半导体器件物理_Chapter3_pn结及金属半导体接触
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xn
pn结直流特性
PN结的特性 单向导电性：
• 正向偏置
正向导通电压Vbi～0.7V(Si)
• 反向偏置 反向击穿电压VB
• 正向导通，多数载流子扩 散电流； 反向截止，少数载流子漂 移电流。
三 pn结的击穿特性
• 击穿机理：热击穿、雪崩击穿和隧道击穿。后两种 属于电击穿。
• 热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向 电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而 引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。 如果产生的热量不能及时散发出去，结温上升和反 向电流的增加将会交替进行下去，最后使反向电流 无限增长，如果没有保护措施，pn结将被烧毁而永 久失效。这种击穿是由热效应引起的，所以称热击 穿。
2、平衡pn结
（1）扩散流等于漂移流。 （2）pn结的内建电势VD (N型 kqTlnNnANi2 D
接触电势差，由pn结两边的掺杂浓度决定，与半导 体材料的特性相关。
平衡pn结能带图
P区能带相对于n区能带上移的原因： 能带图是按电子的能量高低来画的。由于内建电 场，使P区的电子能量在原来能级的基础，迭加上 一个由电场引起的附加势能。能带上移的高度即 为接触电势差。
在sd时间内，过剩载流子被 抽取。
直到过剩载流子抽取完，二极 管的偏压才由正偏变为负偏。
• 电荷贮存效应
贮存时间sd • 下降时间t • 反向恢复时间 sd＋t
–决定因素：
• 少子寿命p
• 正向注入电流If • 反向抽取电流Ir
由于If 、Ir常受到电路中其他条件的限制，所 以，减小载流子寿命比较可行。
• PN结扩散电容来源于扩散区积累的过剩载流子电荷 随外加电压的变化。过剩载流子随外加电压变化的 同时，空间电荷区两侧的扩散区电荷也有变化。扩 散区是中性的，积累过剩载流子的同时，在同一区 也必然积累等量的过剩多子。
• 外加电压变化时，扩散区任意小的局部范围内， 电子和空穴的数量都以相同的速率增加和减少； 充放电过程中，扩散区始终维持电中性。所以， 扩散电容的正负电荷应理解为空间同一位置上价 带里的空穴和导带中的电子。
反向偏置时，漂移大于扩散。
漂移电流、产生电流 反向电流
jjp(x)jn(x)q np L 0n D np n L 0D pp eq kR T V 1
空间电荷区边界少子浓度与外加偏压的关系：
p
n p(x) np0
xp
n
p n (x) p n0
空间电荷区及内建电场
内建电场和内建电势
• 内建电场：实际上是组成p-n结的n型材料和p型材料 之间的接触电势差。按照多种材料串联接触的电势 差在同一温度下只决定于第一种材料和最后一种材 料而和中间任何一种材料无关这一性质，不难理解， 用普通电表测不出p-n的内建电势；无论画电路图或 列电路方程都不应考虑这个电势差。但内建电势影 响载流子分布，在研究半导体器件的物理过程时是 非常重要。
对同样的电流，在肖特基势 垒上加的电压要少的多。
思考题
• 什么是平衡pn结？ • 解释平衡pn结的空间电荷区和载流子分布。 • 什么是非平衡pn结？ • 了解pn结正向偏置与反向偏置的载流子分布以及
pn结的特性。 • 雪崩击穿的机理是什么？ • 势垒电容与扩散电容的产生机构是什么？ • pn结的开关特性？ • 金属-半导体接触类型？
pn结小信号工作时的特点是信号电流与信号电压满足线性关系， 即器件内部载流子分布的变化跟得上信号的变化。pn结在大信 号工作时的特点是I-V、C-V特性都是非线性的。
pn结开关特性
（1）TURN-ON OF A P-N DIODE
从关态到开态，pn结电流的延迟可忽略。
TURN-OFF OF A P-N DIODE 从开态到关态，pn结电流有延迟。
P区
N区
n po
x p x n p no x
正向电流
jjp(x)jn(x)q np L 0n D npn L 0D pp eq kT V 1
正向的PN结电流输运过程 电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程）
扩散电流、复合电流
2、 PN结的反向特性
时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物
理过程:
自建电场
受主 离子
施主 离子
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平 衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离 子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间 电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
二、非平衡pn结及直流特性
在pn结上施加偏置电压时，pn结处于非平衡状态。 为分析方便，规定p区接电源正极为正向偏置，反之则 为反向偏置。
非平衡态下pn结能带图
正向电压
反向电压
1、PN结的正向特性
正向偏置时，扩散大于漂移。
np xp npoexpqkTV
pnxnpnoexpqkTV
• 电击穿现象：
PN结反向电压增加到一定数值（VB）时，反向电 流 开 始 急 剧 上 升 ， 这 种 现 象 称 为 PN 结 击 穿 。 VB
称为击穿电压。 • PN结电击穿机构有两种：
雪崩击穿（Avalanche Breakdown) 隧道击穿或齐纳击穿
(Tunneling or Zener Breakdown)
当它们紧密接触时，电子会从费米能级高的地方向 低的地方流动，所以半导体中电子会向金属中流动， 使金属表面荷负电，电子能量提高，而半导体表面 形成正的空间电荷区；当整个系统达到平衡时，金 属和半导体形成统一的费米能级。
金属与N型半导体接触，Wm<Ws 时
此时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形 成负的空间电荷层，使得半导体侧电子能量提高； 在空间电荷区中表面附近能带向下弯曲，电子浓度 将比体内的平衡浓度大得多，它是多子（电子)积累 层，是一个高电导层；这种情况下，多子（电子） 在两种材料中的相互转移，不需要越过势垒就可以 运动到对方，通常称为多子反阻挡层。
变化而变化。这相当PN结中存储的电荷量也随之
变化，犹如电容的充放电效应。因为发生在势垒
区，故称势垒电容，用CT表示。
CT
Q V
dQ dV
扩散电容
• 在交流状态下，pn结在直流偏置VA上迭加交流信号
v(t)。既然pn结外加电压包括直流分量和交流分量，
必然引起注入少子浓度也包含直流和交流分量。
五、金属-半导体接触
• 金属-半导体接触可以分成两类，一类是整流接触， 一类是欧姆接触。
• 半导体器件中金属的应用 使载流子（电子和空穴）在进 出半导体时少受阻力 整流
器件间的低阻互联
金属-半导体接触势垒
由于金属与半导体的功函数不同，它们相互紧密接 触时，会产生接触电势差。
金属与N型半导体接触，Wm>Ws 时
四、 pn结电容与交流特性
• PN结在不同的偏置下，存贮的电荷会发生变化， 这说明PN结具有电容效应。
• PN结中有两类电荷随外加电压变化，因此存在两 种类型的电容
–势垒电容CT –扩散电容CD
势垒电容
• 当外加电压VA变化时，pn结的空间电荷宽度跟着 发生变化，因而势垒区的电荷量也就随外加电压
第三章 pn结与金属－半导体接触
主要内容
一、平衡pn结 二、非平衡pn结 三、pn结直流特性 四、pn结电容与交流特性 五、金属－半导体接触· 六、肖特基二极管特性
二极管作用：整流、稳压、变容、发光。
一、平衡PN结二极管
1、PN结的形成
在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、外
延法或离子注入等方法掺入P型（或N 型）杂质。此
六、肖特基二极管特性
肖特基二极管和pn结二极管的比较： 1）pn结正向是少数载流子注入，反向是少数载流子抽取。
肖特基势垒电流由多数载流子传导。
2）pn结中由于少子储存效应，影响了开关速度和高频特性。 肖特基势垒中多子并不积累，直接漂走，频率特性不受
电荷存储时间的限制，具有更好的高频特性。
3）多子电流远高于少子电流，肖 特基势垒中的饱和电流远高于有 同样面积的pn结。
pn结的交流特性和开关特性
频率特性：半导体器件用于模拟电路（处理连续波） 时所表现出来的性能.
开关特性：半导体器件用于开关工作（处理数字信 号或脉冲信号）时所表现出来的性能.
小信号工作：信号电流（电压） <<偏置电流电压）， 模拟电路经常工作于小信号
大信号工作：信号电流（电压）>>小信号工作时的 信号电流（电压）.
• 这种情况下，价带电子 可以直接穿过禁带到达 导带，成为自由电子， 引起电流迅速增加。这 种击穿叫做隧道击穿。
雪崩击穿和隧道击穿的区别
机理： • 隧道击穿取决于穿透隧道的几率
势垒区宽度要窄。 • 雪崩击穿取决于碰撞电离
有一定的势垒区宽度。
从实验上可区分这两种不同的电击穿。研究分析表明： 硅pn结： < 4 V 隧道击穿 > 6 V 雪崩击穿
雪崩击穿 • 耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加
能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格原子 碰撞时使其电离，从而产生电子-空穴对。 • 新产生的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原 子碰撞再产生第三代电子-空穴对。如此继续，产 生大量导电载流子，电流迅速上升。
隧道击穿
• PN 结掺杂浓度十分高 (>51017cm-3 ） 时 ， 耗 尽区宽度变得很窄，耗 尽区内的电场高达 106Vcm-1。
在半导体中有电场存在的地方，能带会发生弯曲，朝 电场所指的方向上移，电场强度越强，能带弯曲越厉 害，电场为零或很弱的地方，能带保持平直。
平衡pn结载流子浓度分布 • 在空间电荷区边界
（xp)处的载流子浓 度分别等于p区平衡 少子浓度和多子浓度。
• 在空间电荷区边界 （xn)处的载流子浓 度分别等于n区平衡 少子浓度和多子浓度。
pn结直流特性
PN结的特性 单向导电性：
• 正向偏置
正向导通电压Vbi～0.7V(Si)
• 反向偏置 反向击穿电压VB
• 正向导通，多数载流子扩 散电流； 反向截止，少数载流子漂 移电流。
三 pn结的击穿特性
• 击穿机理：热击穿、雪崩击穿和隧道击穿。后两种 属于电击穿。
• 热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向 电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而 引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。 如果产生的热量不能及时散发出去，结温上升和反 向电流的增加将会交替进行下去，最后使反向电流 无限增长，如果没有保护措施，pn结将被烧毁而永 久失效。这种击穿是由热效应引起的，所以称热击 穿。
2、平衡pn结
（1）扩散流等于漂移流。 （2）pn结的内建电势VD (N型 kqTlnNnANi2 D
接触电势差，由pn结两边的掺杂浓度决定，与半导 体材料的特性相关。
平衡pn结能带图
P区能带相对于n区能带上移的原因： 能带图是按电子的能量高低来画的。由于内建电 场，使P区的电子能量在原来能级的基础，迭加上 一个由电场引起的附加势能。能带上移的高度即 为接触电势差。
在sd时间内，过剩载流子被 抽取。
直到过剩载流子抽取完，二极 管的偏压才由正偏变为负偏。
• 电荷贮存效应
贮存时间sd • 下降时间t • 反向恢复时间 sd＋t
–决定因素：
• 少子寿命p
• 正向注入电流If • 反向抽取电流Ir
由于If 、Ir常受到电路中其他条件的限制，所 以，减小载流子寿命比较可行。
• PN结扩散电容来源于扩散区积累的过剩载流子电荷 随外加电压的变化。过剩载流子随外加电压变化的 同时，空间电荷区两侧的扩散区电荷也有变化。扩 散区是中性的，积累过剩载流子的同时，在同一区 也必然积累等量的过剩多子。
• 外加电压变化时，扩散区任意小的局部范围内， 电子和空穴的数量都以相同的速率增加和减少； 充放电过程中，扩散区始终维持电中性。所以， 扩散电容的正负电荷应理解为空间同一位置上价 带里的空穴和导带中的电子。
反向偏置时，漂移大于扩散。
漂移电流、产生电流 反向电流
jjp(x)jn(x)q np L 0n D np n L 0D pp eq kR T V 1
空间电荷区边界少子浓度与外加偏压的关系：
p
n p(x) np0
xp
n
p n (x) p n0
空间电荷区及内建电场
内建电场和内建电势
• 内建电场：实际上是组成p-n结的n型材料和p型材料 之间的接触电势差。按照多种材料串联接触的电势 差在同一温度下只决定于第一种材料和最后一种材 料而和中间任何一种材料无关这一性质，不难理解， 用普通电表测不出p-n的内建电势；无论画电路图或 列电路方程都不应考虑这个电势差。但内建电势影 响载流子分布，在研究半导体器件的物理过程时是 非常重要。
对同样的电流，在肖特基势 垒上加的电压要少的多。
思考题
• 什么是平衡pn结？ • 解释平衡pn结的空间电荷区和载流子分布。 • 什么是非平衡pn结？ • 了解pn结正向偏置与反向偏置的载流子分布以及
pn结的特性。 • 雪崩击穿的机理是什么？ • 势垒电容与扩散电容的产生机构是什么？ • pn结的开关特性？ • 金属-半导体接触类型？
pn结小信号工作时的特点是信号电流与信号电压满足线性关系， 即器件内部载流子分布的变化跟得上信号的变化。pn结在大信 号工作时的特点是I-V、C-V特性都是非线性的。
pn结开关特性
（1）TURN-ON OF A P-N DIODE
从关态到开态，pn结电流的延迟可忽略。
TURN-OFF OF A P-N DIODE 从开态到关态，pn结电流有延迟。
P区
N区
n po
x p x n p no x
正向电流
jjp(x)jn(x)q np L 0n D npn L 0D pp eq kT V 1
正向的PN结电流输运过程 电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程）
扩散电流、复合电流
2、 PN结的反向特性
时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物
理过程:
自建电场
受主 离子
施主 离子
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平 衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离 子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间 电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
二、非平衡pn结及直流特性
在pn结上施加偏置电压时，pn结处于非平衡状态。 为分析方便，规定p区接电源正极为正向偏置，反之则 为反向偏置。
非平衡态下pn结能带图
正向电压
反向电压
1、PN结的正向特性
正向偏置时，扩散大于漂移。
np xp npoexpqkTV
pnxnpnoexpqkTV
• 电击穿现象：
PN结反向电压增加到一定数值（VB）时，反向电 流 开 始 急 剧 上 升 ， 这 种 现 象 称 为 PN 结 击 穿 。 VB
称为击穿电压。 • PN结电击穿机构有两种：
雪崩击穿（Avalanche Breakdown) 隧道击穿或齐纳击穿
(Tunneling or Zener Breakdown)
当它们紧密接触时，电子会从费米能级高的地方向 低的地方流动，所以半导体中电子会向金属中流动， 使金属表面荷负电，电子能量提高，而半导体表面 形成正的空间电荷区；当整个系统达到平衡时，金 属和半导体形成统一的费米能级。
金属与N型半导体接触，Wm<Ws 时
此时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形 成负的空间电荷层，使得半导体侧电子能量提高； 在空间电荷区中表面附近能带向下弯曲，电子浓度 将比体内的平衡浓度大得多，它是多子（电子)积累 层，是一个高电导层；这种情况下，多子（电子） 在两种材料中的相互转移，不需要越过势垒就可以 运动到对方，通常称为多子反阻挡层。
变化而变化。这相当PN结中存储的电荷量也随之
变化，犹如电容的充放电效应。因为发生在势垒
区，故称势垒电容，用CT表示。
CT
Q V
dQ dV
扩散电容
• 在交流状态下，pn结在直流偏置VA上迭加交流信号
v(t)。既然pn结外加电压包括直流分量和交流分量，
必然引起注入少子浓度也包含直流和交流分量。
五、金属-半导体接触
• 金属-半导体接触可以分成两类，一类是整流接触， 一类是欧姆接触。
• 半导体器件中金属的应用 使载流子（电子和空穴）在进 出半导体时少受阻力 整流
器件间的低阻互联
金属-半导体接触势垒
由于金属与半导体的功函数不同，它们相互紧密接 触时，会产生接触电势差。
金属与N型半导体接触，Wm>Ws 时
四、 pn结电容与交流特性
• PN结在不同的偏置下，存贮的电荷会发生变化， 这说明PN结具有电容效应。
• PN结中有两类电荷随外加电压变化，因此存在两 种类型的电容
–势垒电容CT –扩散电容CD
势垒电容
• 当外加电压VA变化时，pn结的空间电荷宽度跟着 发生变化，因而势垒区的电荷量也就随外加电压
第三章 pn结与金属－半导体接触
主要内容
一、平衡pn结 二、非平衡pn结 三、pn结直流特性 四、pn结电容与交流特性 五、金属－半导体接触· 六、肖特基二极管特性
二极管作用：整流、稳压、变容、发光。
一、平衡PN结二极管
1、PN结的形成
在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、外
延法或离子注入等方法掺入P型（或N 型）杂质。此
六、肖特基二极管特性
肖特基二极管和pn结二极管的比较： 1）pn结正向是少数载流子注入，反向是少数载流子抽取。
肖特基势垒电流由多数载流子传导。
2）pn结中由于少子储存效应，影响了开关速度和高频特性。 肖特基势垒中多子并不积累，直接漂走，频率特性不受
电荷存储时间的限制，具有更好的高频特性。
3）多子电流远高于少子电流，肖 特基势垒中的饱和电流远高于有 同样面积的pn结。
pn结的交流特性和开关特性
频率特性：半导体器件用于模拟电路（处理连续波） 时所表现出来的性能.
开关特性：半导体器件用于开关工作（处理数字信 号或脉冲信号）时所表现出来的性能.
小信号工作：信号电流（电压） <<偏置电流电压）， 模拟电路经常工作于小信号
大信号工作：信号电流（电压）>>小信号工作时的 信号电流（电压）.
• 这种情况下，价带电子 可以直接穿过禁带到达 导带，成为自由电子， 引起电流迅速增加。这 种击穿叫做隧道击穿。
雪崩击穿和隧道击穿的区别
机理： • 隧道击穿取决于穿透隧道的几率
势垒区宽度要窄。 • 雪崩击穿取决于碰撞电离
有一定的势垒区宽度。
从实验上可区分这两种不同的电击穿。研究分析表明： 硅pn结： < 4 V 隧道击穿 > 6 V 雪崩击穿
雪崩击穿 • 耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加
能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格原子 碰撞时使其电离，从而产生电子-空穴对。 • 新产生的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原 子碰撞再产生第三代电子-空穴对。如此继续，产 生大量导电载流子，电流迅速上升。
隧道击穿
• PN 结掺杂浓度十分高 (>51017cm-3 ） 时 ， 耗 尽区宽度变得很窄，耗 尽区内的电场高达 106Vcm-1。
在半导体中有电场存在的地方，能带会发生弯曲，朝 电场所指的方向上移，电场强度越强，能带弯曲越厉 害，电场为零或很弱的地方，能带保持平直。
平衡pn结载流子浓度分布 • 在空间电荷区边界
（xp)处的载流子浓 度分别等于p区平衡 少子浓度和多子浓度。
• 在空间电荷区边界 （xn)处的载流子浓 度分别等于n区平衡 少子浓度和多子浓度。