半导体器件物理_Chapter3_pn结及金属半导体接触
合集下载
《金属半导体接触》课件
在金属和半导体的接触区域，由于能带结构的不同，电子的传输会受到限制或允 许，这决定了接触的导电特性。
电子传输机制
在金属和半导体的接触中，电子的传输机制主要有隧道效应和热电子发射两种。
隧道效应是指电子通过金属-半导体接触势垒的能力，即使在没有明显的能量间隙的 情况下，电子也可能通过量子力学隧道效应穿越势垒。
溶胶凝胶法具有操作简单、成本低廉等优点，适用于制备大面积、均匀的金属半导体接触。
04
金属半导体接触的应用
电子器件
晶体管
金属半导体接触在晶体管中起着 关键作用，通过控制金属与半导 体的接触状态，可以实现电流的 放大或开关功能。
集成电路
集成电路中包含大量的晶体管和 其他电子元件，金属半导体接触 在这些元件中扮演着重要的角色 ，影响着整个集成电路的性能。
新特性
在新材料的推动下，金属半导体接触呈现出 新的特性，如高导电性、高热稳定性、高稳 定性等。这些新特性使得金属半导体接触在 电子、光电子、热电子等领域的应用更加广 泛和深入。
新技术与新方法
新技术
随着科研技术的不断创新，金属半导体接触 领域也涌现出许多新的技术和方法。例如， 利用先进的纳米制造技术，可以实现金属和 半导体的原子级精确控制和优化，进一步提 高金属半导体接触的性能。
02
特性：金属半导体的电子结构、 界面能带结构、电荷转移和空间 电荷区等特性。
金属半导体接触的重要性
在电子器件和集成电路中，金属半导 体接触是实现电子传输和收集的关键 部分，对器件性能具有重要影响。
在太阳能电池、传感器和光电器件等 领域，金属半导体接触对于能量转换 和信号处理具有重要意义。
金属半导体接触的分类
来新的发展机遇和挑战。
挑战
电子传输机制
在金属和半导体的接触中，电子的传输机制主要有隧道效应和热电子发射两种。
隧道效应是指电子通过金属-半导体接触势垒的能力，即使在没有明显的能量间隙的 情况下，电子也可能通过量子力学隧道效应穿越势垒。
溶胶凝胶法具有操作简单、成本低廉等优点，适用于制备大面积、均匀的金属半导体接触。
04
金属半导体接触的应用
电子器件
晶体管
金属半导体接触在晶体管中起着 关键作用，通过控制金属与半导 体的接触状态，可以实现电流的 放大或开关功能。
集成电路
集成电路中包含大量的晶体管和 其他电子元件，金属半导体接触 在这些元件中扮演着重要的角色 ，影响着整个集成电路的性能。
新特性
在新材料的推动下，金属半导体接触呈现出 新的特性，如高导电性、高热稳定性、高稳 定性等。这些新特性使得金属半导体接触在 电子、光电子、热电子等领域的应用更加广 泛和深入。
新技术与新方法
新技术
随着科研技术的不断创新，金属半导体接触 领域也涌现出许多新的技术和方法。例如， 利用先进的纳米制造技术，可以实现金属和 半导体的原子级精确控制和优化，进一步提 高金属半导体接触的性能。
02
特性：金属半导体的电子结构、 界面能带结构、电荷转移和空间 电荷区等特性。
金属半导体接触的重要性
在电子器件和集成电路中，金属半导 体接触是实现电子传输和收集的关键 部分，对器件性能具有重要影响。
在太阳能电池、传感器和光电器件等 领域，金属半导体接触对于能量转换 和信号处理具有重要意义。
金属半导体接触的分类
来新的发展机遇和挑战。
挑战
PN结及金半接触
PN junction is present in perhaps every semiconductor device.
Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits (C. Hu) Slide 4-1
4.1.1 Energy Band Diagram of a PN Junction
f bi
q
6
ln
NdNa ni2来自 0 . 026 V ln
10
20
10
20
17
cm
6
1V
1/ 2
10
cm
14
b)
W dep
2 s f bi qN
d
2 12 8 . 85 10 1 19 17 1 . 6 10 10
E (x)
E (x + Dx)
Dx
x
Poisson’s equation
Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits (C. Hu) Slide 4-5
4.2 Depletion-Layer Model
(a)
N
4.2.1 Field and Potential in the Depletion Layer P
Slide 4-3
4.1.2 Built-in Potential
N-region
n N d N ce
q A kT
A
kT q
ln
Nc Nd
P-region n
ni
2
Na
N ce
半导体物理及器件工艺PPT ch1_p-n结
kT q
ln N AN D ni2
与使用各自静电势推导结果一样
26
(3) 其它耗尽区特性 a)突变结电场强度与电势分布
I. 电场强度 • 假设突变耗尽近似：空间电荷区中无自由载流子，电场完全由正、
负空间电荷的分离产生。
根据电中性原理，空间 电荷区有：
qNAxp＝qNDxn
问题：空间电荷区或耗尽区 在两边的厚度与什么有关？ 规律如何？
或qVbi。 • 远离结区的n型和p型半
导体仍是均匀的，因此 Vbi可由p区和n区内部费 米能级的差值(或功函数) 来确定。
qVbi p n E Fn E Fp
问题：此时n区电子若逸出到真空能 级，需克服多少能量？势垒+亲和能
• 由于本征费米能级EFi不随外界变化而变化，因此也可以此为参 考标准进行内建势垒的计算；
第一章pn结二极管第二章异质结二极管量子阱超晶格第三章金属半导体肖特基二极管包括欧姆接触和肖特基接触第一章pn结二极管11二极管的基本特性12同质pn结特性13同质pn结的电流电压iv特性14pn结小信号模型15pn结二极管瞬态特性16非突变同质结11二极管的基本特性二极管
第一部分 半导体器件
第一章 pn结二极管 第二章 异质结二极管（量子阱、超晶格） 第三章 金属-半导体肖特基二极管（包括欧姆接 触和肖特基接触）
肖特基二极管
……
3
(1)开关特性
问题：二极管导通时的电压有什么特点？电压源 同质结二极管的近似 等效电路，(a)开路， (b)端电压近似恒定
4
Diode logic (AND gate) was used in early digital computers Diodes can switch analog signals (Parallel resonator network)
半导体器件物理之半导体接触
如果绝缘体用氧化物，即MOS结构, 可
Ef
EC
视为一个金属-氧化物界面和一个氧化 物-半导体界面的结合,ULSL中最重要
Ef 的MOSFET器件的基本结构。
EV
4
2.1 p - n 结二级管
主要内容
基本器件工艺介绍 耗尽区和耗尽电容 I-V特性 结的击穿 瞬变特性 端功能
6
1。基本器件工艺
W 2s(V bq i 2 B N kT /q)LD 2(V b i 2)
q/kT
半导体的特征长度，德拜长度
LD
skT
q2NB
s qNB
27
28
Si的德拜长度与掺杂浓度的关系
Si单边突变结耗尽层宽度和单位面积耗尽层电容与掺杂浓 度的关系。
29
耗尽层电容：
单位面积的耗尽层电容定义为： CdQ/dV
半导体器件物理之半导体接触
1
主要内容
pn结 异质结 金属-半导体接触 半导体-氧化物接触, MIS
2
半导体器件的四种基础结构
金属-半导体界面，
Ef
EC Ef
EV
在金属和半导体之间形成的一种紧密 接触。是第一个被研究的半导体器件。 可作为整流接触-肖特基势垒，或用 作欧姆接触。也可以得到其他许多器 件，如MESFET。
单边突变结，单位面积电容：
1/C2~V 直线，
CdQ/dV
d[
q(d(NB q/N 2BW s))W2]W s
斜率：衬底杂质浓度， 1/C2=0时截距：内建势。
qs2NB(VbiV2kT/q)1/2
s (
2LD
Vbi
V2)1/2F/cm2
反向和正 向偏置
1/C2 2LsD 22 (Vb iV2) d(1d/C V2)2LD s22qs2NB
金属半导体接触
•
(少子存储效应即电荷存储, pn结是少子器件，外加正向偏压（p正n 负），使得n区电子漂移运动经过空间电荷区来到p区边界，p区空穴来 到n区边界，形成少数载流子的积累，即电荷存贮效应)
2)大的饱和电流 肖特基二极管是多子器件,而PN结二极管是少子器件,多子电流要比少子电流大的多, 即肖特基势垒二极管中的饱和电流远大于具有同样面积的PN结二极管的饱和电流。 3)低的正向电压降
4.8.2肖特基势垒箝位晶体管
由于肖特基势垒具有快速开关响应,因而可以把它和NPN晶体管的集电结 并联连接,以减小晶体管的存储时间,如左下电路图所示,当晶体管饱和,集电 结被正向偏置约为0.5V
C C E B
N+ N+
P
B N N+
电路图
E
集成结构
若肖特基二极管上的正向压降(一般为0.3V)低于晶体 管基极-集电极的开态电压,则大部分过量基极电流将流过 二极管,该二极管没有少数载流子存储效应,因此,与单独的 晶体管相比,合成器件肖特基势垒箝位晶体管的存储时间得 到了显著的降低。测得的存储时间可以低于1ns。肖特基势 垒箝位晶体管是按上图集成电路的形式实现的。铝在轻掺 杂的N型集电区上形成极好的肖特基势垒,同时在重掺杂的P 型基区上形成优良的欧姆接触.这两种接触可以只通过一步 金属化实现,不需要额外的工艺。
肖特基势垒箝位晶体管
4.8.1肖特基势垒检波器或混频器
rs
rd
cd
一个有效的检波器或混频器要求射频功 率被二极管电阻rd吸收并且在rs上的功率 耗散很小。 通常情况下rs<<rd,因此,在低频时rs的影 响可以忽略。但是随着工作频率的增高, 相对于rs来说,结阻抗减小,最终会到达 这样一个频率,使得在rs上的功率耗散和 在结上的功率耗散相等,即
金属和半导体的接触
子或离子。它是局域在表面附近旳新电子态。
表面态能级
：
大多数半导体旳
在Ev以上Eg/3旳地方。
2.表面态旳类型
1）施主型：
电子占满时呈中性，失去电子带正电。
下列旳表面态空着，表面带正电。
2）受主型：
能级空时为电中性，接受电子带负电。
以上旳表面态被电子填充，表面带负电。
3.表面态对接触势垒旳影响
且
趋于饱和。
• 阻挡层具有单向导电性——整流特征。
P型半导体
n型和p型阻挡层旳作用
• 阻挡层具有整流特征；
• 正向电流要求为半导体多子形成旳电流；
• n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子由半导体到金属旳正向电流；
电流方向：金属→半导体
• p型：金属极加负电压V<0，
形成空穴由半导体到金属旳正向电流；
材料）和小旳ni（相当于宽禁带材料）旳金属-半导体
系统 。
2、欧姆接触
1）欧姆接触：
不产生明显旳附加阻抗，电流在其上旳产生旳压
降远不大于在器件本身上所产生旳压降。
2）欧姆接触旳主要性：
作为器件引线旳电极接触，要求在金属和半导体
之间形成良好旳欧姆接触。在超高频和大功率器
件中，欧姆接触是设计和制造中旳关键问题之一。
3）n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子半导体 金属旳正向电流；
电流方向：从金属 半导体
半导体势垒区与中性区存在浓度梯度，所以有扩散电流。
有外加电压时，存在漂移电流。
根据：
利用：
得到：
同乘以
得到：
积分：
利用边界条件：
因为
只考虑在x=0附近
表面态能级
：
大多数半导体旳
在Ev以上Eg/3旳地方。
2.表面态旳类型
1）施主型：
电子占满时呈中性，失去电子带正电。
下列旳表面态空着，表面带正电。
2）受主型：
能级空时为电中性，接受电子带负电。
以上旳表面态被电子填充，表面带负电。
3.表面态对接触势垒旳影响
且
趋于饱和。
• 阻挡层具有单向导电性——整流特征。
P型半导体
n型和p型阻挡层旳作用
• 阻挡层具有整流特征；
• 正向电流要求为半导体多子形成旳电流；
• n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子由半导体到金属旳正向电流；
电流方向：金属→半导体
• p型：金属极加负电压V<0，
形成空穴由半导体到金属旳正向电流；
材料）和小旳ni（相当于宽禁带材料）旳金属-半导体
系统 。
2、欧姆接触
1）欧姆接触：
不产生明显旳附加阻抗，电流在其上旳产生旳压
降远不大于在器件本身上所产生旳压降。
2）欧姆接触旳主要性：
作为器件引线旳电极接触，要求在金属和半导体
之间形成良好旳欧姆接触。在超高频和大功率器
件中，欧姆接触是设计和制造中旳关键问题之一。
3）n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子半导体 金属旳正向电流；
电流方向：从金属 半导体
半导体势垒区与中性区存在浓度梯度，所以有扩散电流。
有外加电压时，存在漂移电流。
根据：
利用：
得到：
同乘以
得到：
积分：
利用边界条件：
因为
只考虑在x=0附近
半导体物理第七章金属和半导体的接触
半导体
半导体的导电性能介于金属和绝缘体 之间。其内部存在一个或多个能隙， 使得电子在特定条件下才能跃迁到导 带。常见的半导体材料有硅、锗等。
接触的物理意义
01
金属和半导体的接触在电子器件 中具有重要应用，如接触电阻、 欧姆接触等。
02
理解金属和半导体的接触性质有 助于优化电子器件的性能，如减 小接触电阻、提高器件稳定性等 。
03
肖特基结模型适用于描述金属 和p型半导体之间的接触。
06
金属和半导体的接触实验 研究
实验设备和方法
实验设备
高真空镀膜系统、电子显微镜、 霍尔效应测量仪等。
实验方法
制备金属薄膜，将其与半导体材 料进行接触，观察接触表面的形 貌、电子输运特性等。
实验结果分析
接触表面的形貌分析
通过电子显微镜观察接触表面的微观结构， 了解金属与半导体之间的相互作用。
详细描述
当金属与半导体相接触时，由于金属和半导体的功函数不同，会产生电子的转移。这种电子的转移会 导致在接触区域形成一个势垒，阻碍电子的流动，从而产生接触电阻。接触电阻的大小与金属和半导 体的性质、接触面的清洁度、温度等因素有关。
热导率
总结词
热导率是指材料传导热量的能力，金属 和半导体的热导率差异较大，这会影响 它们之间的热交换效率。
详细描述
欧姆接触的形成需要满足一定的条件，包括金属与半导体之间要有良好的化学相容性和冶金相容性，以及半导体 内部载流子浓度要足够高。欧姆接触在集成电路和电子器件中具有广泛应用。
隧道结
总结词
隧道结是指金属和半导体之间形成的 具有隧道传输特性的结，当外加电压 达到一定阈值时，电流可以通过隧道 效应穿过势垒。
2
这个接触势垒会影响金属和半导体之间的电流传 输和热传导，进而影响电子器件的性能。
半导体的导电性能介于金属和绝缘体 之间。其内部存在一个或多个能隙， 使得电子在特定条件下才能跃迁到导 带。常见的半导体材料有硅、锗等。
接触的物理意义
01
金属和半导体的接触在电子器件 中具有重要应用，如接触电阻、 欧姆接触等。
02
理解金属和半导体的接触性质有 助于优化电子器件的性能，如减 小接触电阻、提高器件稳定性等 。
03
肖特基结模型适用于描述金属 和p型半导体之间的接触。
06
金属和半导体的接触实验 研究
实验设备和方法
实验设备
高真空镀膜系统、电子显微镜、 霍尔效应测量仪等。
实验方法
制备金属薄膜，将其与半导体材 料进行接触，观察接触表面的形 貌、电子输运特性等。
实验结果分析
接触表面的形貌分析
通过电子显微镜观察接触表面的微观结构， 了解金属与半导体之间的相互作用。
详细描述
当金属与半导体相接触时，由于金属和半导体的功函数不同，会产生电子的转移。这种电子的转移会 导致在接触区域形成一个势垒，阻碍电子的流动，从而产生接触电阻。接触电阻的大小与金属和半导 体的性质、接触面的清洁度、温度等因素有关。
热导率
总结词
热导率是指材料传导热量的能力，金属 和半导体的热导率差异较大，这会影响 它们之间的热交换效率。
详细描述
欧姆接触的形成需要满足一定的条件，包括金属与半导体之间要有良好的化学相容性和冶金相容性，以及半导体 内部载流子浓度要足够高。欧姆接触在集成电路和电子器件中具有广泛应用。
隧道结
总结词
隧道结是指金属和半导体之间形成的 具有隧道传输特性的结，当外加电压 达到一定阈值时，电流可以通过隧道 效应穿过势垒。
2
这个接触势垒会影响金属和半导体之间的电流传 输和热传导，进而影响电子器件的性能。
半导体物理专题6——金属和半导体接触
华中科技大学 光学与电子信息学院
20
金属半导体接触的整流-扩散理论
由扩散理论推导的电流密度为：
qV J J exp( ) 1 SD k T 0 2qN D qVD J ( V V ) exp( ) SD D r 0 k0T qn 0 n0
JSD随电压而变化，并不饱和
华中科技大学 光学与电子信息学院
21
金属半导体接触的整流-热电子发射理论
当阻挡层很薄，以至于电子的平均自由程远大于势垒宽度时，扩散理论不再适用。此时，势垒的
形状已不重要，起决定作用的是势垒高度；半导体内电子只要有足够的能量超越势垒顶点，就可 以通过阻挡层进入金属；电流的计算便归结为超越势垒的载流子数目。 根据载流子统计分布理论，能量E~(E+dE)范围内的电子数为：
xd
J
0
qV ( x) exp dx k0T qV ( x) qDn n( x) exp k T 0 0
xd
需求解：
V ( xd )、 V (0)、n( xd ) 、n(0)
xd
0
qV ( x) exp dx k0T
级和Ev+qΦ0之差，因而有
qVD Eg q0 En
华中科技大学 光学与电子信息学院
11
表面态
对于没有表面态的半导体，功函数为：Ws En
对于存在表面态的半导体，功函数为：Ws qVD En
对于表面态钉扎的半导体，功函数为：Ws Eg q0 ->与掺杂浓度无关 例：金属与存在表面态的n型半导体接触，且Wm>Ws：
金属和半导体的接触
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。
若电子距金属表面的距离为x，则它与感应 正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位 于(–x)处的等量正电荷之间的吸引力，这 个正电荷称为镜象电荷。
镜象电荷 +
电子 -
–x´ n x
镜象电荷
这个吸引力称为镜象力，它应为
－q[(Vs)0+V]
qV
(b) V > 0
金属正，半导体负
外加电压对 n 型阻挡层的影响
从半到金的电子数目减少， qns
金到半的电子流占优势 形成从半到金的反向电流 - qV
－q[(Vs)0+V]
金属中的电子要越过很高的
(c) V < 0
势垒 qns，所以反向电流很小 金属负，半导体正
qns不随V变，所以从金到半的电子流恒定。
q2
q2
f 40(2x)2 160x2
把电子从x点移到无穷远处，电场力所做的功
xfdx1q 6 200x12d x1 q620x
半导体和金属接触时，在耗尽层中，选(EF)m 为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能
q2 qV(x)
16r0x
16q2r0xqn
电子势垒高度为 q[V (s)0V]
V 与 (Vs)0 同符号时，阻挡层势垒提高
V 与 (Vs)0 反符号时，阻挡层势垒下降
qns
qVD =－q(Vs)0
(a) V=0 外加电压对 n 型阻挡层的影响
从半到金的电子数目增加，
形成从金到半的正向电流，
此电流由多子构成
qns
因 Vs<0
V, 势垒下降越多， 正向电流越大
若电子距金属表面的距离为x，则它与感应 正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位 于(–x)处的等量正电荷之间的吸引力，这 个正电荷称为镜象电荷。
镜象电荷 +
电子 -
–x´ n x
镜象电荷
这个吸引力称为镜象力，它应为
－q[(Vs)0+V]
qV
(b) V > 0
金属正，半导体负
外加电压对 n 型阻挡层的影响
从半到金的电子数目减少， qns
金到半的电子流占优势 形成从半到金的反向电流 - qV
－q[(Vs)0+V]
金属中的电子要越过很高的
(c) V < 0
势垒 qns，所以反向电流很小 金属负，半导体正
qns不随V变，所以从金到半的电子流恒定。
q2
q2
f 40(2x)2 160x2
把电子从x点移到无穷远处，电场力所做的功
xfdx1q 6 200x12d x1 q620x
半导体和金属接触时，在耗尽层中，选(EF)m 为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能
q2 qV(x)
16r0x
16q2r0xqn
电子势垒高度为 q[V (s)0V]
V 与 (Vs)0 同符号时，阻挡层势垒提高
V 与 (Vs)0 反符号时，阻挡层势垒下降
qns
qVD =－q(Vs)0
(a) V=0 外加电压对 n 型阻挡层的影响
从半到金的电子数目增加，
形成从金到半的正向电流，
此电流由多子构成
qns
因 Vs<0
V, 势垒下降越多， 正向电流越大
半导体物理学PPT课件(共7章)第05章 金属和半导体的接触
WS Ec EF
Eg Ev
无表面态时的n型半导体
qVD
Ec
qΦ0
EF
Ev
存在表面态时的n型半导体
由于n型半导体的费米能级EFn处于禁带上半部，其位置必高于EFS0。根据 费米能级的物理内涵，EFS0和 EFn高低不等必然导致体内电子向表面转移， 使表面带负电，同时在靠近表面的近表面附近形成正空间电荷区，从而产
a) 表面态改变了半导体的功函数，使金-半接触的势垒高度不等 于功函数差
由于n型半导体的EF高于q0，而q0以上的表面态空着，所以近表面区的导带 电子就会来填充这些能级，于是使表面带负电，同时在近表面附近产生正的 空间电荷区，形成电子势垒，平衡时的势垒高度qVD使电子不再向表面填充。
b) 表面态密度很高时-势垒钉扎
➢ 1904年，美国电气工程师鲍斯获得Si和PbS点接触整流器的专利权 ➢ 1906年，美国电气工程师皮卡德获得点接触晶体检波器的专利权，这种器
件是晶体检波接收机（即矿石收音机）的关键部件；
➢ 1920年，硒（Se）金－半接触整流器投入应用； ➢ 1926年，Cu2O点接触整流二极管问世，并在二战中应用于雷达检波。
2022年1月26日星期三
3
第五章 金属和半导体的接触
5.1金属半导体接触及其平衡态
5.1.1 金属和半导体的功函数 5.1.2 有功函数差的金-半接触 5.1.3 表面态对接触电势差的影响 5.1.4 欧姆接触
5.2 金属半导体接触的非平衡状态
5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒 5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级 5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.5 金半接触的少子注入问题 5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用
《金属半导体接触》课件
蒸发法：通过加热金属或半导体材料使其蒸发，然后在真空中 沉积在半导体表面
溅射法：利用高能粒子轰击金属或半导体材料，使其溅射到半 导体表面
化学气相沉积法：通过化学反应将金属或半导体材料转化为气 体，然后在半导体表面沉积
离子注入法：将金属或半导体材料离子化，然后注入到半导体 表面
外延生长法：在半导体表面生长一层金属或半导体材料，形成 金属半导体接触层
添加标题
添加标题
添加标题
半导体：导电性能介于导体和绝缘 体之间的物质，如硅、锗等
金属和半导体接触时，会产生接触 电阻，影响器件性能
金属半导体接触：金属与半导体之间的接触 形成原因：金属与半导体之间的电荷转移 形成条件：金属与半导体之间的电势差 形成过程：金属与半导体之间的电子或空穴的转移
半导体器件的基础：金属半导体接触是半导体器件的基础，决定了器件的性能和稳定性。
材料性质：金属半导体接触的电导和热导还与材料的性质有关，如材料的导电性和热导 性等
光电导效应：金属半导体接触在光照下产生光电流 光生伏特效应：金属半导体接触在光照下产生光电压 光致电阻效应：金属半导体接触在光照下电阻发生变化 光致热效应：金属半导体接触在光照下产生热量，影响接触性能
金属半导体接触的 制备方法
离子注入技术：将离子注入半导体表面，形 成掺杂层
化学气相沉积技术：利用化学反应，在半导 体表面形成薄膜
物理气相沉积技术：利用物理方法，在半导 体表面形成薄膜
化学机械抛光技术：利用化学和机械作用， 对半导体表面进行抛光处理
金属半导体接触的 应用
半导体二极管： 金属半导体接 触作为二极管 的电极，实现 电流单向导通
金属半导体接触的 研究进展
石墨烯：具有优异的导电性 和热导率，可作为新型金属 半导体接触材料
半导体物理学——半导体与金属的接触
n0 = Nce k0T
( ) NC =
2mn*k0T 3/2
4π 3/2h3
23
半导体物理学 黄整
第七章 金属和半导体的接触
或者
dn′
=
n0
⎛ ⎜ ⎝
mn*
2π k0T
3
⎞2 ⎟ ⎠
−
mn*
(
vx2
+v
2 y
+vz2
)
e 2k0T dvxdvydvz
换一种思路，考虑动量空间
dn =
An e dp dp dp −
第七章 金属和半导体的接触
达到界面的电子要越过势垒，必须满足
1 2
mn*vx2
≥
−q
⎡⎣(Vs
) 0
+V
⎤⎦
所需要的x方向的最小速度
1
1 2
mn*vx20
=
−q
⎡⎣(Vs
) 0
+V
⎤⎦
vx0
=
⎧⎪⎨− ⎪⎩
2q
⎡⎣(Vs
) 0
mn*
+V
⎤⎦
⎫⎪ ⎬
⎭⎪
2
规定电流的正方向是从金属到半导体，则从
2qN
D
ε
VD
rε0
−V
⎫2 ⎬ ⎭
− qVD
e k0T
⎛ qV ⎝⎜⎜ e k0T
⎞ −1⎠⎟⎟
金属半导体接 触伏安特性
21
半导体物理学 黄整
第七章 金属和半导体的接触
热电子发射理论
当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势 垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽 度。电流的计算归结为超越势垒的载流子数 目。
( ) NC =
2mn*k0T 3/2
4π 3/2h3
23
半导体物理学 黄整
第七章 金属和半导体的接触
或者
dn′
=
n0
⎛ ⎜ ⎝
mn*
2π k0T
3
⎞2 ⎟ ⎠
−
mn*
(
vx2
+v
2 y
+vz2
)
e 2k0T dvxdvydvz
换一种思路，考虑动量空间
dn =
An e dp dp dp −
第七章 金属和半导体的接触
达到界面的电子要越过势垒，必须满足
1 2
mn*vx2
≥
−q
⎡⎣(Vs
) 0
+V
⎤⎦
所需要的x方向的最小速度
1
1 2
mn*vx20
=
−q
⎡⎣(Vs
) 0
+V
⎤⎦
vx0
=
⎧⎪⎨− ⎪⎩
2q
⎡⎣(Vs
) 0
mn*
+V
⎤⎦
⎫⎪ ⎬
⎭⎪
2
规定电流的正方向是从金属到半导体，则从
2qN
D
ε
VD
rε0
−V
⎫2 ⎬ ⎭
− qVD
e k0T
⎛ qV ⎝⎜⎜ e k0T
⎞ −1⎠⎟⎟
金属半导体接 触伏安特性
21
半导体物理学 黄整
第七章 金属和半导体的接触
热电子发射理论
当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势 垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽 度。电流的计算归结为超越势垒的载流子数 目。
半导体与器件-金属和半导体的接触
基本要求： 掌握金属和半导体功函数的定义，这是讨
论接触电势差的基础；理解形成接触电势 差的过程，掌握肖特基势垒模型.
理解巴丁模型即表面态对接触势垒的影响 以及阻挡层与反阻挡层（高电导）的概念.
即由于表面态的影响，也可能产生与表 （7-2）相反的情况。
§7.2 金属半导体接触整流理论（阻挡层的 整流理论）
金属与半导体紧密接触时，两者间距趋 于原子间距，电子可以自由通过，这时 接触界面的电势差表现为从半导体表面 到半导体内部的电势之差，通常称为表 面势。
用表面势可以表示半导体一侧的势垒高 度和金属一侧的势垒高度。在不考虑表 面态的情况下形成的势垒称为肖特基势 垒，肖特基势垒高度是指金属一侧的势 垒高度。
若金属的功函数小于半导体的功函数，则金 属与n型半导体接触时，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区。 其中电场方向由表面指向体内，表面势大于 零，能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大 的多，因而是一个高电导的区域，称之为反 阻挡层。
反阻挡层是很薄的高电导区，它对半导体和 金属接触电阻的影响是很小的。所以反阻挡 层与阻挡层不同，在平常的实验中观察不到 它的存在（P181,图7-6，表7-2）。
V Vs
金属一边的势垒如(7-9)
0
x
以后只讨论忽略D的情况
1).金属-n型半导体接触,且Wm>Ws, 则 段EFm描<述EF.s图,能7带-4上. 弯,形成阻挡层,参见P180 ,末
2).当Wm<Ws, 则形成高电导层,能带下弯,参 见P181,首段描述,图7-5.
3).同理讨论:金属-p型半导体的接触(Wm>Ws 和Wm<Ws),参见图7-6及表7-2. 画出能带示 意图.
金属-半导体接触
金属-半导体接触1.金属与半导体接触概论以集成电路（IC）技术为代表的半导体技术在近十几年来已经取得了迅速发展，带来的是一次又一次的信息科技进步，没有哪一种技术能像它一样，带来社会性的深刻变革。
半导体技术的实现依赖于半导体的生产与应用，而在半导体的应用过程中，必然会涉及到半导体与金属电极的接触。
大规模集成电路中的铝-硅接触就是典型的实例。
金属与半导体接触大致可以分为两类[1]：一种是具有整流特性的肖特基接触（也叫整流接触），导体中的电子将向金属转移，使金属带负电，但是金属作为电子的的“海洋”，其电势变化非常小；而在半导体内部靠近半导体表面的区域则形成了由电离施主构成的正电荷空间层，这样便产生由半导体指向金属的内建电场，该内建电场具有阻止电子进一步从半导体流向金属的作用。
因此，金属与半导体接触的内建电场所引起的电势变化主要发生在半导体的空间电荷区[2]，使半导体中近表面处的能带向上弯曲形成电子势垒；而空间电荷区外的能带则随同E FS一起下降，直到与E FM处在同一水平是达到平衡状态，不再有电子的流动，如图1.1.3。
图1.1.3：W M>W S的金属与N型半导体接触前后的能带变化，（a）接触前（b）接触后相对于E FM而言，平衡时E FS下降的幅度为W M-W S。
若以V D表示这一接触引起的半导体表面与体内的电势差，显然有qV D=W M-W S（1.1）式中，q是电量，V D为接触电势差或半导体的表面势；qV D也就是半导体中的电子进入金属所必须越过的势垒高度；同样的，金属中的电子若要进入半导体，也要越过一个势垒。
高度为式1.2，式中，qφM极为肖特基势垒的高度。
qφM=W M-χ=qV D+En（1.2）当金属与N型半导体接触时，若W M>W S，则在半导体表面形成一个由电离施主构成的空间电荷区，其中电子浓度极低，对电子的传导性极低，是一个高阻区域，常被称为电子阻挡层。
（2）金属与N型半导体接触，W M<W S时若W M<W S，由于金属与半导体的费米能级不平衡，电子将从金属流向半导体，在半导体表面区域形成负电荷空间区。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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。