第5章 材料的电导性能-5

1、第5章 材料的电导性能 2009.04 4.杂质半导体迁移率和温度的关系 n载流子由于晶格的热振动而被散射，迁移率载流子由于晶格的热振动而被散射，迁移率 与温度与温度T具有具有T-3/2的关系的关系 n离子化的杂质同样散射载流子，杂质含量愈高，离子化的杂质同样散射载流子，杂质含量愈高， 迁移率愈低迁移率愈低 n在高温或低杂质浓度时晶格散射起主要作用，在高温或低杂质浓度时晶格散射起主要作用， 当杂质浓度高时，杂质辐射起主要作用当杂质浓度高时，杂质辐射起主要作用 5.2.3 5.2.3 半导体的表面能级半导体的表面能级 n在材料表面，势场在材料表面，势场 不再与晶体内部的不再与晶体内部的 周期性势

2、场相同，周期性势场相同， 材料表面的电子能材料表面的电子能 级分布发生变化，级分布发生变化， 晶体表面的电子能晶体表面的电子能 够占据禁带内的能够占据禁带内的能 级，从而影响晶体级，从而影响晶体 内部的能带，使能内部的能带，使能 带发生弯曲带发生弯曲 n判断一个系统是否处于平衡状态的依据是看其 费米能级是否相等 n两个分立的材料，费米能级一般不同 n但两个材料连成一个系统，它们之间会发生电 荷移动，最终使费米能级相等 n能带的连续性 n禁带宽度的不可改变性 n由于电子从内部向表面迁移，在表面会出现负由于电子从内部向表面迁移，在表面会出现负 电荷，而接近表面的内部会因缺少电子而出现电荷，而接近表

3、面的内部会因缺少电子而出现 带正电的空穴，使带正电的空穴，使n-型半导体的表面附近出现型半导体的表面附近出现 一个一个p-型的反型层型的反型层 n同理，在同理，在p-型半导体的表面附近会出现型半导体的表面附近会出现n-型反型反 型层。型层。 5.2.4 5.2.4 半导体接触半导体接触 npn结-单向导通 n低掺杂浓度半导体与金属接触-单向导通 n高掺杂浓度半导体与金属接触-非整流接触 1. 金属金属-半导体结半导体结 n能量达到平衡后，费米能级连续 nms时，电子从半导体流入金属 n半导体一侧形成了正的空间电荷层（耗尽层， 势垒层） n金属一侧形成负的表面电荷 n半导体一边能带向上弯曲，形成

4、势垒m-s， 整流结 nms时，情况完全相反 n引起表面电荷积累，结处无势垒，电子来去自 由，欧姆结 n对n-型半导体的整流结，加反向偏压加反向偏压V，半导 体接正极，金属接负极 n加正向偏压加正向偏压V，半导体接负极，金属接正极 n肖特基整流：单向导电性，反向电流很小，单 向导电称为整流。 n肖特基二极管高频特性好，开关速度快，热噪 声很低 n欧姆接触是设计和制造高频、大功率器件的关 键 2. pn结结 npn结：由单晶半导体上相邻的2个区-p型 区和n型区组成 n由于两区的费米能级不同，电子和空穴 的浓度不同，n区的电子扩散进入p区的 未被电子占据态，同时，p区空穴也向n 区扩散。最终使两

5、区的能级发生相对位 移时，当能级的相对移动使两侧费米能 级拉平，动平衡就达到了。 n动平衡的条件： np FF e n在平衡条件下，结的两侧存在接触电势差，n 区的电势比p区高 n对电子而言，p区一侧势能高于n区，形成电子 势垒，阻碍电子向p区扩散 n同理，对从p区向n区扩散的空穴而言，也是势 垒 n势垒的高度为e e。 n在空间电荷区内自由载流子数目很少，称为耗 尽层，又是高阻层 PN结的整流特性 n正向偏压时（p端接电源正极，n端接电源负 极），有较大电流通过 n反向偏压时，只有很小的电流通过 n单向导通 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + +

6、+ + + + + + + + + + + + + 扩散运动扩散运动 内电场内电场E 漂移运动漂移运动 扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。荷区越宽。 内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。间电荷区变薄。 空间电荷区，空间电荷区， 也称耗尽层。也称耗尽层。 漂移运动漂移运动 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动扩散运动 内电场内电场E 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达

7、到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。度固定不变。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间电空间电 荷区荷区 N型区型区P型区型区 电位电位V V0 注意注意: 1. 空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。 2. 空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴。中的空穴。N区区 中中 的电子（的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。 3. P 区中的电子和区中的电

8、子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子），）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。 pnpn结整流原理 n原来p区相对n区的电势为-,如果加电压V0于p 区,则p区相对n区的电势为-(- V0),这时势垒 高度为e(- V0)如果V0为正电压,则能带图中势 垒将降低。 n势垒不再能完全抵消电子和空穴的扩散作用 n在平衡条件下,电子浓度在p区和n区之比为 0 0 exp() n p ne nkT n同理, 在平衡条件下，空穴浓度在p区和n区之 比为 n当施加外电压V0而引起静电势改变 0 0 exp() p n p e pkT () exp o n

9、p eV nn kT n在低注入条件下，注入的少数载流子浓度比多 数载流子浓度小得多，因此 nP区耗尽层边界的电子浓度 n同理有n区耗尽层边界的空穴浓度 0nn nn 0 exp o pp eV nn kT 00 exp1 o nnn eV ppp kT 00 exp1 o ppp eV nnn kT n由于外电压存在，注入的空穴不断向n区扩散， 扩散流为 ，在扩散过程中不断复合消失。 n根据连续性方程，在稳态情况下，由扩散流不 均匀而造成的积累率与非平衡载流子的净复合 率相等，向n区扩散的空穴的积累率为 n净复合率U与多余少数载流子浓度成正比，比 例常数1/p，p为多余少数载流子寿命 n p

10、 dp D dx n p dpd D dxdx n在热平衡下U=0，净符合率U与多余少数载流 子的浓度的关系为 0nn p pp U 0nnn p p dpppd D dxdx 2 0 2 0 nnn pp d ppp dxD n边界条件 n xx时， 00 exp1 o nnn eV ppp kT 0 , nn xpp 时 方程的解 00 exp1 exp on nnn p eVxx ppp kTL ppp LD 空穴在n区的扩散长度 在x=xn时，由空穴产生的电流密度Jp(xn) 0 0 ()exp1 n p n pnpxn p eD dpeV JxeDp dxLkT n同理，进入p区的电

11、流密度Jn(-xp) 0 0 ()exp1 p p npnxp n dn eVeDn JxeDn dxLkT Dn表示电子扩散系数，Ln是电子的扩散长度 通过pn结界面的总电流J为 0 0 ()()exp1 pnnp eV JJxJxJ kT 00 0 pnnp pn eD peD n J LL + + + + RE 一、一、PN 结正向偏置结正向偏置 内电场内电场 外电场外电场 变薄变薄 PN + _ 内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。较大的扩散电流。 二、二、PN 结反向偏置结反向偏置 + + + + 内电场内电场 外电场外电场 变

12、厚变厚 NP + _ 内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反 向电流。向电流。 RE PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 PN 二极管的电路符号：二极管的电路符号： 阴极引线阴极引线 阳极引线阳极引线 二氧化硅保护层二氧化硅保护层 P型硅型硅 N型硅型硅 ( c ) 平面型 平面型 金属触丝金属触丝 阳极引线阳极引线 N型锗片型锗片 阴极引线阴极引线 外壳外壳 ( a ) 点接触型点接触型 铝合金小球铝合金小球 N型硅型硅 阳极引线阳极引线 PN结结 金锑合金金锑合金 底座底座 阴极引线阴极引线 (