半导体光电材料基础 - glearningtjueducn

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。

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）。
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
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。




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
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第三章
PN结
3.1 PN结的形成和杂质分布
►
结（junction）：任何两种物质（绝缘体除外）的冶 金学接触（原子级接触） ，有时也称为接触 （contact）。 PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触所 形成的结构。它是几乎所有半导体器件的基本单元。 半导体结有同型同质结（如P-硅和P-硅）、同型异质 结（P-硅和P-锗）、异型同质结（如P-硅和N-硅）、 异型异质结（如P-硅和N-锗）。

正偏复合电流
I rec I Re
V / 2VT
（复合率最大时，即Et = Ei ）
对于P+N，载流子注入引起的扩散电流与空间电荷区 复合电流之比为：
ni V / 2VT Id e I rec N d
禁带宽度大的半导体材料，ni较小，空间电荷区复合电流 较大。硅PN结比锗PN结空间电荷复合电流大。 PN结轻掺杂区杂质浓度越大，将造成更多的复合中心， 空间电荷区复合电流越大。
突变结：P区和N区杂质过渡陡峭。
线性缓变结：两区之间杂质过渡是渐变的。 单边突变结：一侧的杂质浓度远远大于另一侧 杂质浓度的突变结。
3.2 热平衡PN结

PN结空间电荷区
当电中性的N型和P型半导体结合形成PN结时，由 于它们之间存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从P区 到N区、电子从N区到P区的扩散运动。 电子和空穴的转移 在N型和P型各别分别留 下固定的施主离子和受 主离子，建立了如图的 两个电荷层。这些荷电 的施主离子和受主离子 称为空间电荷。 内建电场：NP
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



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
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
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：


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。
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。
正偏压越低，空间电荷区复合电流越显著。
较低正偏压或工作 电流小时，空间电 荷区复合电流占优 势。
硅扩散结 电流-电压特性
随正偏压增加，斜 率增加，说明扩散 电流变得主要。
在高电流水平下， 串联电阻造成的较 大欧姆电压降支配 着电流-电压特性。
斜率变化
3.4 空间电荷区复合电流和产生电流
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。
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 ，
金属一侧空间电荷层很薄，b基本保持不变。 金属费米能级比半导体费米能级低qV。 半导体一边势垒降低使得半导体中的电子更易于移向金属， 能够流过大的电流。
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。
电子 扩散区 P
势垒区
+ V -
空穴 扩散区
N
空穴扩散区内，电子浓 度高，电子准费米能级 可看作不变；空穴浓度 变化很大，其准费米能 级为一斜线，在注入空 穴为零处与电子准费米 能级相等。（电子扩散 区类似） 势垒区比扩散区小，准 费米能级的变化忽略不 计。
3.3 加偏压的PN结

少数载流子的反向抽取
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。
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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
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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。
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。


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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。