo)體中靜電勢的變化規(guī)律西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平4電荷密度(x)可動(dòng)的－載流子（n,p)固定的－電離施主ND+、電離受主NA-基本步驟西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平5摻雜半導(dǎo)體的費(fèi)米能級熱平衡電中性條件n型p型p0+nD+=n0+pA-n0=nD++p0p0=pA-+n0低溫弱電離P0=0n0=nD+n0=0p0=pA-過渡區(qū)n0=

p0+

NDp0=n0+NA強(qiáng)電離n0=nD+

=

NDp0=pA-

=NA高溫本征激發(fā)n0=

p0n0=

p0西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平6必須掌握的幾個(gè)公式1載流子濃度表達(dá)式EvEcEFEi西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平7強(qiáng)電離載流子濃度n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體多子濃度少子濃度多子濃度少子濃度西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平82.平衡p-n結(jié)的載流子分布pnpp0np0nn0pn0P’n’n(x)p(x)V(x)-xpxnnV(-xp)=0V(-xn)=VD西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平93.表面處電勢為Vs時(shí),表面載流子的濃度EvEcEFEiVsP型VB西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平104.半導(dǎo)體的電導(dǎo)率5.電中性條件6.耗盡層西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平11三大理論四大機(jī)理耗盡層近似熱電子發(fā)射隧道勢壘貫穿擴(kuò)散-漂移、產(chǎn)生-復(fù)合

pn結(jié)少子注入與擴(kuò)散肖特基多子的發(fā)射反型層的建立與耗盡區(qū)的形成西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平12重要概念半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過剩載流子、熱載流子能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運(yùn)、漂移、擴(kuò)散、產(chǎn)生、復(fù)合耗盡層近似、熱電子發(fā)射、隧道勢壘貫穿西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平13概念的區(qū)分有效質(zhì)量、縱向有效質(zhì)量、橫向有效質(zhì)量

非平衡載流子和熱載流子

擴(kuò)散長度，牽引長度與德拜長度

歐姆接觸與整流接觸

平帶電壓與閾值電壓（對MOS結(jié)構(gòu)而言）

費(fèi)米能級與準(zhǔn)費(fèi)米能級復(fù)合中心與陷阱中心費(fèi)米能級、化學(xué)勢、電子親和能

遷移率與擴(kuò)散系數(shù)光磁電效應(yīng)

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平14基本規(guī)律的理解肖特基勢壘與PN結(jié)勢壘的異同

強(qiáng)電場下半導(dǎo)體的歐姆定律的偏離本征和摻雜半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度T的變化強(qiáng)場下的負(fù)微分遷移率俄歇復(fù)合的特點(diǎn)半導(dǎo)體對光的吸收的主要吸收過程西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平15半導(dǎo)體的能帶圖西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平16深能級雜質(zhì)與淺能級雜質(zhì)金是硅中的深能級雜質(zhì)，形成有效的復(fù)合中心，嚴(yán)重影響少子壽命。淺能級雜質(zhì)在半導(dǎo)體中決定多數(shù)載流子的濃度，對少子的壽命影響不大。金在硅中的兩個(gè)深能級并不是同時(shí)起作用的。在n型硅中,費(fèi)米能級總是比較靠近導(dǎo)帶,金的能級被電子基本填滿，所以只有受主能級EtA起作用；而在p型硅中，金的能級基本上是空的，因而只存在施主能級EtD

。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平17半導(dǎo)體器件的工作溫度限制一般半導(dǎo)體器件正常工作時(shí)，載流子主要來源于雜質(zhì)電離。隨著器件溫度的上升，在保持載流子主要來源于雜質(zhì)電離時(shí)，器件性能才可不失效。為此要求本征載流子濃度至少比雜質(zhì)濃度低一個(gè)數(shù)量級。硅平面管一般采用室溫電阻率為1Ωcm的材料，其雜質(zhì)濃度約為5x1015cm-3，根據(jù)本征載流子濃度與溫度的關(guān)系可得硅器件的極限工作溫度約為520K。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平18本征載流子濃度與溫度的關(guān)系西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平19載流子濃度平衡態(tài)下的載流子濃度非平衡態(tài)下的載流子濃度可表示為：西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平20不同摻雜情況下的費(fèi)米能級摻有某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級由溫度和雜質(zhì)濃度所決定。對于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體，隨著溫度的升高，載流子則是從以雜質(zhì)電離為主來源過渡到以本征激發(fā)為主要來源的過程。相應(yīng)地，費(fèi)米能級則從位于雜質(zhì)能級附近逐漸移近禁帶中線處。對于n型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級位于禁帶中線以上；而對于p型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級則位于禁帶中線以下。雜質(zhì)濃度越高，費(fèi)米能級距離禁帶中線越遠(yuǎn)。對于電子而言，越靠近導(dǎo)帶電子能量越高；對于空穴而言，則是越靠近價(jià)帶空穴的能量越高。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平21摻雜半導(dǎo)體的費(fèi)米能級熱平衡電中性條件n型p型p0+nD+=n0+pA-n0=nD++p0p0=pA-+n0低溫弱電離P0=0n0=nD+n0=0p0=pA-過渡區(qū)n0=

p0+

NDp0=n0+NA強(qiáng)電離n0=nD+

=

NDp0=pA-

=NA高溫本征激發(fā)n0=

p0n0=

p0西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平22一般情況下關(guān)于EF和T的方程西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平23硅中電子和空穴遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系對摻雜的鍺、硅等原子半導(dǎo)體，主要的散射機(jī)構(gòu)是聲學(xué)波晶格散射和電離雜質(zhì)散射.雜質(zhì)散射使遷移率隨溫度增加而增大；晶格散射使遷移率隨溫度增加而降低。雜質(zhì)濃度較低時(shí),遷移率隨溫度升高迅速減小,晶格散射起主要作用.隨著雜質(zhì)濃度的增加，雜質(zhì)散射逐漸加強(qiáng)。當(dāng)雜質(zhì)濃度很高時(shí)，在低溫范圍，遷移率隨溫度升高緩慢上升，直到很高溫度(250°C)才稍有下降。說明雜質(zhì)散射直到此時(shí)才讓位于晶格振動(dòng)散射為主。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平24EcEFEiEv載流子濃度與能級的關(guān)系E0西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平25費(fèi)米能級的深刻含義濃度越高￡費(fèi)米能級越靠近事實(shí)上，能帶與費(fèi)米能級的距離決定了載流子的濃度。EvEcEFEi費(fèi)米能級越靠近導(dǎo)帶底，說明導(dǎo)帶電子濃度越高。費(fèi)米能級越靠近價(jià)帶頂，則說明價(jià)帶空穴濃度越高。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平26準(zhǔn)費(fèi)米能級當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)時(shí)，不再存在統(tǒng)一的費(fèi)米能級。然而分別就價(jià)帶和導(dǎo)帶的電子而言，各自又基本處于平衡態(tài)，而導(dǎo)帶和價(jià)帶之間則處于非平衡態(tài)。對于非平衡態(tài)，費(fèi)米能級和統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)分別對導(dǎo)帶和價(jià)帶各自仍然適用。對于非平衡態(tài)下的導(dǎo)帶和價(jià)帶分別引人導(dǎo)帶費(fèi)米能級和價(jià)帶費(fèi)米能級，稱為“準(zhǔn)費(fèi)米能級”。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平27復(fù)合中心和陷阱中心復(fù)合中心：半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷可以在禁帶中形成一定的能級，對非平衡載流子的壽命有很大影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)、缺陷越多，壽命越短，說明雜質(zhì)和缺陷具有促進(jìn)復(fù)合的作用。把促進(jìn)復(fù)合過程的雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心，重金屬形成有效的復(fù)合中心。陷阱中心：半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級，這些能級具有收容部分非平衡載流子的作用，雜質(zhì)能級的這種積累非平衡載流子的作用稱為陷阱效應(yīng)。把產(chǎn)生顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平28表面復(fù)合實(shí)際上，少數(shù)載流子壽命值在很大程度上受半導(dǎo)體樣品的形狀和表面狀態(tài)的影響。表面復(fù)合是指在半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過程。表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶中形成復(fù)合中心能級，因此，表面復(fù)合仍為間接復(fù)合。表面復(fù)合率Us：單位時(shí)間通過單位表面積復(fù)合掉的電子-空穴對數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面復(fù)合率與表面處非平衡載流子濃度成正比，比例系數(shù)稱為表面復(fù)合速度s。表面復(fù)合具有重要的實(shí)際意義，可以影響載流子的注入效果。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平29俄歇復(fù)合載流子從高能級向低能級躍遷發(fā)生電子-空穴復(fù)合時(shí)，一定要釋放出多余的能量。如果載流子將多余的能量傳給另一個(gè)載流子，使這個(gè)載流子被激發(fā)到能量更高的能級上去，當(dāng)它重新躍遷回低能級時(shí)，多余的能量常以聲子形式放出，這種復(fù)合稱為俄歇復(fù)合,其特征為伴隨著復(fù)合過程有另一個(gè)載流子的躍遷過程?？蓪⒍硇獜?fù)合分為帶間復(fù)合和與雜質(zhì)和缺陷有關(guān)的復(fù)合兩大類。在小信號情況下，俄歇復(fù)合率正比于非平衡載流子的濃度。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平30歐姆接觸整流接觸所謂歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體間接觸電阻很小，不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。

金屬與半導(dǎo)體相接觸，在緊密接觸的金屬和半導(dǎo)體之間加上電壓時(shí)，阻擋層具有類似p-n結(jié)的伏-安特性，即有整流特性，則稱為整流接觸。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平31雜質(zhì)半導(dǎo)體中的非平衡少子壽命小注入時(shí)，非平衡少子的壽命取決于n0、p0、n1、p1，其中最大者起主要作用。對于一般的復(fù)合中心，rn=rp=r,那么τp=τn=1/(Ntr)西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平32摻金工藝

在摻金的硅中，少子壽命與金的濃度成反比。因此，通過控制金濃度，可以在寬廣的范圍內(nèi)改變少子的壽命。少量的有效復(fù)合中心就能大大縮短少數(shù)載流子的壽命,摻金工藝已作為縮短少數(shù)載流子的壽命的有效手段而廣泛應(yīng)用。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平33肖特基二極管與PN結(jié)二極管肖特基二極管與PN結(jié)二極管具有類似的電流-電壓關(guān)系，即它們都有單向?qū)щ娦?；但又有區(qū)別：首先，就載流子的運(yùn)動(dòng)形式而言，PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)，由P區(qū)注入N區(qū)的空穴或由N區(qū)注入P區(qū)的電子都是少數(shù)載流子，它們先形成一定的積累，然后靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電流。這種注入的非平衡載流子的積累稱為電荷存儲效應(yīng)，它嚴(yán)重地影響了PN結(jié)的高頻特性。而肖特基二極管的正向電流主要是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子進(jìn)入金屬形成的，它是多數(shù)載流子器件，因此有比PN結(jié)更好的高頻特性。其次，對于相同的勢壘高度，肖特基二極管的JsD

或JsT

比PN結(jié)的反向飽和電流Js大得多。換言之，對于同樣的使用電流，肖特基勢壘二極管將有較低的正向?qū)妷海话銥?.3V左右。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平34強(qiáng)電場下歐姆定律發(fā)生偏離的原因主要可以從載流子與晶格振動(dòng)散射時(shí)的能量交換過程來說明。在有電場存在時(shí)，載流子從電場中獲得能量，隨后又以發(fā)射聲子的形式將能量傳給晶格，穩(wěn)態(tài)時(shí)平均的說，單位時(shí)間載流子從電場中獲得的能量同給予晶格的能量相同。

在強(qiáng)電場情況下，載流子從電場中獲得的能量很多，載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大，因而載流子和晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，歐姆定律發(fā)生偏移，表明電導(dǎo)率不再是常數(shù)，隨電場而變。電導(dǎo)率決定于載流子濃度和遷移率。平均漂移速度與電場強(qiáng)度不再成正比，遷移率隨電場改變。

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平35漂移遷移率和電導(dǎo)遷移率漂移遷移率：半導(dǎo)體內(nèi)部電場穩(wěn)定時(shí)，載流子具有一個(gè)恒定不變的平均漂移速度。電場強(qiáng)度增大，平均漂移速度也增大，將μ稱為載流子的漂移遷移率，表示單位場強(qiáng)下載流子平均漂移速度。電導(dǎo)遷移率：對等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面的多極值半導(dǎo)體，因?yàn)榫w不同方向有效質(zhì)量不同，所以引入半導(dǎo)體電導(dǎo)有效質(zhì)量mc來取代m*，這樣得到的遷移率μ稱為電導(dǎo)遷移率，記為μc。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平36強(qiáng)場效應(yīng)、耿氏效應(yīng)、異質(zhì)結(jié)窗口效應(yīng)強(qiáng)場效應(yīng)：指當(dāng)電場強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí)，電流密度和電場強(qiáng)度關(guān)系偏離了歐姆定律，遷移率隨電場變化。可以從載流子與晶格振動(dòng)散射時(shí)能量交換過程來說明。在強(qiáng)電場情況下，載流子有效溫度Te比晶格溫度T高，載流子平均能量比晶格的大，在平均自由程不變的情況下，平均自由時(shí)間減小，因而遷移率降低。耿氏效應(yīng)：在耿氏器件兩端加上電壓后，由于器件內(nèi)局部摻雜不均勻，使器件內(nèi)場強(qiáng)處于負(fù)微分電導(dǎo)區(qū)時(shí)，就形成帶負(fù)電的電子積累層和帶正電的由電離施主構(gòu)成的電子耗凈層，組成空間電荷偶極層，稱為偶極疇。偶極疇形成后，疇內(nèi)正負(fù)電荷產(chǎn)生一個(gè)與外加電場同方向的電場，使疇內(nèi)電場增強(qiáng)，疇外電場降低隨著偶極高場疇不斷生成、生長達(dá)到穩(wěn)定，形成耿氏震蕩，這個(gè)效應(yīng)稱為耿氏效應(yīng)。異質(zhì)結(jié)窗口效應(yīng)：用禁帶寬度不同的兩塊半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，并將禁帶寬度Eg1大的半導(dǎo)體1作為光的入射面時(shí)，則半導(dǎo)體1的透射光譜與禁帶寬度Eg2較小的半導(dǎo)體2的吸收光譜組成一個(gè)較寬的光譜范圍，異質(zhì)結(jié)對光譜范圍具有很靈敏的光電特性。這一效應(yīng)在太陽能電池，光電二極管等光電器件中有著實(shí)際的應(yīng)用。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平37擴(kuò)散長度，牽引長度與德拜長度擴(kuò)散長度：指非平衡載流子在復(fù)合前深入樣品的平均距離，由擴(kuò)散系數(shù)和材料非平衡少數(shù)載流子的壽命決定.牽引長度：非平衡載流子在電場的作用下，在壽命τ時(shí)間內(nèi)所漂移的距離。德拜長度：在研究電介質(zhì)表面極化層時(shí)提出的理論上的長度，用來描寫正離子的電場所能影響到電子的最遠(yuǎn)距離。對于半導(dǎo)體，表面空間電荷所能影響到電子的最遠(yuǎn)距離，表面空間電荷層厚度隨襯底摻雜濃度、介電常數(shù)、表面電勢等許多因素而改變，但其厚度的數(shù)量級用一個(gè)特征長度—德拜長度LD表示。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平38電阻率隨溫度的變化對于純的本征半導(dǎo)體,電阻率主要由本征載流子濃度決定,電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降,這是半導(dǎo)體區(qū)別于金屬的一個(gè)重要特征。ρT對于雜質(zhì)半導(dǎo)體,既有雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個(gè)因素,有雜質(zhì)散射和晶格散射兩種散射機(jī)構(gòu)存在。溫度很低時(shí)，本征激發(fā)可以忽略，散射主要由電離雜質(zhì)決定，遷移率隨溫度升高而增大，電阻率隨溫度升高而下降。溫度較高時(shí)，雜質(zhì)已全部電離，晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾，遷移率隨溫度升高而降低，電阻率隨溫度升高而增大。高溫及本征激發(fā)成為矛盾的主要方面時(shí)，電阻率又由本征載流子濃度決定，并隨溫度急劇下降。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平39強(qiáng)場下歐姆定律發(fā)生偏離的原因載流子與晶格振動(dòng)散射時(shí)的能量交換過程有電場存在時(shí),載流子從電場中獲得能量,隨后又以聲子的形式將能量傳給晶格,即主要和聲學(xué)波散射.達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),載流子與晶格系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),具有相同的熱力學(xué)溫度。在強(qiáng)場情況下,載流子從電場中獲得的能量很多,在與晶格散射時(shí),平均自由時(shí)間縮短,因而遷移率降低.由于載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大,載流子不再與晶格系統(tǒng)保持熱平衡,此時(shí)的載流子稱為熱載流子.但是,當(dāng)場強(qiáng)進(jìn)一步增強(qiáng),載流子的能量高到散射時(shí)可以發(fā)射光學(xué)聲子,載流子從電場中獲得的能量大部分又消失,平均漂移速度達(dá)到飽和。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平40vdIEIIE2IIETIIE1Iμ1IE1Iμ2IE2I2x104V/cm3.2x104V/cmn2>>n1n1>>n2能谷間的散射微分電導(dǎo)ΓLk<111>0.49eVEValley2Valley1n1n2ΔkΔE二階導(dǎo)數(shù)代表曲率、一階導(dǎo)數(shù)(斜率)代表速度。有效質(zhì)量與曲率成反比、與曲率半徑成正比、速度與斜率成正比、曲率大，曲率半徑小，能谷1速度大、曲率大有效質(zhì)量小，遷移率大。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平41高場疇區(qū)及耿氏震蕩由于某種原因比如摻雜不均勻出現(xiàn)一個(gè)高阻區(qū),電場在此區(qū)集中,超過閾值時(shí)位于微分負(fù)電導(dǎo)區(qū)，使此區(qū)中的部分電子躍遷到高能谷中，平均漂移速度低于區(qū)外電子。由于區(qū)外電子速度較大，前端電子的快速逸出而區(qū)內(nèi)電子不能及時(shí)補(bǔ)充從而形成電子耗盡層;同時(shí)后端電子又快速推進(jìn)，而區(qū)內(nèi)電子漂移緩慢，必然在后端形成電子的積累層。這樣就形成了一個(gè)空間電荷偶極層，稱為偶極疇，簡稱疇，疇的電場方向與外電場一致，使疇內(nèi)電場進(jìn)一步加強(qiáng)，疇外電場也有所降低，因此這種偶極疇又稱高場疇。-V+--++隨著漂移的進(jìn)行,疇內(nèi)電場的不斷加強(qiáng),疇的厚度繼續(xù)增大,疇外電場也不斷降低.最終疇內(nèi)電子的漂移速度飽和,疇外電子的速度也降到與之相同，疇不再增長,疇區(qū)內(nèi)外電子以相同的速度漂移。V=Edl=Ebd+(l-d)Ea西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平42一維n型半導(dǎo)體表面光照穩(wěn)態(tài)少子分布n型E粒子數(shù)積累西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平43表面注入空穴的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散1樣品足夠厚：x=0，Δp(0)=(Δp)0,

末端x=∞，濃度Δp=02樣品厚度為W，在W端非平衡少子被全部引出。即:x=0，Δp(0)=(Δp)0x=W，Δp(W)=0

西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平44xP(x)P(0)穩(wěn)定光照射下的表面復(fù)合穩(wěn)定光照射在一塊均勻摻雜的n型半導(dǎo)體中均勻產(chǎn)生非平衡載流子,產(chǎn)生速率為gp,樣品一端的表面復(fù)合速度為sp，平衡空穴濃度為p0。p0n型西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平45非平衡少子的運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散、漂移和復(fù)合非平衡少子Δnp擴(kuò)散區(qū)非平衡少子Δpn擴(kuò)散區(qū)復(fù)合←擴(kuò)散擴(kuò)散→復(fù)合+-+-+++++++-------漂移Dp/Lp具有速度的量綱，稱為擴(kuò)散速度Dn/Ln具有速度的量綱，稱為擴(kuò)散速度p-n結(jié)的形成和能帶p-n結(jié)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是其中存在有電場很強(qiáng)的空間電荷區(qū)，故p-n結(jié)的形成機(jī)理，關(guān)鍵也就在于空間電荷區(qū)的形成問題；p-n結(jié)的能帶也就反映了空間電荷區(qū)中電場的作用。從能量上來看，由于空間電荷所形成的內(nèi)建電場的出現(xiàn)，就使得電子在p型半導(dǎo)體一邊的能量提高了，同時(shí)空穴在n型半導(dǎo)體一邊的能量也提高了；而在界面附近處產(chǎn)生出了一個(gè)阻擋載流子進(jìn)一步擴(kuò)散的勢壘—p-n結(jié)勢壘。由于n型和p型兩邊存在著內(nèi)建電勢差，電子在n型半導(dǎo)體中和在p型半導(dǎo)體中的勢能就不相等了。由于電場等于電勢降落的梯度，因此能帶在p-n結(jié)勢壘區(qū)中是傾斜的，載流子在勢壘區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要靠漂移；但在勢壘區(qū)以外的能帶是水平的，載流子的運(yùn)動(dòng)主要靠擴(kuò)散。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平16西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平47平衡p-n結(jié)的載流子分布pnpp0np0nn0pn0P’n’n(x)p(x)x-xpxn西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平48勢壘邊界處非平衡少數(shù)載流子的濃度分布n區(qū)勢壘邊界x=xn非平衡少子Δpn(xn)p區(qū)勢壘邊界x=xp非平衡少子Δnp(xp)西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平41西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平41為什么認(rèn)為通過理想p-n結(jié)的電流（正向電流和反向電流）都是少數(shù)載流子在擴(kuò)散區(qū)的擴(kuò)散電流？載流子通過勢壘區(qū)的方式主要有三種：若勢壘厚度非常薄（與載流子deBlolig波長相當(dāng)），則為量子隧道效應(yīng)方式；若勢壘厚度較薄（大于deBlolig波長，但小于載流子的平均自由程），則為熱發(fā)射方式；若勢壘厚度較厚（大于載流子平均自由程），則為依靠濃度梯度的擴(kuò)散方式。因?yàn)閯輭緟^(qū)近似為耗盡層,屬于高阻區(qū),則外加電壓將完全降落在勢壘區(qū),擴(kuò)散區(qū)中沒有電壓和電場。外加電壓可以改變勢壘區(qū)的特性：正向電壓使電場減弱、勢壘厚度減薄和勢壘高度降低；反向電壓使電場增強(qiáng)、勢壘厚度增厚和勢壘高度升高。②因?yàn)閿U(kuò)散區(qū)中沒有電場，則載流子在擴(kuò)散區(qū)中的電流就是由濃度梯度所產(chǎn)生的擴(kuò)散電流，而不存在漂移電流。③根據(jù)電流的連續(xù)性，若載流子由漂移和擴(kuò)散相繼產(chǎn)生電流時(shí)，則總電流的大小將主要受到最慢、最小過程的限制。例如，當(dāng)一種載流子相繼進(jìn)行擴(kuò)散和漂移（不是既有擴(kuò)散、又有漂移）時(shí)，則電流大小將主要由較慢的擴(kuò)散過程來決定，而與迅速的漂移過程基本上無關(guān)。④少數(shù)載流子電流不一定小于多數(shù)載流子電流。因?yàn)樯贁?shù)載流子電流決定于載流子濃度的梯度（與濃度大小無關(guān)），多數(shù)載流子電流決定于載流子濃度的大小，兩種電流的大小不可因載流子的多少而論。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平43pn結(jié)的正向電流當(dāng)p-n結(jié)加上正向電壓時(shí)，勢壘高度降低(勢壘厚度也減薄)，則載流子按照Boltzmann能量分布規(guī)律，即有一定數(shù)量的載流子“越過”勢壘區(qū)而到達(dá)對面的擴(kuò)散區(qū)表面（擴(kuò)散區(qū)與勢壘區(qū)的界面）。這種“越過”勢壘區(qū)的過程不是電場的漂移作用，而是載流子能量的統(tǒng)計(jì)作用(實(shí)際上就是載流子的熱發(fā)射效應(yīng))，不需要考慮渡越時(shí)間。然而，到達(dá)對面擴(kuò)散區(qū)表面的載流子成為了少數(shù)載流子，不能很快地到達(dá)對面的電極而形成電流，于是就在散區(qū)表面附近積累、形成濃度梯度，然后一邊向內(nèi)部擴(kuò)散、一邊復(fù)合，從而產(chǎn)生了電流—擴(kuò)散電流。所以，理想p-n結(jié)的正向電流主要是少數(shù)載流子在擴(kuò)散區(qū)中的擴(kuò)散電流，至于載流子“越過”勢壘區(qū)過程的限制作用就被忽略了。pn結(jié)的反向電流p-n結(jié)的反向電流包含少數(shù)載流子擴(kuò)散電流和復(fù)合中心的產(chǎn)生電流。p-n結(jié)的反向擴(kuò)散電流：當(dāng)p-n結(jié)加上反向電壓時(shí)，勢壘高度升高（勢壘厚度也增大），則由于能量分布的限制，載流子不能“越過”勢壘區(qū)；這時(shí)n區(qū)邊界xn附近的空穴被勢壘區(qū)的強(qiáng)電場驅(qū)向p區(qū)，而p區(qū)邊界xp附近的電子被驅(qū)向n區(qū)。當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，就形成與正向注入時(shí)方向恰好相反的少數(shù)載流子的密度梯度，p區(qū)和n區(qū)內(nèi)部的少子就會(huì)分頭向勢壘區(qū)方向擴(kuò)散，形成反向偏壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流。這種情況好像少數(shù)載流子不斷地被抽出來，所以稱為少數(shù)載流子的抽取。與此同時(shí)，只要載流子進(jìn)入勢壘區(qū)，就馬上被電場拉向(漂移)到對面、并形成反向電流?？梢?，形成p-n結(jié)的反向電流包含兩個(gè)過程—少數(shù)載流子在擴(kuò)散區(qū)中的反向擴(kuò)散過程和載流子漂移渡越勢壘區(qū)的過程；但因?yàn)檩d流子漂移渡越勢壘區(qū)的過程很快，可以忽略，所以p-n結(jié)的反向電流即可認(rèn)為主要是少數(shù)載流子在擴(kuò)散區(qū)中的擴(kuò)散電流。p-n結(jié)的反向產(chǎn)生電流：在反向電壓下，勢壘區(qū)處于載流子嚴(yán)重欠缺的非平衡狀態(tài)，則為了恢復(fù)平衡，勢壘區(qū)中的復(fù)合中心產(chǎn)生出大量的電子和空穴對，并且電子即被電場拉向n型半導(dǎo)體一邊、空穴即被電場拉向p型半導(dǎo)體一邊，從而就形成了反向電流。因?yàn)楫a(chǎn)生電流主要決定于勢壘區(qū)中產(chǎn)生中心的數(shù)量，而勢壘厚度會(huì)隨著反向電壓的增大而展寬，所以產(chǎn)生中心的數(shù)量也將隨著反向電壓的增大而增多，于是反向產(chǎn)生電流也就不會(huì)飽和—電流與電壓有關(guān)。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平46西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平52突變結(jié)的勢壘電容CT時(shí)n區(qū)邊界xn附近的空穴被勢壘區(qū)的強(qiáng)電場驅(qū)向p區(qū)，而p區(qū)邊界xp附近的電子被驅(qū)向n區(qū)。當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，就形成與正向注入時(shí)方向恰好相反的少數(shù)載流子的密度梯度，p區(qū)和n區(qū)內(nèi)部的少子就會(huì)分頭向勢壘區(qū)方向擴(kuò)散，形成反向偏壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流。這種情況好像少數(shù)載流子不斷地被抽出來，所以稱為少數(shù)載流子的抽取。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平53阻擋層的整流作用外加電壓V于金屬,由于阻擋層是一個(gè)高阻區(qū),因此電壓主要降落在阻擋層上,原來半導(dǎo)體表面和內(nèi)部之間的電勢差即表面勢Vs0現(xiàn)在應(yīng)為-q[Vs0+V]。顯然,外加電壓V與原來表面勢Vs0符號相同時(shí),阻擋層將提高,否則勢壘將下降。對于n型阻擋層而言,由于表面勢Vs0<0,加在金屬上的正電壓(V>0)將使半導(dǎo)體一邊到金屬的勢壘降低,但金屬中的電子要想進(jìn)入半導(dǎo)體所面臨的勢壘高度卻不隨是否外加電壓而變化,因?yàn)榻饘俚馁M(fèi)米能級幾乎不隨外加電壓而變化，從金屬到半導(dǎo)體的電子電流是恒定的。西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平54表面電場效應(yīng)反偏多子積累,正偏多子耗盡,少子反型EvEcEFEiEi=EF時(shí)，表面處導(dǎo)帶電子濃度等于價(jià)帶空穴濃度.EvEcEFEiP型EvEcEFEiqVBEvEcEFEiEvEcEFEiEvEcEFEiEvEcEFEiEvEcEFEiqVBqVB西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平55Ei=EF時(shí)，表面處價(jià)帶空穴濃度等于導(dǎo)帶電子濃度.n型EvEcEFEiEvEcEFEiqVBEvEcEFEiqVB表面電場效應(yīng)反偏多子積累,正偏多子耗盡,少子反型理想MIS結(jié)構(gòu)的充放電(a)負(fù)電壓在MIS電容器中產(chǎn)生的正負(fù)電荷分別聚集在絕緣層兩邊的金屬和半導(dǎo)體表面(b)當(dāng)UG>0，但不足以使半導(dǎo)體表面反型時(shí)，空間電荷區(qū)處于耗盡狀態(tài)，電容器CS的充放電反映在耗盡層厚度的變化上反型層一旦形成，耗盡層的空間電荷區(qū)基本不再隨UG升高而改變，其寬度保持在極大值xd,max,大量電子聚集在半導(dǎo)體表面，與金屬表面的大量正電荷一起分布在絕緣層兩邊,耗盡層空間電荷對MIS電容的貢獻(xiàn)完全被表面反型層屏蔽掉.當(dāng)UG頻率極高，以至在其過短的作用時(shí)間內(nèi)，反型層中電子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了形成強(qiáng)反型層對電荷量的需要，那么，即使UG已超過UT，也不能在半導(dǎo)體表面形成強(qiáng)反型層，這時(shí)對半導(dǎo)體起屏蔽作用的只能是耗盡層，電壓增量引起的電荷增量仍須通過耗盡層的擴(kuò)展來提供，而在反型層中沒有相應(yīng)的電量變化西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平56

（a）多子積累(b)多子耗盡(c)強(qiáng)反型（低頻）(d)強(qiáng)反型（高頻）(a)多子積累(b)多子耗盡(c)