半导体器件原理第三章
半导体物理与器件 尼曼 第四版第三章课后答案
Chapter 3
3.1
If o a were to increase, the bandgap energy would decrease and the material would begin to behave less like a semiconductor and more like a metal. If o a were to decrease, the bandgap energy would increase and the
material would begin to behave more like an insulator.
_______________________________________ 3.2
Schrodinger's wave equation is:
()()()t x x V x
t x m ,,2222ψ⋅+∂ψ∂- ()t
t x j ∂ψ∂=, Assume the solution is of the form:
()()⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ψt E kx j x u t x exp , Region I: ()0=x V . Substituting the
assumed solution into the wave equation, we obtain:
()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣
⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎩⎨⎧∂∂-t E kx j x jku x m exp 22 ()⎪⎭⎪
⎬⎫⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-∂∂+t E kx j x x u exp ()⎥⎥⎦⎤
半导体物理器件第三章
双极晶体管：BJT
1：双极晶体管的结构：
制作方法：1：合金法：杂质浓度分布 2：扩散法：杂质浓度分布 双极晶体管在结构上的两大特点： 1：nb b L W <<； 2：
210>>B
E
N N ； 2：双极晶体管的放大原理：
晶体管的三种连接方式：共基；共集；共射；图见书 发射效率：pe
ne
ne
E ne I I I I I +=
=
0γ；反应发射区载流子越过发射结到基区的能力。 基区输运系数：*
0β=
ne rb
nc ne nc I I I I I -=
；反应发射区载流子越过基区到集电区的能力。 集电区倍增因子nc
CBO
nc nc c I I I I I +=
=
*
α；反应所加反向偏置电压导致的集电区电子的逆流 共集极直流电流放大系数：*
∙==
00βγαE
C I I 共射极直流电流放大系数：0
01ααβ-=
3：计算均匀基区晶体管直流电流增益的近似：①发射结和集电结均为理想突变结；②发射区、基区、集电区的杂质分别为N E >N B >N C ;且均匀分布；③势垒区的宽度远小于少子扩散长度④外加电压全部降落在发射结和集电结势垒区；⑤电流为小注入。 突变结：e
E nb b B pe W N D W N D R R +=+=
1111b e 0□□γ；e e W R ρ=e □，E ne e N q μρ1
=； b
b
W R ρ=
b □，B
pb b N q μρ1=
；
220
21nb b L W -=*
β；22
021nb
b e b b e L W W W -
-=ρρα； 缓变结：与之类似；见书。
4：提高电流增益的途径：①：减小基区宽度；②增大发射区杂质浓度与基区杂质浓度比；③提高基区电场因子η；④减小基区少子寿命及迁移率。
功率半导体器件基本原理03章 击穿电压 最基础的章节
Chapter 3
Breakdown Voltage
The most unique feature of power semiconductor devices is their ability to withstand high voltages. In transistors designed for microprocessors and semiconductor memories, the pressure to reduce their size to integrate more devices on a monolithic chip has resulted in a reduction in their operating voltage. In contrast, the desire to control larger power levels in motor drive and power distribution systems has encouraged the development of power devices with larger breakdown voltages. Typical applications for power devices were illustrated in Fig. 1.2. Depending upon the application, the breakdown voltage of devices can range from 20 to 30 V for voltage regulator modules (power supplies) used to deliver power to microprocessors in personal computers and servers to over 5,000 V for devices used in power transmission networks.
半导体物理第3章课件
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
10、对只含施主杂质的n型半导体，在室温时能否 认为载流子浓度为n0=ND+ni，p0=ni？为什么？ 11、欲使施主能级和受主能级恰好电离1/3，各需 满足什么条件？ 12、有n型半导体，如果（1）不掺入受主；（2） 掺入少量受主（NA<<ND），那么当温度趋于0K 时，两种情况下的费米能级的极限位置是否重 合？
10
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
18、有四块含有不同施主浓度的Ge样品。在 室温下分别为： （1）高电导n-Ge； （2）低电导n-G；（3） 高电导p-Ge； （4）低电导p-Ge；比较四 块样品EF的位置的相对高低。分别说明它们 达到全部杂质电离或本征导电时的温度的高 低？ 杂质浓度愈高，全部电离时的温度将愈高； 相应达到本征激发为主的温度也愈高。
5
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
13、当温度一定时，杂质半导体的费米能级主 要由什么因素决定？试把强N、弱N型半导体 与强P、弱P型半导体的费米能级与本征半导 体的费米能级比较。
6
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
14、不同掺杂浓度（同 一杂质）的n型半导体， 其电子浓度和温度的关 系曲线如图所示，在左 方曲线彼此重合，在右 方超过某一温度T后两 条曲线平行？试说明理 由。这两部分曲线的斜 率表示什么？
半导体材料导论3 (2)-文档资料
1.2.3 固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质， 就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。 因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导 体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体， 但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比 所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及 有关性质也随之变化。 固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x <1)；也 可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取 代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1xInxAs1-yPy 等等。 固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体 等（见表1.1 ）。
第二节 基本原理
s = nem
(2-1)
其中：
n为载流子浓度，单位为个/cm3;
e 为电子的电荷，单位为C（库仑），e对所有材料都是一样，e=1.6×10-19C 。
m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.s；
半导体器件物理 第三章总结
长波长（9000埃左右）
在材料的体内深处吸收转换光生载流子（电子-空 穴对）
32
载 流 子 浓 度 p+ n
载 流 子 浓 度 p+ n
x I 总 短
x
长Leabharlann Baidu
λ
33
主要内容
• • • • • • 3.0 序言 3.1 半导体中的光吸收 3.2 太阳电池的工作原理 3.3 光生电流的收集效率 3.4 太阳电池设计的几个问题 3.5 各种太阳电池
E = hf
当光子到达太阳电池表面， 当光子到达太阳电池表面，一部 分光子被反射掉了， 分光子被反射掉了，但不是所有 的光子都被反射掉， 的光子都被反射掉，有一部分被 P-N结吸收或转化。 结吸收或转化。 结吸收或转化
15
当光子被吸收后， 当光子被吸收后，光 子的能量被转换交给 晶格中的电子 ，这 就是光生伏特效应 （photovoltaic effect）。 ）。 太阳电池由半导体材 料制成，典型如： 料制成，典型如：硅 （Silicon） ）
23
• 光电流与结电流
光生电场在内部产生——结电流Ij 光生电压在外部产生——光电流IL=短路电 流 I = IL- Ij = IL- I0 [ exp(qV/kT) -1 ]
24
• 开路电压Voc I = 0，即IL- I0 [ exp(qV/kT) -1 ] = 0 Voc = ( kT/q ) · ln( 1+IL/I0 )
半导体器件原理-MOSFET的基本特性
n 沟 MOS （NMOS）
VTn
= φms
−
Qss Cox
+
qN Ad max Cox
+
2kT q
ln⎜⎛ ⎝
NA ni
⎟⎞ ⎠
p 沟 MOS （PMOS）
VTp
= φms
−
Qss Cox
−
qN Ddmax Cox
−
2kT q
ln⎜⎛ ⎝
ND ni
⎟⎞ ⎠
3.2 MOSFET的阈值电压4 17/121
集成度低
3.1 MOSFET的结构和工作原理35/121
3.1.1 MOSFET简介
晶体管发展史
1o 提出 FET 的概念 J. E. Lilienfeld（1930 专利）
O. Heil
（1939 专利）
2o FET 实验研究
W. Shockley （二战后）
3o Point-contact transistor发明
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect)
(2) MOSFET 的 VT
0
VGS
n+
n+
p-Si
−|VBS|
EC
EC
EV
EV VGS = VFB, VBS = 0
化合物半导体器件第三章半导体异质结
同质结的BJT：基区不能太薄，频率特性不高；
Dai Xianying
异质结的HBT：基区可以很薄，频率特性很高；
化合物半导体器件
3.2 异质结的电学特性
1.异质pn结的高注入比特性及其应用
异质结的应用
异质结双极晶体管（Heterojunctiong Bipolar Transistor，HBT），应用 于微波、毫米波领域。 早期的HBT：n-AlxGa1-xAs/p-GaAs作发射结； 优良的HBT：n-Ga0.5In0.5P/p-GaAs作发射结，GaAs衬底； ΔEv=0.3eV>>ΔEc=0.03eV,即空穴的势垒高， Jp小，故注入比和γ高；fT=100GHz。 SiGe HBT：n-Si/p-Si1-xGex作发射结，Si衬底；Eg,Si1-xGex随组 分x的增大而减小，且ΔEv>>ΔEc；典型的基区组分 Si0.8Ge0.2，厚度50nm-100nm； Dai Xianying 主要应用于通信系统及手机。 化合物半导体器件
3.4.1 复合超晶格
1、Ⅰ型超晶格
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
3.4.1 复合超晶格
2、 Ⅱ型超晶格
Dai Xianying
化合物半导体器件
3.4 多量子阱与超晶格
3.4.2 掺杂超晶格
半导体器件物理学参考答案(第三章)
Chapter 3
Terminology and knowledge
3.1Integrated semiconductor companies
Companies that design and fabricate integrated circuits
Fabless
With no fabrication/processing facility
Foundries
Companies that specialize in processing wafers to produce silicon devices
Wafer fab
Fabrication facility where wafers are processed to produce silicon devices
Integrated circuits
System of transistors manufactured on silicon wafers
CPU
Central processor unit that is an active part of computer containing the datapath and control
DRAM
Dynamic random access memory
Flat-panel displays
Display panels with flat screens
MEMS
Micro-electro-mechanical-system
DNA chips
Silicon chips used for DNA screening
半导体器件物理(第三章 半导体的表面特性)
VG 0V
E F Al
P Si
qS
Ec
Ei EFS EV
Al
SiO2
O xd
x
xd
P Si
(e)
(f)
图（e）显示了栅氧化层中各种正电荷以及 Si-SiO2界面的 界面态对半导体表面的影响，图中用有效表面态电荷密度 QSS 来等效，它位于 Si-SiO2 界面 SiO2 一侧，这样来等效，便于问 题的处理。 图（f）则显示了半导体表面受QSS作用后能带弯曲情形。
可以得到如下表达式
φS φ(0)
qN A 2 xd 2 εS
3.2 表面空间电荷区与表面势
另外，表面空间电荷区的电场和电势分布 如图所示，它们的表达式分别为：
E ( x)
qN A E ( x) ( xd x) εS
O
xd max
x
qN A φ( x) ( x xd )2 2 εS
VG
栅电极 栅介质(SiO2)
理想MOS结构的条件： ① Si-SiO2系统中不存在前述的 三种性质的电荷及界面态； ②金属栅与衬底半导体材料之 间的功函数相等。
p Si
对于不同的栅压VG，表面空间电荷区存在四种状态： a.VG=0V 平带状态； b.VG<0V 多子积累状态； c.VG>0V 耗尽状态； d.VG>>0V 反型或强反型状态。
半导体器件第三章(下)
双极型晶体管的静态特性
理想晶体管的静态特性
何谓静态？ 静态电流
电压特性
各端点的电流方程式
各区域中的载流子分布由于电流方程式与各区域的少数载流子浓度有关，因此我们先要确定
少子分布！
五点假设
（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略；
（3）载流子注入属于小注入；
（4）耗尽区中没有产生-复合电流；
（5）晶体管中无串联电阻。
用途：为推导理想晶体管电流、电压表达式做准备！
理想PN结电流-电压特性的假设 耗尽区为突变边界，且假设在边界之外，半导体为
电中性。
在边界的载流子浓度和跨过结的静电电势有关。 小注入情况，即注入的少子远小于多子浓度。也就是说，在中性区的边界上，多子浓度因外加偏压而改变的量可以忽略。
在耗尽区内并无产生和复合电流，且电子和空穴在耗尽区内为常数。
注意
exp[()/]
kT ∝载流子浓度载流子能量0000exp()exp()bi n p bi p n qV n n kT
qV p p kT
==热平衡时的PN 结载流子浓度
9基本上，假设在正向偏压的状况下，空穴由发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦我们确定了少数载流子的分布（即N区中的空穴），就可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。
一、基区
PNP晶体管在放大模式下的各电流成分
工作在放大模式
掺杂浓度分布和加偏压状态下的耗尽
区以及电场分布
22()0(1)n n no P p d p p p D dx
τ−−=根据图中结上的电场强度分布，中性区域中的少数载流子分布可由无电场的稳态连续方程来求解：
半导体器件原理-第三章
3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系
电流流过热电子发射过程的输运
3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系
电子由半导体流向金属所引起的电流密度可表示为：
JSm e EC' vxdn
其中Ec‘是通过热电子发射至金属所需的最小能量，vx 是载流子沿着电流输运方向的速度； 满足热电子发射条件的电子浓度的微分值为：
3.1肖特基势垒二极管
考虑金属与n型半导体接触
Φm> Φs
理想肖特基 势垒：带边 相对于参考 能级(真空电 子能级)位置
不变
接触前：半导体费米能级高 于金属，半导体中的电子流 向比它能级低的金属中，而 带正电的空穴仍留在半导体 中，从而形成一个空间电荷 区（耗尽层）。
参数ΦB0是半导体接触的理想 势垒高度（肖特基势垒）：
dx s 半导体介电常数
假定半导体掺杂均匀
E
dE dx
eNd
s
dx
eNd x
s
C1
边界条件：x=xn时，E=0
C1
eNd xn
s
E
eNd
s
xn
x
空间电荷区宽度
W
xn
2s
Vbi VR
eNd
1/ 2
在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度
单位面积的耗尽层电容
《半导体器件》教案
《半导体器件》教案半导体器件教案
一、教学目标
1. 了解半导体器件的基本概念和分类。
2. 掌握半导体器件的工作原理和特性。
3. 研究半导体器件的制作工艺和测试方法。
二、教学内容
第一节半导体器件简介
1. 半导体器件的定义和作用。
2. 半导体材料的特性和分类。
第二节常见的半导体器件
1. 硅二极管和整流器件。
2. 双极型和场效应晶体管。
3. 二极管、晶体管和集成电路的比较。
第三节半导体器件的工作原理和特性
1. PN 结的形成和特性。
2. 动态场效应晶体管的工作原理。
3. 半导体器件的电流-电压特性曲线。
第四节半导体器件的制作工艺
1. 硅材料的净化和晶体生长工艺。
2. 掺杂和扩散工艺。
3. 形成金属与半导体接触的工艺。
第五节半导体器件的测试方法
1. 器件的正向和反向特性测试。
2. 器件的参数测量方法。
3. 器件的可靠性测试方法。
三、教学方法
1. 理论授课配合案例分析，让学生理解半导体器件的基本概念和原理。
2. 实验操作，让学生亲自制作和测试半导体器件，加深对其制作工艺和测试方法的理解。
四、教学评估
1. 课堂练，检验学生对半导体器件概念和原理的掌握程度。
2. 实验报告，评估学生对半导体器件制作和测试方法的掌握程度。
五、参考书目
1. 《半导体物理与器件》- 张志强
2. 《半导体器件制作技术》- 邵和平
3. 《半导体物理与器件》- 刘凡
《微电子与集成电路设计导论》第三章 半导体器件物理基础
p
n
补偿，此乃因受主被固定在半导体
晶在结格附，近而E的C空部穴分则正可施移主动离．子类N似D+地在EECF，电 子负空离间开电n侧EE荷VF 时在未接能近得结到p补侧偿形．成因，此而EV，正 空间电荷在接近结n侧形成．此空间 电荷区域产生了一电场，其方向是 由正空间电荷指向负空间电荷，如
EC
EF EV
EF EV
动．电子扩散电流由右至左流动， 而电子漂移电流移动的方向E刚V 好
EF EV
相反．应注意由于带负电之故，
扩散
电子由右至左扩散，恰与电流方
向相反。
E n
漂移
扩散
EC EF
EV 漂移
(a) 形成结前均匀掺杂p型和n型半导体
（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图
图3.1.3 平衡状态下的PN结
图3.1.3 平衡状态下的PN结
热平衡状态下的p-n结
能带图(band diagram) ：
p-n结形成之前， p型和n型半导体材料
p
是彼此分离的，其费
米能级在p型材料中
接近价带边缘，而在 EC n型材料中则接近导
带边缘．p型材料包
含大浓度的空穴而仅 EF 有少量电子，但是n EV 型材料刚好相反。
扩散
漂移
扩散
EC EF
EV 漂移
图上半部(a所) 形示成结。前均匀掺杂p型和n型半导体
半导体器件物理 第三章
3.4爱拜耳斯-莫尔方程
此外， pE xE pE 0
PE WE PE 0 eVE VT
pC pC 0
PC ( xC ) PC 0eVC /VT
四种工作模式及相应的少子分布
正向有源
0
饱 和
截 止
反向有源
图3-14 晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布
n p 0 n p0 eVE VT
n p xB n p0 eVC VT
n p 0 n p xB ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 0
NPN晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图
发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子。 注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边 扩散，边复合，最后形成一稳定分布，记作nB(x)。同 样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布， 记作pE(x)。 集电结反偏，集电结势垒区对载流子起抽取作用。 当反向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到 集电结势垒区XmC的电子，都被势垒区电场拉向集电 区。因此，势垒区边界X3处少子浓度下降为零；同样， 在集电区一边，凡是能够扩散到XmC的空穴，也被电 场拉向基区，在X4处少子浓度也下降为零，其少子浓 度分布为pC(x)。
共基极输入特性曲线
输出电压VCB一 定时，输入电流与 输入电压的关系曲 线，即IE～VBE关系 曲线。
半导体器件原理 绪论
第五章：MOS场效应晶体管
基本原理，输出特性
第六章 结型场效应晶体管
典型 的半 导体 器件
专用 半导 体器 件
第七章 光器件
− 太阳能电池、光电二极管LED等
课程性质：专业必修 学分：3
课程特点：微观物理过程多
成绩评定方法：
期末考试70％ 平时成绩30％
绪论：半导体物理基础
§1.3 半导体的能带
电子的微观运动服从量子力学规律。 其基本特点包含以下两种运动形式：
电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。 这种
稳恒的运动状态称为量子态。相应的能量称为能 级。在半导体中，由于价电子的共有化，由单个 原子的能级变成平直的能带。
在一定条件下，电子可以发生从一个量子态转移
到另一个量子态的突变，这种突变称为量子跃迁。
硅、锗都是由单一原子所 组成的元素半导体，均为 周期表第IV族元素。 20世纪50年代初 期，锗曾是最主要的 半导体材料； 60年代初期以后， 硅已取代锗成为半导 体制造的主要材料。
周期 2 3 Mg
镁
II
III B
硼
IV C
炭
V N
氮
VI
Al
铝
Si
硅
P
磷
S
硫
4 5 6
Zn
锌
Ga
镓
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变。
可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度
变化情况与pn结类似
qb
q 0
qb
qV
q(0 V)
耗尽层
（ b）
肖特基（ a势） 垒的能带图（a）未加偏压（b）加正向偏压
（c）加反向偏压
肖特基二极管：正偏时， 半导体中电子形成的势垒 减小，作为多子的电子更 容易从半导体流向金属。
φM>φS，整流接触 正偏：半导体势垒高度变低，电子从S注入M，形成
d x s 半导体介电常数
假定半导体掺杂均匀
E
dE dx
eN sddxeN sdxC1
边界条件：x=xn时，E=0
C1
eNd xn
s
E eNd
s
xn
x
空间电荷区宽度
Wxn
2s
1/2
Vbi VR
eNd
在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度
单位面积的耗尽层电容
C' eNd
dxn dVR
解 Ge电子亲和势为：χ=4.13 eV，耗尽区宽度为：
3.1肖特基势垒二极管
肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到 , 实测的势垒高度和理想条件存在偏差.
原因: 1)不可避免的界面层δ≠0 2)界面态的存在 3)镜像力的作用
3.1肖特基势垒二极管
影响肖特基势垒高度的非理想因素
1. 镜像力对势垒高度的影响（肖特基效应） 2. 界面态的影响
Χ：电子亲和能，单位伏特。从导带底将一个电子移到刚 巧该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。
参数
符号
真空能级
金属功函数
m
半导体功函数 电子亲和能 肖特基势垒
s
B0
EF
e m
e e s
Ec
内建电势差
V bi
EF EFi
金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材
Ev
料本身的本征参数，它们都反映了材料中能
级相对于真空电子能级的相对位置。
部分金属和半导体的参数
元素 Ag Al Au Cr Mo Ni Pd Pt Ti W
功函数，Φm 4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
元素 Ge Si GaAs AlAs
电子亲和能，χ 4.13 4.01 4.07 2.5
净电流I，I随VA的增加而增加。 反偏：势垒升高，阻止电子从半导体向金属流动，金
属中的一些电子能越过势垒向半导体运动，但这一反 向电流很小。 结论： φM>φS时，理想的MS接触类似于pn结二极 管，具有整流特性。
理想结特性
用与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性
d E x 空间电荷密度
3.1肖特基势垒二极管
肖特基二极管是以其发明人华特‧肖特基博士（Walter Hermann Schottky，1886年7月23日—1976年3月4日）命 名的，SBD是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode, 缩写成SBD）的简称。
SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理 制作的，而是利用金属与半导体整流接触形成的金属－半 导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接 触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极 管。
肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半 导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正 向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。 这些优良特性是快恢复二极管（简称FRD）所无法比拟 的。
5
全球知名半导体制造商ROHM开 发出非常适用于服务器和高端计 算机等的电源PFC电路的、第3 代SiC（Silicon Carbide:碳化硅） 肖特基势垒二极管
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
第三章：金属半导体和半导体 异质结
逸夫理科楼229室
第三章：金属半导体和半导体异质结
3.1 肖特基势垒二极管 3.2 金属—半导体的欧姆接触 3.3 异质结 3.4 小结
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能带图
Φ: 功函数，单位为伏特。从费米能级将一个电子移到刚 巧在该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。
半导体导带中得电子向金属 中移动存在势垒Vbi，就是半 导体的内建电势差：
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外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之 差等于外加电压引起的电势能之差
反偏情况下，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒
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不随外加电压而改变，即：φB0不变。
反偏势垒变高为： Vbi + VR
半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi - Va 。 φB0仍然不
F4kq 0(22x)216k q20x2 镜像电荷
电子
金属 --真空系统
在金属表面和真空之 间的能带图。
2V ebisN V dR1/2
1 C'
2
2Vbi VR
esNd
若在整个耗尽区内为Nd常数，做 1 C2 V关系应该为
直线。
例 受主浓度为Na=1017 cm-3 的p型Ge，室温下的功函数
是多少？若不考虑界面态的影响，它与Al接触时形成整 流接触还是欧姆接触？如果是整流接触，求其肖特基势 垒的高度。
3.1肖特基势垒二极管
考虑金属与n型半导体接触
Φm> Φs
理想肖特基 势垒：带边 相对于参考 能级(真空电 子能级)位置
不变
接触前：半导体费米能级高 于金属，半导体中的电子流 向比它能级低的金属中，而 带正电的空穴仍留在半导体 中，从而形成一个空间电荷 区（耗尽层）。
参数ΦB0是半导体接触的理想 势垒高度（肖特基势垒）：
最低正向电压VF=1.35V、25℃
近年来，在太阳能发电系统、工业用各 种电源装置、电动汽车及家电等电力电 子领域，为提高功率转换效率以实现进 一步节能，更高效率的功率元器件产品 备受期待。SiC器件与以往的Si器件相比， 具有优异的材料特性，在这些领域中的 应用日益广泛。尤其是在服务器等这类 要求更高电源效率的设备电源中，SiCSBD产品因其快速恢复特性可有效提高 效率而被用于PFC电路来提高设备效率。
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3.1肖特基势垒二极管 非理想因素
一、镜像力对势垒高度的影响
在金属-真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表 面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引；
镜像力和镜像电荷：若电子距离金属表面的距离为x，则 电子与感应正电荷之间的吸引力相对于位于（-x）处时的 等量正电荷之间的吸引力。
正电荷叫镜像电荷，吸引力叫镜像引力。