半导体光电材料基础 - glearningtjueducn

3.4 理想PN结二极管的直流电流-电压特性

理想PN结的单向导电性：正向电流随外加电压e指数 增加，反向电流则很小并达到饱和。 肖克利（Shockley）方程:
I I0 (e
I0
V / VT
1)
VT kBT / q
I0 为二极管饱和电流。
3.4 空间电荷区复合电流和产生电流

实际的PN结中，电流-电压特性显著偏离肖克利方程， 原因包括：空间电荷层内部载流子的复合和产生、 外部接触电阻等因素。 正向偏压注入载流子穿越空间电荷区，使得空间电 荷区载流子浓度可能超过平衡值，即 pn>ni2，会有 非平衡载流子的复合。 反向偏压情况下， 空间电荷区中 pn>ni2，引起非平 衡载流子的产生。
4.1 肖特基势垒
4.1.1 肖特基势垒的形成
金属表面空间电荷层很薄 （约0.5nm）；半导体的空 间电荷层相对要厚很多。 金属 半导体 热平衡时，半导体的能带向 上弯曲，形成阻止半导体电 子流向金属的势垒——内建 0 m s 电势差：
对于从金属流向半导体的电子，需跨越势垒高度： qb qm s 或 b 0 Vn 其中：
引言
金属-半导体结器件是形成金属-半导体器件的基础。 历史上，第一个实用的半导体器件是金属－半导体 二极管。
到70年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来 制造具有重复性的金属-半导体接触，使金属-半导 体结器件获得迅速的发展和应用。 非整流结不论外加电压的极性如何都具有低的欧姆 压降而且不呈整流效应。所有半导体器件都需要用 欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。 金属-半导体器件中最主要包括：肖特基势垒二极 管、肖特基势垒场效应晶体管。
PN结击穿机制 VR V I
雪崩击穿
齐纳击穿 （隧道击穿）
热效应
3.5 PN结击穿

雪崩击穿
PN结加大的反向偏压 载流子从电场获得能量 载流子与势垒区晶格碰撞 能量足 够大时价带电子被激发到导带产生电 子－空穴对 新形成的电子、空穴 被电场加速，碰撞出新的电子、空穴 载流子倍增 硅 PN 结发生雪崩击穿的电场强度为 105-106 V / cm 属于非破坏性可逆击穿。
3.5 PN结击穿

齐纳击穿（隧道击穿）
在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴， 即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移 到导带，从而形成反向隧道电流。 属于非破坏性可逆击穿。 隧道击穿机制用于描述具有低击穿电压的结。 如硅 PN 结，VB < 4.5 V 雪崩击穿机制适用于在高电压下击穿的结， 如硅PN 结，VB > 6.7 V
外加反向偏压时，N（P）区边界处的空穴（电子）被势垒 区的强电场驱向P（N）区，内部的少子来补充，形成反向 偏压下的空穴（电子）扩散电流。等同于少子不断地被抽 出来，称为少数载流子的抽取。
3.4 理想PN结二极管的直流电流-电压特性

PN结二极管 (diode) 是指封装好的两端整流器。电流只能 沿着一个方向通过。一个二极管只包含一个PN结。 PN结中的直流电流-电压关系（简称I-V特性）也称为PN结 的直流特性。
热平衡时，载流子的漂移电流 和扩散电流互相抵消，净电流 为零。建立了如图（c）的电 荷分布。 +

中性区：远离空间电荷区的P、 N型区。不存在空间电荷，载 流子浓度大，电阻小。 耗尽区：空间电荷区。有固定 电荷但无自由载流子（耗尽近 似），电阻大，也称为势垒区。

-

边界区：中性区和耗尽区 之间区域。
外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称 为非平衡载流子的电注入。 非平衡少子在边界处浓度很 大，边扩散边与P（N）区 空穴（电子）复合，经过比 扩散长度大若干倍距离后， 全部被复合，非平衡少子浓 度将为零。 （如左图）
3.3 加偏压的PN结

电注入下的准费米能级
正向偏压下，在非平衡少子存在的区域内，统一费米能级分 裂为电子准费米能级和空穴准费米能级。
E
3.3 加偏压的PN结

外加正向偏压V

在势垒区产生与内建电场方 向相反的电场，减弱了势垒 区中的电场强度，这表明空 间电荷相应减少，势垒区宽 度减小，势垒高度下降。 势垒区电场减弱，削弱了漂 移运动，有助于载流子扩散 通过PN结，形成大的电流。 正偏压给PN结造成了低阻 的电流通路。


第四章 金属-半导体（M-S）结
引言
金属—半导体形成的冶金学接触叫做金属-半导体结 （M-S结）或金属-半导体接触。把须状的金属触针 压在半导体晶体上或者在高真空下向半导体表面上 蒸镀大面积的金属薄膜都可以实现金属-半导体结， 前者称为点接触，后者则相对地叫做面接触。 M-S接触分为：肖特基接触（整流效应，整流结） 欧姆接触（欧姆效应，非整流结） 理想M-S接触的特点： 1. 金属和半导体在原子尺度上紧密接触，在两者之间 不存在任何类型的夹层； 2. 金属和半导体之间不存在互扩散或混合； 3. 在MS界面没有吸附的杂质或表面电荷。
制备PN结的主要技术是硅平面工艺，主要包括：离子注 入工艺、扩散工艺、外延工艺、光刻工艺、真空镀膜技术、 氧化技术以及测试、封装工艺。
►
►
►
采用单晶硅材料制作PN结的主要 工艺过程
采用单晶硅材料制作PN结的主要 工艺过程
3.1 PN结的形成和杂质分布
► ►
形成PN结最普遍的方法是杂质扩散。 在实际问题中，扩散结通常用突变结和线性缓 变结来近似地描述。

反偏产生电流
h+
e-
CBAD: 反向电子扩散电流；C’B’A’D’：反向空穴扩散电流。
EFGH：空间电荷区中复合中心引起的产生电流。
空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而增加，因此反偏 产生电流随之增加，实际PN结反向电流不饱和。
3.5 PN结击穿
器件设计中要考虑的最重要问题之一：结的击穿。 PN结击穿(junction breakdown)：PN结反 向电压超过某一数值时，反向电流急剧 增加的现象称为“PN结击穿”，这时的 电压称为击穿电压（VR）。
3.2 热平衡PN结

PN结能带图
P
N
形成PN结时，电 子将从费米能级高的 N区流向费米能级低 的P区，空穴则从P区 流向N区，P区费米能 级不断上移，N区费 米能级不断下移，直 到两区的费米能级相 等为止，PN结处于平 衡状态。 空间电荷区也称 势垒区。
3.2 热平衡PN结
E

内建电场 E 使载流子向与扩散 运动相反的方向做漂移运动。
E
3.3 加偏压的PN结

外加反向偏压VR

势垒区宽度增加，势垒高度 增加，增高的势垒阻挡载流 子通过PN结扩散。漂移运 动占优势。

通过PN结的电流非常小， 结的阻抗很高。
以上分析说明PN结具有单 向导电性，又称整流特性。

3.3 加偏压的PN结

非平衡载流子的电注入
外加正向偏压时，产生了电子（空穴）从N（P）区向P（N） 区的净扩散流，形成N（P）区的非平衡少数载流子。


在N（P）区中的空穴（电子）电流随距离的增加而指数衰减。
P
N
P
N
3.4 理想PN结二极管的直流电流-电压特性

反向偏压下，势垒区电场的加强，几乎每一个能扩散到势 垒区的少子都立刻被电场扫走。
反向电流就是在PN结空间电荷区附近所产生的而又有机 会扩散到空间电荷区边界的少子形成的。 P（N）区中的电子（空穴）浓度很小，因而反向电流很 小且呈饱和性质。 P N P N
4.1 肖特基势垒
4.1.1 肖特基势垒的形成
假设半导体表面没有表面态，半导体能带直到表面都是平直的。
E0：真空能级 －半导体功函数 qm －金属的功函数 S －半导体的电子亲和势
qS
qS qm , EFS EFM
接触后，半导体中的电子转移 到金属，使二者的费米能级拉 平。半导体表面出现带正电的 空间电荷层，金属表面出现带 负电的空间电荷层。
3.5 PN结击穿

热击穿
热损耗 局部升温 电流增加
属于破坏性不可逆击穿
课程主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 半导体光电材料概述 半导体物理基础 PN结 金属-半导体结 半导体异质结构 半导体太阳能电池和光电二极管 发光二极管和半导体激光器 量子点生物荧光探针



非平衡载流子的复合和产生将引起复合电流和产生 电流。
3.4 空间电荷区复合电流和产生电流
正偏复合电流ຫໍສະໝຸດ 通过空间电荷区中的复合中心的非平衡载流子复合。
h+
e-
ABCD: 电子的注入电流；A’B’C’D’: 空穴的注入电流。 EFGH：空间电荷区中复合中心造成的复合电流。
3.4 空间电荷区复合电流和产生电流


理想PN结的直流特性，基于以下几个基本假设：
（1）忽略中性区的体电阻和接触电阻，外加电压全部降落在 耗尽区上；
（2）半导体均匀掺杂；
（3）小注入； （4）空间电荷区内不存在复合电流和产生电流； （5）半导体非简并。
3.4 理想PN结二极管的直流电流-电压特性

正向偏压下，注入的少子离开边界后便不断与多子复合。 电流连续性要求总电流不变，因此多子电流随距离的增加而 指数增加。
肖特基势垒
Vn Ec EF q VT ln
NC N VT ln C n Nd
4.1 肖特基势垒
4.1.2 加偏压的肖特基势垒

正向偏压：在半导体上相对于金属加一负电压 V
q 0 变成 q( 0 V ) 半导体-金属之间电势差减少为 0 V ，