半导体的表面界面及接触现象

固体物理量子力学统计物理能带理论平衡半导体载流子输运非平衡半导体pn结MS结异质结双极晶体管pn结二极管肖特基二极管欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT从物理到器件肖特基二极管是金属－半导体结原理制作,具有低功耗、大电流、超高速半导体器件(反向恢复时间极短)具有重掺杂窄带隙的基区，轻掺杂宽带隙的发射区，大大提高了发射结的载流子注入效率。HBT的功率密度高，相位噪声低，线性度好，但它特别适合在低相位噪声振荡器、高效率功率放大器、宽带放大器中应用。根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。

晶体二极管实际上就是一个pn结，三极管是两个靠得很近，背靠背的pn结组成；结型场效应管（如mos管）也是移用pn结的特性工作。

半导体集成电路中，还利用了pn结的有关特性制成了电路中的电阻、电容以及实现电路元器件间的隔离，从而使大规模集成电路的制作成为可能一、p-n结的形成和杂质分布p型半导体和n型半导体结合在一起，在交界面处其杂质分布不均匀，形成pn

结。pn结利用控制杂质分布的工艺方法来实现1．合金法用合金法制备的p-n结一般为突变结；xNNAND突变结的杂质分布xjP+n结pn用扩散法制备的p-n结一般为缓变结，杂质浓度逐渐变化。2．扩散法

0xN(x)NA(x)NDxj扩散结杂质分布由扩散过程和杂质补偿决定pn线性缓变结：在扩散结中，杂质分布可用

x=xj

处的切线近似表示。xxjND-NA线性缓变结近似扩散结的杂质分布但对高表面浓度的浅扩散结，用突变结近似0xNANDN(x)突变结近似扩散结的杂质分布xj{突变结缓变结pn结{合金结高表面浓度的浅扩散结（p+n或n+p)根据杂质分布低表面浓度的深扩散结二、平衡p-n结的特点

1．平衡p-n结的形成

P型材料的多子用ppo表示，少子为npo，N型材料的多子用nno表示，少子用pno表示PN°•_____+++++EJ扩J漂空间电荷空间电荷区（势垒区）内建电场阻碍载流子继续扩散平衡后：J扩=J漂

形成恒定的电场，称为内建场，它存在于结区。处于热平衡状态的结称为平衡结。

2．平衡p-n结的能带及势垒当二者接触后，电子由N

P，空穴由PN,(EF)n

，(EF)p

(EF)n=(EF)p=EFJ扩=J漂有一恒定的电场E，方向由NP

PNEFqVDEVECnpEi(EF)p(EF)n平衡pn结能带图VD－－平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差，称为pn结的接触电势差或内建电势差qVD－－

相应的电子电势能之差，即能带的弯曲量，称为pn结的势垒高度势垒高度补偿了n区和p区的费米能级之差，使平衡pn结的费米能级处处相等。0xxnx-xpV(x)VD平衡pn结中电势取p区电势为零对电子：P区电势比n区电势高xqV(x)平衡pn结中电势能EvppnEFEvnEcn-xpoxxnEcp-qVD假设：P区：Ec=EcpEv=Evpno=npopo=ppoN区：Ec=EcnEv=Evnno=nnopo=pno同质p-n结:3.pn结的接触电势差(内建电势）平衡时：ppo=NA,nno=ND

T一定，NA,ND

,则VD

Eg

,ni,则VD

例：若NA=1017cm-3,ND=1015cm-3

则得室温下Si的VD=0.70VGe

的VD=0.32Vpn结平衡时特点

势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消整个pn结出现统一的费米能级能带弯曲－－势垒高度4.平衡时pn结载流子分布x

处的电子浓度

x

处的空穴浓度

设V(xn