金属半导体和半导体异质结
2异质结-金属-半导体接触
3. 理想 p-n异质结（窄带隙的p型和宽带隙的n型）
理想p-n异质结能带图
(10)
4. 理想p-p异质结
理想p-p异质结能带图
(11)
补充说明：
1）关于两种材料的能带结构对应关系，以上讨论的四种情况， 都满足窄带隙材料的带隙全部包括在宽带隙材料中，此时，能 带图中通常给出一个尖峰。--被称为第一类异质结构，如下图：
2.2 异质结
在两种不同的半导体材料之间形成的结--外延技术
形成异质结的两种材料通常有不同的能隙宽度Eg和介电常数 。 异质结界面
EC EC Ef EV EV
导电类型相同同型异质结 导电类型不同异型异质结
主要器件: 发光二级管 激光器 光电探测器 太阳电池
主要内容: 基本器件模型 (能带结构 能带结构和电输运 和电输运) 器件制备、特点、超晶格结构
(28)
半导体表面费米能级模型：半导体 = 表面层 + 体内 表面看作一薄层, 在禁带中具有能量连续分布的局域态，由 于表面处电荷的填充，有自己的平衡费米能级EFS0
EF EFS0
若表面态密度，体内电子填充表面能级，且不显著改变 表面费米能级位置，体内EF下降与EFS平齐，造成能带弯曲， 形成空间电荷区。 表面态密度很大时， EFS~EFS0， 费米能级定扎 费米能级定扎。 。
(2)
一. 基本器件模型
理想突变异质结的能带模型 理想突变异质结 的能带模型 Anderson 异质结能带模型
假设两种材料晶格结构、晶格常数、热膨胀系数 相同，忽略悬键的产生和界面态。
能够初步解释部分异质结的输运过程
(3)
几个概念 功函数 qm 从费米能级 费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料 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 从导带底 导带底将一个电子移到刚巧在该种材料之 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 导带边的能量差 EC 导带带阶 价带边的能量差 EV 价带带阶
半导体物理与器件基础知识
一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
金半接触与异质结
半导体器件物理
重掺杂
半导体器件物理
异质结
半导体器件物理
不同的半导体材料构成的界面
一、异质结及其能带
1、分类 p-n Ge-GaAs p-n Ge-Si 导 电 类 型 反型异质结 变 化 快 慢 突变型 缓变型
不同材料间的过渡发生 于几个原子的距离内
同型异质结
n-n Ge-Si n-n Ge-GaAs
• 半导体表面耗尽层电荷密度QSC
QSC 2q S N DVbi 2q S N D ( Bn Vn )
• 界面层电势降落
QM
i
m ( Bn )
半导体器件物理
• 势垒高度的一般表达式
Bn
S C1 ( m ) (1 C1 )( 0 ) C1C 2 q i
EF 0.2 0.4 0.6 0.8 1
耗尽层厚度 xd
Energy (eV)
-0.4 -0.2 -0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.4 -0.2 -0.2
Ec
m Distance (µm)
势垒变薄 隧穿加剧
EF 0.2 0.6 m Distance (µm) 0.4 0.8 1
Ec
qV
EF Ec
场致发射
重掺杂，简并
Ev
半导体器件物理
. 3 5
. 3 0
1 e + 5
Jtunelig (A/M 2)
隧穿势垒
. 2 5
1 e + 4
Jtunelig /J TE
. 2 0
. 1 5
1 e + 3 2 . 0 e + 8 4 . 0 e + 8 6 . 0 e + 8 8 . 0 e + 8 1 . 0 e + 9 S q r t ( N d )
半导体物理与器件习题
半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。
2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。
3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。
4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。
常用的掺杂方法有扩散和离子注入。
6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。
2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。
三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。
◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。
◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。
◼允带又分为空带、满带、导带、价带。
◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。
◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。
导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。
价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。
半导体物理名词解释总结
半导体物理名词解释1.有效质量：a 它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用 b 可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律2.空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴意义a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件3.理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子 c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷4.杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用5.深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质6.简并半导体：当E-E F》k o T不满足时，即f（E）《1，[1-f（E）]《1的条件不成立时，就必须考虑泡利不相容原理的作用，这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题。
这种情况称为载流子的简并化，发生载流子简并化的半导体被称为简并半导体（当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体7.热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。
温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度T e来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子8.砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。
半导体异质结
半导体异质结
半导体异质结是半导体物理和材料学中最基础的概念之一，它指的是不同半导体材料之间的界面，物理上的结构是彼此分离的。
半导体异质结是由不同结构或物理本征的半导体分子构成的。
这样的结构可以产生半导体物质的能带变化，从而影响传输特性。
半导体异质结是由一方阳离子和另一方阴离子电荷配对构成的，这样就可以形成一个稳定的电势阻挡，使得流动的电子和空穴在其中穿梭，电流才能传递。
另一方面，由于空穴和电子的转移率不同，半导体异质结可以用来控制光电子器件的传输特性，例如在光子晶体中的发射率。
此外，半导体异质结还可以用于降低半导体器件，降低输出功耗，提高效率。
第9章 金属半导体和半导体异质结
q B q(m )
3
q(m )
EF
高等半导体物理与器件
当金属与金属半导体紧密接触时，两种半体导不同材料EV的费米能级在热平
衡时应相同，此外，真空能级也必须连续。这两项要求决定了
(a) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
1
两种器件的输运机制不同：肖特基二极管-多数载流子通过热电
子发射跃过内建电势差，pn结二极管-少数载流子扩散运动。
J sT
AT
2
exp
eBn
kT
Js
eDp pn0 Lp
eDnnp0 Ln
• 两者间有两点重要区别：第一是反向饱和电流密度的数量级。
①肖特基二极管的理想反向饱和电流值比pn结大好几个数量级。
• 肖特基二极管电流主要取决于多数载流子流动。
2
高等半导体物理与器件
（1）性质上的特征
真空能级
em
EF
e e B0
es
Ec EF
金属
Ev 半导体
(a)热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
➢ 真空能级作为参考能级。
➢ 功函数为费米能级和真空能级之差。金属功函数m，半导体
功函数s。此处，m>s。
匹配。
18
高等半导体物理与器件
（2）能带图
• 根据带隙能量的关系，异质结有3种可能：跨骑（图 (a)）、交错（图(b)）、错层（图(c)）。
• 根据掺杂类型的不同，有4种基本类型的异质结：
– 反型异质结：掺杂类型变化，例nP结、Np结 – 同型异质结：掺杂类型相同，例nN结、pP结 – 其中，大写字母表示较宽带隙的材料
半导体器件物理学习指导：第二章 PN结
型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn
光电化学的定义、光源以及涉及的光电材料、异质结的分类
光电化学的定义、光源以及涉及的光电材料、异质结的分类1.引言1.1 概述概述是文章的开篇部分，用于介绍光电化学的背景和意义。
光电化学是光与电化学的交叉学科，研究光和电化学相互作用的过程和机制。
它涉及到光源、光电材料以及异质结的分类等方面。
通过对光电化学的研究，可以揭示光与电化学之间的相互关系，拓展光电器件的应用领域，推动光电技术的发展。
光电化学作为一门独特的学科，具有广阔的应用前景。
在能源领域，光电化学可以应用于光电转换器件的研究，如太阳能电池和光电催化等，有助于实现可再生能源的利用和环境友好能源的开发。
在环境保护方面，光电化学可以用于污水处理、空气净化和废物处理等领域，利用光电材料和光源的特性来实现高效、清洁的环境治理。
此外，光电化学还在传感器、光催化剂、光电存储器件等领域有着广泛的应用。
本文将重点介绍光电化学的定义、光源以及涉及的光电材料、异质结的分类。
首先，将详细解释光电化学的概念和研究内容，为读者提供一个全面的认识。
其次，将介绍常见的光源种类及其特性，并探讨其在光电化学研究中的应用。
接着，将介绍光电材料在光电化学中的作用和分类，包括光电催化剂、光电转换材料等。
最后，将探讨异质结在光电化学中的重要性以及常见的分类方法。
通过本文的阅读，读者将对光电化学有一个系统性的了解，理解光电化学的定义、光源、光电材料以及异质结的分类等方面的内容。
同时，读者也可以更深入地了解光电化学在能源领域、环境保护以及其他应用领域的潜力和前景。
1.2 文章结构文章结构是指文章的整体组织架构，它决定了文章内容的逻辑顺序和重点安排。
本文按照以下结构进行组织和叙述：1. 引言在引言部分，将给出光电化学的概述，简要介绍光电化学的基本概念和研究领域。
同时，说明本文的结构和目的，为读者提供清晰的阅读框架。
2. 正文2.1 光电化学的定义在这一部分，将对光电化学的定义进行详细阐述。
介绍光电化学是研究光与物质相互作用引起的电化学现象的学科。
第九章半导体异质结结构
第九章半导体异质结结构第九章介绍了半导体异质结结构。
半导体异质结由两种或多种不同的半导体材料组成，具有不同的能带结构和能带差。
半导体异质结具有许多特殊的物理性质和应用。
在异质结中，由于不同材料的特性差异，电子在结界面上会积聚形成电子气，形成能带弯曲现象。
这种能带弯曲会产生一些二维电子气体性质，如高电子迁移率、量子阱、量子井和量子点等。
半导体异质结结构常用的材料有Si/GaAs、GaAs/AlAs等。
这些异质结结构的制备都需要使用分子束外延(MBE)、金属有机气相沉积(MOCVD)等高精度的制备技术。
半导体异质结结构的性质和应用包括以下几个方面：1.能带偏移和势垒形成：两种不同半导体材料的相邻能带会发生偏移，从而形成一个势垒。
这个势垒可以用来限制电子和空穴的运动方向，实现电子和空穴的分离和控制，从而用于制备二极管、太阳能电池等器件。
2.量子阱和量子井：通过在半导体异质结中形成非常薄的势垒层，可以限制电子和空穴在其中一方向上的运动，形成二维或零维电子气体。
这些二维和零维电子气体被称为量子阱和量子井，具有特殊的量子效应，如量子谐振子，可以制备激光器、光电器件等。
3.量子点：在半导体异质结界面上形成三维限制的势垒结构，可以限制电子和空穴在三个方向上的运动，形成零维的量子点结构。
量子点具有量子限制效应，能够实现对电子和光的精确控制，广泛应用于激光器、光电转换器等领域。
4.型谱学研究：通过在半导体异质结中引入不同材料，可以实现特定能带结构的调控。
通过对其吸收光谱、光致发光谱、拉曼散射谱进行研究，可以了解材料的能带结构和物理性质，为半导体器件的制备和应用提供基础。
半导体异质结结构在工业和科研领域有着广泛的应用。
例如，激光器是典型的半导体异质结结构应用。
利用半导体异质结导致的能带差，可以在激光器中实现可控的电子和空穴注入和互相复合，从而产生激光输出。
激光器广泛应用于通信、医疗、显示和材料加工等领域。
此外，半导体异质结结构还在半导体光电转换器件中得到应用。
微电子器件 第4版 第 5 章 半导体异质结器件
材料1
材料2
由两种不同材料所构成的结就是异质结。如果这两种材料都是 半导体，则称为半导体异质结；如果这两种材料是金属和半导 体，则称为金属-半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。
• 半导体异质结可根据界面情况分成三种 • 晶格匹配突变异质结；当两种半导体的晶格常数近似
V
k0T
EC
n10
exp
qV k0T
在稳定情况下，P型区半导体中注入的少子的运动连续性方
程是
Dn1
d
2n1 x
dx 2
n1x n10
n1
0
其通解是
Ec 1 2
n1x
n10
A exp
x Ln1
B exp
x Ln1
应用边界条件
n1x
n10
n10
exp
qV k0T
1
exp
制作步骤：
1、在GaAs衬底上采用MBE（分子束外延）等技术连续 生长出高纯度的GaAs层和n型AlGaAs层；
2、然后进行台面腐蚀以隔离有源区；
3、 接着制作Au·Ge/Au 的源、漏欧姆接触 电极，并通过反应 等离子选择腐蚀去 除栅极区上面的n型 GaAs层；
4、最后在n型AlGaAs 表面积淀Ti/Pt/Au栅 电极。
HEMT是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs 异质结的2-DEG的浓度而实现控制电流的。
由于肖特基势垒的作用和电子向未掺杂的GaAs层转移，栅极 下面的N型AlGaAs层将被完全耗尽。
转移到未掺杂GaAs层中的 电子在异质结的三角形势阱 中即该层表面约10nm范围 内形成2-DEG；这些2-DEG 与处在AlGaAs层中的杂质 中心在空间上是分离的，不
2异质结-金属-半导体接触
形成结，平衡时：
费米能级在两侧一致； 1和2 在结处各形成耗尽区 =WD1+WD2 结处能带弯曲： 1中局部电子耗尽， 能带上弯 2中局部空穴耗尽， 能带下弯 总内建势为 q(ψ q( ψb1+ψb2)=EF1-EF2 形成结时，热平衡状态下理想 n-p异质结的能带图
(6)
真空能级在各处平行于带边；
外加偏压
1/ 2
各半导体中承受的相对电压满足 ：
b1 V1 N A2 2 b 2 V2 N D1 1
(8)
V V1 V2
当两半导体材料相同时，1= 2, 以上简化成同质p-n结的情况。
2. 理想n-n同型异质结（设宽带隙材料具有较小的功函数）
理想n-n同型异质结能带图
2.2 异质结
在两种不同的半导体材料之间形成的结--外延技术
形成异质结的两种材料通常有不同的能隙宽度Eg和介电常数 。 异质结界面
EC EC Ef EV EV
导电类型相同同型异质结 导电类型不同异型异质结
主要器件: 发光二级管 激光器 光电探测器 太阳电池
主要内容: 基本器件模型 (能带结构 能带结构和电输运 和电输运) 器件制备、特点、超晶格结构
半导体单位面积 半导体 单位面积的空间电荷 的空间电荷Q:
Q SC
kT qN DW 2q s N D bi V q
Q SC V q s N D s 2 bi V kT / q W
单位面积的耗尽层电容： 单位面积 的耗尽层电容：
(14)
5. 电流-电压特性和输运模型
-----以理想n-n同型异质结为例
导电机制多数载流子的热发射 （热电子发射 ）决定 电流密度 有效里查孙常数
半导体物理与器件第九章金属半导体和半导体异质结
Ec
Ev
半导体物理与器件
e
em
EF
es
Ec EFi EF Ev
P型（半导体）欧姆 Bp 接触：金属功函数大 于半导体的功函数 EF
e
Ec EFi EF Ev
EF
P型欧姆接触往往 采用功函数较大的 金属，如Pt
en
Ec Ev 偏压下电子在金属半导体界面传输时， EF 遇到的势垒很小
Ec Ev
和pn结相同的电流 变化规律
半导体物理与器件
其中：
J sT
eBn A T exp kT
* 2
称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度。式中 фBn通常即为理想情况下的肖特基势垒高度фB0， 对于硅材料来说，有效理查逊常数为 A*=120A/cm2K2，对于砷化镓材料来说，则为 A*=1.12A/cm2K2。
半导体物理与器件
理想情况下，我们选用功 函数合适的金属和半导体 就可以形成欧姆接触，但 实际Si、Ge、GaAs这些 半导体的表面都有很高的 表面态密度，无论是N型材 料还是P型材料的接触都无 法有效降低势垒，因而这 种方法通常并不成功
半导体物理与器件
其他的欧姆接触方法
高复合接触可以形成欧姆接触 可以在半导体表面掺入高浓度的复合中心， 来制成欧姆接触；这是因为高浓度的复合-产生中 心使得过剩载流子的寿命非常短，有维持载流子 浓度为平衡值的作用。 不过这种方法由于接触处高浓度的复合中心 或结构缺陷的存在，会影响工作区的性质，因而 只可用于体型结构较大的器件，这种器件接触区 距离工作区较远。
隧道电流和势垒高 度也有关系
掺杂浓度增大，隧 道几率增大 有效质量越小，越 利于隧穿
半导体物理与器件
半导体名词解释
第七章突变结近似：认为从中性半导体区到空间电荷区的空间电荷密度有一个突然的不连续。
内建电势差：热平衡状态下pn结内p区与n区的静电电势差。
耗尽层电容：势垒电容的另一种表达。
耗尽区：空间电荷区的另一种表达。
超突变结:一种为了实现特殊电容-电压特性而进行冶金结处高掺杂的pn结，其特点为pn结一侧的掺杂浓度由冶金结处开始下降。
势垒电容（结电容）：反向偏置下pn结的电容。
线性缓变结：冶金结两侧的掺杂浓度可以由线性分布近似的pn结。
冶金结:pn结内p型掺杂与n型掺杂的分界面。
单边突变结：冶金结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的pn结。
反偏:pn结的n区相对于p区加正电压，从而使p区与n区之间势垒的大小超过热平衡状态时势垒的大小。
空间电荷区：冶金结两侧由于n区内施主电离和p区内受主电离而形成的带净正电与负电的区域。
空间电荷区宽度：空间电荷区延伸到p区与n区内的距离，它是掺杂浓度与外加电压的函数。
变容二极管：电容随着外加电压的改变而改变的二极管。
第八章雪崩击穿：电子和（或）空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷区内原子的电子发生碰撞产生电子-空穴对，在pn结内形成一股很大的反偏电流，这个过程就成为雪崩击穿。
载流子注入：外加偏压时,pn结体内载流子穿过空间电荷区进入p区或n区的过程。
临界电场：发生击穿时pn结空间电荷区的最大电场强度。
扩散电容：正偏pn结内由于少子的存储效应而形成的电容。
扩散电导：正偏pn结的低频小信号正弦电流与电压的比值。
扩散电阻：扩散电导的倒数。
正偏:p区相对于n区加正电压。
此时结两侧的电势差要低于热平衡时的值。
产生电流:pn结空间电荷区内由于电子-空穴对热产生效应形成的反偏电流。
长二极管：电中性p区与n区的长度大小少子扩散长度的二极管。
复合电流：穿越空间电荷区时发生复合的电子与空穴所产生的正偏pn结电流。
反向饱和电流:pn结体内的理想反向电流。
短二极管：电中性p区与n区中至少有一个区的长度小于少子扩散长度的pn结二极管。
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q2
q2
F4k0(2x)216k0x2
镜像电荷
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电子
电势表达式：
（' x )
x
Edx
'
x
4
s
e (2
x')2
dx
'
e 16 s x
半导体中存在内建电场
和内建电势，总电势
（
x)
e 16
sx
eN d s
(xnx
1 2
x2) B0
电势能为
- e (x)
e2 16
e2Nd x s 精品课件 s
真空能级E0:电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量 功函数：从费米能级到真空能级的能量差 电子亲和势：真空能级到价带底的能量差
金属的功函数
m E0 EFM
[ 从 3 .66 eV ( Mg ) ~ 5 .15 eV ( Ni )]
半导体的亲和势
s
E0
E
（表面）
C
半导体的功函数 Ge , Si , GaAs : 4 . 13 , 4 . 01 , 4 . 07 eV
金 属 和
p
型 半 导 体 接 触 的 平 衡 态 能 带 图
整流接触
欧姆接触
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7.1 金属和半导体接触及其能带图
金属一边的势垒高度：
E（ C 界面） EFM Wm
ns EFM EV (界面）
（EC
EV）（Ec
(界面） EF
）
M
Eg Wm
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7.1 金属和半导体接触及其能带图
5.去除不重要的
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Figure 9.1
m>s
两个方向都存在 电子流动的势垒
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金属中的电子向半导体中运动存在势垒B0 叫做肖特基势垒。
B0=m- 半导体导带中的电子向金属中移动存在势 垒Vbi ，Vbi就是半导体内的内建电势
V b i B 0 ( E C E F )F BB 0 n
为受主型表面态。
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• 表面态存在一个距离价带顶为0的中性能级： 电子正好填满0 以下的所有表面态时，表面呈 电中性； 0以下的表面态空着时，表面带正电， 呈施主型； 0之上的表面态被电子填充时，表 面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体， 0约为禁带宽度的三分之一。
NA NV
0.41eV
WA
u
WG
形成欧姆接触
e,
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9.1.2 理想结的特性
• 半导体中空间电荷区的电荷、电场、电势的分布 假设半导体均匀掺杂Nd.
电荷分布： ( x ) eN d
泊松方程： dE ( x ) eN d
dx s
s
0 dE
x n eN d dx
E
x s
E
eN d s
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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。
• 金属一边的势垒不随外加电压而变，即：B0不变。 • 半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi-Va • 反偏势垒变高为：Vbi+VR
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正偏
反偏
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肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导体
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(xn
x)
( x )
x eN d 0 s
(xn
x )dx
eN d s
(xnx
1 2
x2) B0
取金属的电势为0势能点
W
xn
[ 2 sV bi eN d
1
]2
类比p精+品n课单件 边突变结得出
结电容：
C 0 s [
e s Nd
1
]2
W 2(Vbi VR )
( 1 )2 2(Vbi VR )
M>s，整流接触
• 正偏，半导体势垒高度变低，电子从S注入M， 形成净电流I，I随VA的增加而增加。
• 反偏：势垒升高，阻止电子从S向金属流动， 金属中的一些电子能越过势垒向半导体中运动， 但这一反向电流很小。
• 结论： M>s时，理想的MS接触类似于pn结 二极管、 具有整流特性
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7.1 金属和半导体接触及其能带图
(xnx
1 2
x2)
eB0
Figure 9.4
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• 镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上， 势能在x= xm处出现最大值，（镜像力和电 场力平衡的地方），说明镜像力使肖特基 势垒顶向内移动，并且引起势垒高度降低， 这就是肖特基势垒的镜像力降低现象，又 叫做肖特基效应。
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二、 界面态对势垒高度的影响
S s [精E品C课件 E F S ] FB
画能带图的步骤：
1. 画出包括表面在内的各部分的能带图
2. 使图沿垂直方向与公共的E0参考线对齐，并通过 公共界面把图连起来
3. 不改变半导体界面能带的位置，向上或向下移动
半导体体内部分的能带，直到EF在各处的值相等
4. 恰当地把界面处的Ec, Ei, Ev和体内Ec, Ev, Ei连接起 来
结论
Wm>Ws Wm<Ws
n形半导体 p形半导体 整流接触 欧姆接触 欧姆接触 整流接触
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例2：受主浓度为NA=1017cm-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
肖特基势垒的高度
解：Ge： 4.13eV
Ws Eg (EF EV )
Ws
Eg
k Tln
NV NA
WGe
4.130.670.026ln
5.71018 1017
4.69eV
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WAl 4.28eV,WAu 5.1eV WAl WGe,形成整流接触 ;
ns Eg Wm 0.674.134.28 0.52eV
VD
ns
(EV q
EF )
0.52kTln
• 前面讨论的理想MS接触，认为接触势垒仅由金属的 功函数决定的，实际上，半导体表面存在的表面态 对接触势垒有较大的影响。
• 表面态位于禁带中，对应的能级称为表面能级。表 面态分为施主型和受主型两类。
• 若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电， 称为施主型表面态。
• 若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称
C
e s Nd
由此曲线的截距可以得到 Vbi，由斜率可以得到Nd， 从而求得n和Bo
235页例2
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9.1.3影响肖特基势垒高度的非理想因素
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，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， 相当于位于（-x）处时的等量正电荷之间的吸引力。正电荷 叫镜像电荷，这个吸引力叫镜像引力
第九章 金属半导体和 半导体异质结
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第九章 金属半导体和半导体异质结
9.1 肖特基势垒二极管 9.2 金属半导体的欧姆接触 9.3 异质结
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9.1 肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管示意图
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9.1.1 性质上的特征
金属
N型半导体
金属和n型半导体接触前的平衡态能带图
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基本概念