x处的势能比n区势能高0.1ev
室温下：kBT 0.026ev
qVD qV ( x) 0.1ev
n0 ( x) nn 0e0.1/0.026
nn 0 50
(2) qV ( x) 0.6ev
p0 ( x) p p 0e0.6/0.026 1010 p p 0
结区的载流子浓度很小，已经耗尽。－耗尽区
n
J
1.雪崩击穿
碰撞电离引起载流子倍增
反偏压很大 势垒区电场很强
碰撞电离使载流子浓度急剧增加的效应为载流子倍增效应
2.隧道击穿(齐纳击穿） 在强电场作用下，发生隧道效应
A: 势垒高度↑↑ B: 能带很倾斜 C: P区价带顶比n区导带底高 D: A点电子能量和B点电子能量相等 E: p区A点电子有一定几率 穿过禁带进入n区导带的B点 F: x 短到一定程度，大量电子从p区 价带通过隧道穿透，进入n区导带 G: 反向电流↑↑，p－n结发生隧道击穿
三.表面电场效应 1.表面电场 （1）表面态与体内电子态之间交换电子 （2）金属－半导体接触 （3）MOS结构和MIS结构
SiO2
sio2
2.空间电荷层及表面势 （1）EF EF
S
S EF
EF
n型
P型
A:电子从体内转移到表面态 －表面受主态 B:正空间电荷层
C:表面势为 VS
VS 0
D:空间电荷层能带弯曲 电子势垒 空穴势阱
电子从n区到p区，空穴从p区到n区的净扩散流
构成从p区到n区的正向电流
2.载流子在势垒区外的运动 （1）非子的注入
在 x 处存在电子的积累，成为p区的非平衡少数载流子
p
在 xn 处存在空穴的积累，成为n区的非平衡少数载流子 外加电压，使非平衡载流子进入半导体的过程 非子电注入 （2）扩散区
A:扩散区长度 扩散长度 Lp或Ln
p0 ( x) NV e
p0 ( x p ) p p 0
{ EF [ Evp qV ( x )]}/ k BT
p p 0 e qV ( x )/ kBT
p0 ( xn ) pn 0 p p 0 e qVD / kBT
4.估算势垒区内某一处的载流子浓度 (1)假如
qVD 0.7ev
雪崩击穿为主 隧道击穿为主
x 1 (ND )
1 2
{7.2 半导体表面
外 表 面
内 表 面
表面状态的变化会影响半导体器件的稳定性、可靠性 利用表面效应可制作MOS器件、CCD器件、表面发光器件等
一.纯净表面和实际表面 纯净表面 没有杂质吸附层和氧化层的理想表面
（1）超高真空下解理 （2）高温加热 （3）离子轰击 实际表面J r J s [1 e qVr / kB ] Vr
J s －反向饱和电流密度
Jr Js
（三）理想p－n结的电流－电压公式 1.小注入 2.突变耗尽层 3.忽略势垒区中载流子的产生和复合 4.载流子分布满足玻尔兹曼分布
J J s [e
qV / kB
1]
二.表面态 （1）从能带角度
当晶体存在表面，在垂直表面方向成了半无限周期势场
表面存在而产生的附加电子能级 －表面能级 对应的电子能态 －表面态
（2）从化学键角度 表面是原子周期排列终止的地方 未饱和键－悬挂键 纯净表面的表面态密度为 1015 cm2
实际表面的表面态密度 1011 ~ 1013 cm2
J n ( xn )＝J n ( x p )
Jn (xp ) q Dn n( x p ) Ln
n( x p ) －x p处非平衡少子电子的浓度
计算J p ( xn )和J n ( x p )归结为计算p( xn )和n( x p )
n( x p )＝n p n p 0
平衡p－n结 正向偏压下
3.反向p－n结的能带图
综合正、反偏压下p－n结的能带图
（1）势垒区和扩散区存在非子 正偏
n P EF EF
n P 这两个区 EF EF
n P EF EF
反偏
n P （2） EF 和EF 在扩散区变化
正偏 反偏
n 0, P 0 n 0, P 0
扩散区存在少子注入 扩散区存在少子抽取
q( n p 0 Dn Ln pn 0 D p Lp )(e
qV f / k BT
1)
V f ，J f 指数式
J S (e
Vf
qV f / kBT
1)
势垒高度
扩散运动
Jf
（二)反向偏压下p－n结的特性
非子的产生 －扩散 －抽取
1.P－n结势垒的变化 在反偏下 Vr 与同向 势垒区加宽 势垒高度增高 漂移运动大于扩散运动 2.少子的抽取 边界处的少子扫向对方，体内补充 少子的抽取
正偏
反偏
2.扩散电容
发生在扩散区
扩散区的电荷数量随 外加电压的变化所产生的电容效应
3.说明 (1)电容值随外加电压变化 可变电容 (2)反偏时，势垒电容为主，扩散电容很小 正偏时，既有势垒电容，也有扩散电容 （3）势垒电容效应明显，扩散电容效应不明显
四.p－n结击穿
VB －击穿电压
J n qnn
B:在该区完成了少子扩散电流 与多子漂移电流的转换
(3)中性区
载流子浓度接近平衡值
主要是多子的漂移电流 通过任一截面 电子电流和空穴电流不相等 电流连续性原理 通过任一截面的总电流相等
J Jn J p
3.正向p－n结能带图
平衡p－n结能带图
正向偏压下p－n结能带图
n (1)势垒区和扩散区存在非子 EF EFp
qVD EFn EFp
1 VD ( EFn EFp ) q
k BT nn 0 ln q np0
利用n p 0 p p 0 ni2
VD
注意n p 0 pn 0 ni2
k BT nn 0 p po ln q ni2
常温下，杂质全电离
nn 0 N D
VD
pp0 N A
第七章 半导体器件物理基础
P－n结 金属－半导体接触
{7.1
P－n结
P－n结的形成 单向导电性 同种材料形成的P－n结 －同质结 不同种材料形成的P－n结 －异质结 一.平衡P－n结 (一) P－n结的杂质分布
pn
p n Ge Ge p n Si Si p n Ge Si
Ga As Ga P
n p 0 nn 0e qVD / kBT
势垒从qVD q(VD V f )
n p nn e
[ q (VD V f )]/ k BT
nn 0e qVD / kBT e
nn nn 0 nn
qV f / k BT
忽略nn
qV f / k BT
nn nn 0
nn 0e[ qVD qV ( x )]/ kBT
V ( xn ) VD
n0 ( xn ) nn 0
n0 ( x) nn 0e[ qVD qV ( x )]/ kBT
V ( xp ) 0
n0 ( x p ) n p 0 nn 0e qVD / kBT
(2)势垒区内x处的空穴浓度
VD
qVD EFn EFp
势垒区
空间电荷区
结区
同为一区域
VD 与哪些因素有关？
( E E )/ k T n区平衡电子浓度 nn 0 NC e C Fn B
P区平衡电子浓度 n p 0 N C e ( EC EFp )/ kBT
nn 0 ( E E )/ k T e Fn Fp B np0 nn 0 1 ln ( EFn EFp ) n p 0 k BT
n p n p 0e
n( x p )＝n p n p 0 n p 0 [e qV
f
/ k BT
1]
同样
p( xn ) pn 0 [eqV
f
/ k BT
1]
J f J n ( x p ) J p ( xn )
Dp Dn qV f / k BT qV / k T q n p 0 (e 1) q pn 0 (e f B 1) Ln Lp
V V f 0 J J f 0 从p区流向n区的正向电流
V Vr 0 J J r 0 从n区流向p区的反向电流
实际p－n结的电流－电压公式与理想有较大的偏差
三.p－n结电容 “存”“放”电荷的特性 1.势垒电容 发生在势垒区
势垒区的空间电荷数量随 外加电压的变化所产生的电容效应
比n区电子的电势能高
qV ( x) (qVD ) qVD qV ( x)
3.势垒区内载流子分布 （1）势垒区内x处的电子浓度
Ecn [ qVD qV ( x )] EF / k BT
n0 ( x) NC e
NC e[ Ecn EF ]/ kBT e[ qVD qV ( x )]/ kBT
二.非平衡p－n结
正向
反向
P－n结的伏安特性
P－n结的单向导电性是因为势垒的存在 （一）正向偏压下p－n结的特性
非子的注入 －扩散 －复合
1.p－n结势垒的变化
外加正向偏压V f 与自建场 反向
势垒高度降低 qVD q(VD V f )
势垒宽度变窄
载流子的扩散运动大于漂移运动
n型 （2）EF EF
S
P型
n型
P型
A:电子从表面态转移到体内 －表面施主态 B:负空间电荷层 C:表面势
VS 0
D:电子势阱 空穴势垒
电子 势阱