固体材料表面与界面电子过程
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无数电子形成一个系统以后，电子运动特性(范围) → 能带
3
能带理论简介
4
在k空间中，电子能量En(k)函数关系
K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空 间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态
K空间是以倒格子为基础的倒格空间
5
E～k, 能带结构（能量色散关系）
价带顶
导带底
导带
价带
Si立方晶系 晶体的能带结构（半导体，间接能隙）
在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入” 势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强， 势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电 子和空穴从势垒区中“取出”。
p-n 结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的 “存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随 外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这 种p-n 结的电容效应称为势垒电容
第二章
固体材料表面与界面电子 过程
3.1 半导体与半导体界面特性 -PN结 3.2 金属与半导体的接触特性 3.3 表面势、表面态、表面电导 3.4 MIS 结构 3.5 PN结与功能器件 3.6 晶界势垒及其电荷区
电子的特点
?电子运动状态：能量、运动的范围 电子运动的特点：微质点、高速度运动
??
扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的 运动称为扩散运动。
扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流 称为扩散电流。
浓度差 扩散力 扩散运动
扩散电流
扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比
13
载流子运动方式及其电流
? 漂移运动和漂移电流
漂移运动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。 漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流 称为漂移电流。
电位差 电场力 漂移运动
漂移电流
漂移电流大小与电场强度成正比
14
3.1 PN结
1. pn 结定义：
把一块p型半导体和 一块n 型半导体结合 在一起，由于P 、N 区载流子浓度不等， N 区电子浓度向P区 扩散，P 区空穴向N 区扩散，结果在交界 面处积累电荷形成电 偶极层，将该结构称 为p-n 结
的电容效应，称为 p-n 结的扩散电容。 p-n 结的势垒
电容和扩散电容都随外加电压而变化，是可变电容。
6
半导体的基础知识
半导体；N-type P-type半导体；导带；价带；禁带 本征半导体
杂质半导体 载流子运动方式及形成电流
7
1.1 本征半导体
? 纯净的、不含杂质 的半导体
8
杂质半导体
?杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类 ?N型半导体
结构图
9
杂质半导体
载流子
施主杂质原子电离 电子 正离子对
电子电势能-qV(x)
n ? p区不断升高
p区的能带? 上移，
n区能带? 下移，直至费米能 级处处相等时，p-n结达到平
衡状态。 16
2 PN结基本特性
1) 空间电荷
电离受主与
少量电子的
负电荷严格
平衡空穴电
荷
电中性
空间电荷
电离施主与少 量空穴的正电 荷严格平衡电 子电荷
电中性
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主 负电荷区 正电荷区
20
PN结加反向电压
U
流过PN结的电流称为
反向饱和电流 (即IS)， PN结呈现为大电阻。
该状态称为 PN结反向
截止状态。
U
PN反向运用
21
3) p-n 结电容特性
一个p-n 结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电 压频率增高时，其整流特性变坏 p-n 结电容包括势垒电容 和扩散电容两部分。
部分电子和空穴 “存入”势垒区
电子和空穴中和
势垒区宽度变窄， 空间电荷数量减少
22
当p-n 结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增 加而减弱势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少，因为空 间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷 的减少是由于n 区的电子和p 区的空穴过来中和了势垒区 中一部分电离施主和电离受主；
18
PN结基本特性
VD：势垒电压 VD = 0.6~0.8V 或
0.2~0.3V
VD阻止多子继 续扩散，同时有 利少子定向漂移
PN结平衡
VD
19
2)单向导电性
PN结加正向电压 流过PN结的电流随外 加电压U的增加而迅 速上升， PN结呈现为 小电阻。 该状态称为 PN结正向 导通状态。
U U
U
PN正向应用
23
扩散电容 正向偏压
电子从n 区
注入P区，
增加了P区
的电子积累， h+
h+
增加了浓度
梯度
e-
e-
空穴从P区注入n 区，增加了n区的 空穴积累，增加了 浓度梯度
积累的非平衡 空穴也增加,与 它保持电中性 的电子也相应 增加
非平衡电子 和与它保持 电中性的空 穴也要增加
由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生
热激发
电子 空穴对
呈电中性
N型半导体中的多数载流子(多子）
为电子。空穴为少数载流子（少子）
10
杂质半导体
? P型半导体
结构图
11
杂质半导体
载流子
受主杂质原子电离 空穴 负离子对
热激发
空穴 电子对
呈电中性
P型半导体中的多数载流子(多子）
为空穴。电子为少数载流子（少子）
12
载流子运动方式及其电流
? 扩散运动及扩散电流
不可能确定某电子在某空间位置 →用
在空
间出现的概率 (电子云及密度 )
能量不连续 →能级
??
?决定电子运动状态是主要取决于对电子Biblioteka Baidu作用势
(原子核、电子间 )
?具体电子运动状态是通过薛定鄂方程求出电子的波
函数及其对应的本征能量。
2
原子能级分裂成能级示意图
当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互 作用，电子存在共有作用；
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主
15
EFn和EFp分别表示n型和p型半导 体的费米能级
平衡p-n 结的能带图
能带图特点：
1） 电子从费米能级高的n 区流向费米能级低的p区，空 穴则从p区流向n区，因而EFn 下移，而EFp移，直至EFn=EFp 时为止。这时p-n结中有统一
的费米级能Ef
2)空间电荷区内电势V(x) V(x):n? p降低
17
空间电荷区的特点：
E
a）内建电场 在内建电场作用下，载流子作漂移运动。 电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方 向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作 用。 b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终 将达到动态平衡， c）电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反 而互相抵消。 d ）对于空穴，情况完全相似。 e）没有电流流过p-n 结。或者说流过p-n 结的净电流为零
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能带理论简介
4
在k空间中，电子能量En(k)函数关系
K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空 间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态
K空间是以倒格子为基础的倒格空间
5
E～k, 能带结构（能量色散关系）
价带顶
导带底
导带
价带
Si立方晶系 晶体的能带结构（半导体，间接能隙）
在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入” 势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强， 势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电 子和空穴从势垒区中“取出”。
p-n 结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的 “存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随 外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这 种p-n 结的电容效应称为势垒电容
第二章
固体材料表面与界面电子 过程
3.1 半导体与半导体界面特性 -PN结 3.2 金属与半导体的接触特性 3.3 表面势、表面态、表面电导 3.4 MIS 结构 3.5 PN结与功能器件 3.6 晶界势垒及其电荷区
电子的特点
?电子运动状态：能量、运动的范围 电子运动的特点：微质点、高速度运动
??
扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的 运动称为扩散运动。
扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流 称为扩散电流。
浓度差 扩散力 扩散运动
扩散电流
扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比
13
载流子运动方式及其电流
? 漂移运动和漂移电流
漂移运动：载流子在电场力作用下所作的 运动称为漂移运动。 漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流 称为漂移电流。
电位差 电场力 漂移运动
漂移电流
漂移电流大小与电场强度成正比
14
3.1 PN结
1. pn 结定义：
把一块p型半导体和 一块n 型半导体结合 在一起，由于P 、N 区载流子浓度不等， N 区电子浓度向P区 扩散，P 区空穴向N 区扩散，结果在交界 面处积累电荷形成电 偶极层，将该结构称 为p-n 结
的电容效应，称为 p-n 结的扩散电容。 p-n 结的势垒
电容和扩散电容都随外加电压而变化，是可变电容。
6
半导体的基础知识
半导体；N-type P-type半导体；导带；价带；禁带 本征半导体
杂质半导体 载流子运动方式及形成电流
7
1.1 本征半导体
? 纯净的、不含杂质 的半导体
8
杂质半导体
?杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类 ?N型半导体
结构图
9
杂质半导体
载流子
施主杂质原子电离 电子 正离子对
电子电势能-qV(x)
n ? p区不断升高
p区的能带? 上移，
n区能带? 下移，直至费米能 级处处相等时，p-n结达到平
衡状态。 16
2 PN结基本特性
1) 空间电荷
电离受主与
少量电子的
负电荷严格
平衡空穴电
荷
电中性
空间电荷
电离施主与少 量空穴的正电 荷严格平衡电 子电荷
电中性
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主 负电荷区 正电荷区
20
PN结加反向电压
U
流过PN结的电流称为
反向饱和电流 (即IS)， PN结呈现为大电阻。
该状态称为 PN结反向
截止状态。
U
PN反向运用
21
3) p-n 结电容特性
一个p-n 结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电 压频率增高时，其整流特性变坏 p-n 结电容包括势垒电容 和扩散电容两部分。
部分电子和空穴 “存入”势垒区
电子和空穴中和
势垒区宽度变窄， 空间电荷数量减少
22
当p-n 结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增 加而减弱势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少，因为空 间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷 的减少是由于n 区的电子和p 区的空穴过来中和了势垒区 中一部分电离施主和电离受主；
18
PN结基本特性
VD：势垒电压 VD = 0.6~0.8V 或
0.2~0.3V
VD阻止多子继 续扩散，同时有 利少子定向漂移
PN结平衡
VD
19
2)单向导电性
PN结加正向电压 流过PN结的电流随外 加电压U的增加而迅 速上升， PN结呈现为 小电阻。 该状态称为 PN结正向 导通状态。
U U
U
PN正向应用
23
扩散电容 正向偏压
电子从n 区
注入P区，
增加了P区
的电子积累， h+
h+
增加了浓度
梯度
e-
e-
空穴从P区注入n 区，增加了n区的 空穴积累，增加了 浓度梯度
积累的非平衡 空穴也增加,与 它保持电中性 的电子也相应 增加
非平衡电子 和与它保持 电中性的空 穴也要增加
由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生
热激发
电子 空穴对
呈电中性
N型半导体中的多数载流子(多子）
为电子。空穴为少数载流子（少子）
10
杂质半导体
? P型半导体
结构图
11
杂质半导体
载流子
受主杂质原子电离 空穴 负离子对
热激发
空穴 电子对
呈电中性
P型半导体中的多数载流子(多子）
为空穴。电子为少数载流子（少子）
12
载流子运动方式及其电流
? 扩散运动及扩散电流
不可能确定某电子在某空间位置 →用
在空
间出现的概率 (电子云及密度 )
能量不连续 →能级
??
?决定电子运动状态是主要取决于对电子Biblioteka Baidu作用势
(原子核、电子间 )
?具体电子运动状态是通过薛定鄂方程求出电子的波
函数及其对应的本征能量。
2
原子能级分裂成能级示意图
当原子与原子结合成固体时，原子之间存在相互 作用，电子存在共有作用；
带负电荷的电离受主 带正电荷电离施主
15
EFn和EFp分别表示n型和p型半导 体的费米能级
平衡p-n 结的能带图
能带图特点：
1） 电子从费米能级高的n 区流向费米能级低的p区，空 穴则从p区流向n区，因而EFn 下移，而EFp移，直至EFn=EFp 时为止。这时p-n结中有统一
的费米级能Ef
2)空间电荷区内电势V(x) V(x):n? p降低
17
空间电荷区的特点：
E
a）内建电场 在内建电场作用下，载流子作漂移运动。 电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方 向相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作 用。 b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终 将达到动态平衡， c）电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反 而互相抵消。 d ）对于空穴，情况完全相似。 e）没有电流流过p-n 结。或者说流过p-n 结的净电流为零