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半导体光电材料基础 - glearningtjueducn

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1半导体的基础知识课件

1半导体的基础知识课件
在本征半导体中掺 了P型半导体， 也称为
因三价杂质原子在 子而在共价键中留下一
P型半导体示意图
15:00。
P 共价键
形成。
空穴 惯性核 为负离子 结构示意 空穴
图1.5 P型半导体的结构示意图
一个电子成 半导体的
模
拟电 子技术
15:00。
3.杂质对半导体导电性的影响
掺入杂质对本征半导体的导电性有很大 的影响， 一些典型的数据如下：
T=300 K室温下，本征硅的电子和空穴浓度： n=p=1.4×1110/cm³
掺 杂 后N 型半导体中的自由电子浓度： n=5×1116/cm³
③ 本征硅的原子浓度： 4.96×1022/cm³
以上三个浓度基本上依次相差106/cm³。
模 拟 电子技术
三、 PN结
1.PN结的形成 2.PN结的单向导电性 3.PN结的电容效应
两种击穿：齐纳击穿（击穿电压小于6伏） 雪崩击穿（击穿电压大于6伏）
自由电子的定向 运动形成了电子电流， 空穴的定向运动也可 形成空穴电流，它们 的方向相反。只不过 空穴的运动是靠相邻 共价键中的价电子依 次充填空穴来实现的。 见图1.3的动画演示。
图1.3 空穴在晶格中的移动
(动画1-2)
模 拟 电子技术
二、杂质半导体
1.N型半导体
2.P型半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂 质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入 的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本 征半导体称为杂质半导体。
模 拟 电子技术
15:00。
图1.2本征激发和复合的过程(动画1-1)
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电 子也可能回到空穴中去，称为复合， 如图1.2所示。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

光电半导体的基础知识

光电半导体的基础知识

光电半导体的基础知识嘿，朋友！咱今天来聊聊光电半导体这神奇的玩意儿。

你知道吗，光电半导体就像是一座神秘的城堡，里面藏着无数的宝藏和秘密。

它在我们的生活中可是扮演着超级重要的角色呢！光电半导体，简单来说，就是一种既能发光又能感光的材料。

这就好比一个能说又能听的机灵鬼，厉害吧？比如说发光二极管，就是光电半导体的一个杰作。

你想想，那些五颜六色的灯光，照亮了我们的城市夜晚，让整个世界变得绚丽多彩，这可都是它的功劳呀！再比如说太阳能电池板，这也是光电半导体的杰作之一。

它就像一个勤劳的小蜜蜂，不停地把太阳光转化为电能，为我们的生活提供源源不断的能量。

你能想象没有太阳能电池板，我们的一些清洁能源设备该怎么办吗？那光电半导体是怎么工作的呢？这就好比一场精彩的舞蹈表演。

电子在半导体材料中，就像一个个灵动的舞者，在特定的条件下，它们欢快地跳跃、流动，从而实现了光电的转换。

比如说，在发光二极管中，电子和空穴相遇，就像两位默契的舞伴相拥，释放出美丽的光芒。

而在太阳能电池板中，光子的能量就像一股强大的风，吹动着电子向前奔跑，产生电流。

要理解光电半导体，我们还得知道一些关键的概念，比如能带结构。

这就好像是一座大楼的楼层布局，不同的楼层有着不同的功能和限制。

导带和价带就像是高层和底层，电子要从价带跳到导带，才能发挥出神奇的光电作用。

还有半导体的掺杂，这就像是给一道菜加调料。

适量的掺杂可以让半导体的性能变得更加出色，就像恰到好处的调料能让菜肴更加美味一样。

光电半导体的应用那可真是广泛得让人惊叹！从我们日常用的手机屏幕、电脑显示器，到医疗设备中的激光治疗，再到航空航天领域的精密仪器，哪一个能离得开它？你想想，如果没有光电半导体，我们的手机屏幕可能还是那种模糊不清的黑白屏，哪有现在这么清晰亮丽的色彩和高清的画质？没有它，医生在治疗疾病时可能也会缺少很多先进的手段，那得多可怕呀！总之，光电半导体就像是一位默默奉献的超级英雄，虽然它不常出现在我们的视野中，但却在背后为我们的生活带来了巨大的改变和便利。

半导体光电材料基础-1

半导体光电材料基础-1

量子论的提出 几率波 薛定谔方程 氢原子能量本征值及能量本征函数 原子核外的电子排布
早期量子论的提出

1900年，普朗克首先提出“量子(quantum)”假设，从理 论上导出黑体辐射公式，与观测结果极为吻合。——电 磁辐射能量不连续 E h , p h
1905年，爱因斯坦试图用量子假设去解释光电效应实验 的疑难，提出“光量子(light quantum)”概念。——光 具有粒子性 19121913年，玻尔提出原子结构的量子论，成功地说 明了氢原子线状光谱实验结果。 ——分立能级、量子 跃迁


电子运动状态的完全描述
n，l，m三个确定的量子数组成的一套参数 即可描述出一种波函数的特征，确定了电子云的 特征。 但要完全描述核外电子的运动状态还须确定 第四个量子数：自旋量子数ms，只有四个量子都 完全确定后，才能完全描述核外电子的运动状态。
原子核外电子排布

能量最低原理 核外电子在原子轨道上的排布，应使整个原子的 能量处于最低状态。即填充电子时，是按照近似能级 图中各能级的顺序由低到高填充的。

薛定谔的波动力学 (1926) —— 揭示微观体系中粒子 的运动规律。
波函数的统计诠释 —— 几率波

波函数 (r , t ) —— 描述一个微观粒子的量子态。

波恩的几率波 (1926)：将微观粒子的 “粒子性”与 “波动性”统一起来。“粒子性”指具有一定的质量和 电荷，但不同于经典粒子的概念，与“粒子有确切的轨 道”无关；“波动性”指波的叠加性，但不同于经典波， 并不是某种实在的物理量在空间的波动。 (r , t ) 也称为几率波幅。
课程主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 半导体光电材料概述 半导体中的电子状态 半导体中的光发射 半导体的光生伏特效应 半导体光电材料和器件举例（荧光量

半导体光电材料基础

半导体光电材料基础
Outline
Chap. 1 Introduction Chap. 2 Basics of Semiconductor Physics Chap. 3 P-N Junctions Chap. 4 Metal-Semiconductor Junctions Chap. 5 Semiconductor Heterojunctions Chap. 6 Semiconductor solar cells & Photodiodes Chap. 7 Light Emitting Diodes & Semiconductor Lasers Chap. 8 Quantum Dots for Biological Fluorescent Probes
reducing space charges
barrier region width reduces
VD
and potential barrier lowers.
Drift current is reduced and diffusion current is favorable large current.
minorities exist.
In hole diffusion region, the
Electron Diffusion
Region
Barrier Region
V +-
Hole Diffusion Region
Fermi level of electrons is unchanged.
Large change in the hole density Quasi-Fermi
Fabrication process of a p-n junction with Si single crystals

半导体技术基础课件

半导体技术基础课件

杂质与掺杂效应
杂质
半导体材料中的杂质对其电学性质具有重要影响，如五价元素磷、砷在硅中的掺杂形成n型半导体，三价元素硼 、铝在硅中的掺杂形成p型半导体。
掺杂效应
通过掺杂可以改变半导体的导电类型、电阻率、迁移率等电学性质，实现对半导体性能的调控。
02 半导体器件原理
PN结与二极管
PN结形成
介绍P型半导体、N型半导体及 PN结的形成过程，阐述PN结的
和工艺性能。
化学分析方法
光谱分析
利用红外光谱、拉曼光谱等手段分析材料的化学键、官能团和化 学组成。
元素分析
采用能谱仪、辉光放电质谱等方法测定材料中元素的种类和含量 ，评估材料的掺杂和合金化程度。
化学腐蚀法
利用化学腐蚀法研究材料的晶界、位错等微观结构，揭示材料的 晶体缺陷和生长机制。
06 半导体器件应用 与发展趋势
熟悉模拟电路（如放大器、滤波器、振荡 器等）的设计原理和方法，以及模拟信号 处理基础知识。
制版技术与工艺流程
制版技术
掌握光刻、刻蚀、薄膜沉积等制 版技术的基本原理和工艺流程， 以及制版材料的选择和性能要求
。
芯片制造工艺流程
熟悉芯片制造工艺流程，包括晶圆 制备、芯片加工、划片与封装等环 节，以及各环节的工艺要求和质量 控制。
01
双极型晶体管结构
介绍双极型晶体管（BJT）的基本结构，包括发射极、基极和集电极等
部分，阐述NPN型和PNP型晶体管的区别。
02
双极型晶体管工作原理
详细讲解BJT的工作原理，包括电流放大系数、基极电流对集电极电流
的控制作用等，介绍放大区和饱和区的特点。
03
双极型晶体管特性与应用
讲解BJT的输入特性、输出特性和电流电压放大倍数等参数，举例说明

半导体光电材料基础课件

半导体光电材料基础课件

26
5.3 异质pn结的注入特性
（2） 异质pn结的超注入现象
p区和n区电子浓度之比:
n1 n2
exp
Ec2 Ec1 k0T
只要n区导带底比p区导带底高出的值较k0T 大一倍,则n1比 n2大近一个数量级。
超注入现象是异质结特有 的另一重要特性,可实现异 质结激光器所要求的粒子 数反转条件,在半导体异质 结激光器中得到重要应用。
对于 两N种s 相N 同s1晶体Ns结2 构材料形成的异质结，交界面 处悬挂键密度Ns取决于晶格常数和作为交界面的
晶面。
2021/3/28
13
5.1 异质结及其能带图
（2）考虑界面态时的能带图
+-
对于n型半导体,悬挂键起 受主作用,受主型界面态施 放空穴后带上负电荷，因 此表面能带向上弯曲。
N型 -+
P型 2021/3/28
N型
交界面两边形成空间电 荷区(x1-x2),产生内建电 场。
两种半导体材料的介电
常数不同,因此内建电场
在交界面处(x0)不连续。
空间电荷区中的能带特
点:1）能带发生弯曲，
尖峰和势阱，个突变。
6
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图
24
5.3 异质pn结的注入特性
（1） 异质pn结的高注入特性
例如:宽禁带n型 Al0.3Ga0.7A和s 窄禁带p型GaAs组成异质pn结。 p区掺杂浓度为: 21019cm3,n区掺杂浓度为: 51017cm3
E0.3e7V
可得,
Jn Jp
N ND A12expk0E T4104
表明即使禁带宽n区掺杂浓度比p区低近两个数量级,但注入 比仍可高达4104。

半导体光电材料基础课件


• 室温下，由于与声子相互作用较强，D-A对发光的线
光谱很难被观测到；但在低温下可以很明显地观察
到D-A对发射的线光谱。
半导体光电材料础
1
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
4）通过深能级的复合
• 电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远 小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。
半导体光电材料基础
3
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
5）激子复合
• 根据束缚程度不同，激子分为两类： 1. 弗伦克尔（Frenkel）激子或紧束缚激子：其半径为
晶格常数量级。 2. 万尼尔（Wannier）激子：电子和空穴束缚较弱，二
者之间距离远大于晶格常数。通常半导体中存在的 是万尼尔激子。
✓ 等电子杂质原子和晶格基质原子之间电负性的大小关 系决定了该等电子陷阱是电子的束缚态还是空穴的束 缚态。
✓ 等电子杂质的电负性>（<）晶格原子的电负性，形成 电子(空穴)的束缚态，该等电子陷阱称为等电子的电 子（空穴）陷阱，该杂质称为等电子受主（施主）。
✓ 例如：N原子取代GaP中的P原子：形成电子的束缚态，
如在GaP中，高浓度的S形成一个施主带，其中电子容
易形成束缚激子，俄歇过程有两种可能性：1）S杂质带的电
子激发进入导带；2）激子半导电体光子电材激料基发础 进入导带。
23
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.2 非辐射复合过程
3）表面复合
• 晶体表面处存在能从周围吸附杂质的悬挂键， 能够产生高浓度的深能级和浅能级，可以充当 复合中心。
V(x) V0
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合

半导体光电材料基础-4


7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.2 非平衡载流子的辐射复合
2）浅能级和主带之间的复合


浅施主与价带空穴的复合 浅受主与导带电子的复合
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.2 非平衡载流子的辐射复合
3）施主-受主对（D-A对）复合

施主和受主在晶体中一般是被离化的，施主是一些 正电中心，受主是负电中心，若二者同时进入晶格， 库伦引力使二者趋于有序分布并结成近邻或较近邻 的对。 施主-受主对的复合时施主俘获 的电子和受主俘获的空穴之间 的复合。 它是辐射能量小于禁带宽度的 一种重要的复合发光机制，也 称为D-A对复合。
*
氢原子的基态电离能。
EH mq
2 4 2
价带顶
8 0 h
1 3 .6 (e V )
晶体的相对 介电常数
电子和空穴的有 1 * 1 * 1 * mr mn mp 效折合质量 空穴的有 效质量
激子能级是分立的。 电子的有 n=1:激子的基态能级； 效质量 n=时，激子能级=0，相当于导带 底，电子和空穴完全摆脱了束缚。
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.2 非平衡载流子的辐射复合
3）施主-受主对（D-A对）复合

不同杂质原子和他们的替位状态会造成D-A对电离能的不 同。例如：对于GaP，如果同时含有O和C杂质原子，O 施主和C受主杂质替代P的位置，在T=1.6K时，施主和受 主电离能之和为941meV；若同时含有O和Zn杂质原子， O施主杂质是P替位，Zn受主杂质是Ga替位，在1.6K时， 施主和受主电离能之和为956.6 meV。
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.2 非平衡载流子的辐射复合
6）等电子陷阱复合

半导体光电材料基础-2PPT课件


.
10
2.4.3 能带中的电子和空穴浓度
➢ 载流子浓度乘积 np：
npN cN vexp E c K T E v N cN vexp K E T g
✓ 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关，只决定 于带隙和温度，与所含杂质无关。
✓ 对于一定的半导体材料，在一定温度下，乘积np 是定值。
✓ 适用于热平衡状态下的本征半导体和杂质半导体。
✓ 外加电场不太强时，漂移电流满足欧姆定律 j=E， 为电导率。
✓ 电子电导率n=nqn——N型半导体（n>>p） ✓ 空穴电导率p=pqp ——P型半导体（p>>n） ✓ 半导体的电导率=q(nn+pp)
.
27
2.5.3 载流子的扩散运动和扩散电流
➢ 扩散运动：当半导体中出现不均匀的载流子分布 时，载流子将由浓度高的区域向浓度低的区域运 动，产生的电流称为扩散电流。
jnn qnE q D n n jpp qpE q D p p
➢ 总电流密度： j jn jp
对于分析器件在低电场状态下的工作情形
非常重要。然而在很高的电场状态下，电子和空
穴的漂移速度应该以饱. 和速度替代。
29
2.半导体物理基础
2.1 孤立原子中电子的运动状态 2.2 半导体中电子的运动状态和能带 2.3 杂质和缺陷能级 2.4 载流子的统计分布 2.5 半导体的导电性 2.6 非平衡载流子
级之下。受主浓度越高，费米能级越靠近价带顶。
温度升高，费米能级. 逐渐远离价带顶。
18
2.4.5 杂质半导体的载流子浓度
➢ 杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质。
✓ 由于施主能级上的电子首先要填充受主能级，使 施主向导带提供电子和受主向价带提供空穴的能 力减弱。

半导体基础知识PPT


03
半导体器件
二极管
工作原理
二极管是由一个PN结组成的电子器件， 具有单向导电性。在正向偏置时，电流可 以流通；而在反向偏置时，电流被阻止。
应用
类型
常见的二极管类型有硅二极管和锗二 极管，它们在电气性能上略有差异。
二极管在电子线路中广泛应用，如整 流、检波、开关等。
三极管
1 2
工作原理
三极管是由两个PN结组成的电子器件，具有电 流放大作用。通过调整基极电流，可以控制集电 极和发射极之间的电流。
感谢观看
半导体的导电机制主要是由其 内部的电子和空穴的运动决定 的。
半导体的特性
半导体材料的导电能力受温度、光照、电场等因素影响，具有热敏、光敏、掺杂等 特点。
半导体的电阻率可在很大范围内变化，通过改变温度、光照、电场等条件，可以控 制其电阻率的变化。
半导体的载流子类型和浓度决定了其导电性能，可以通过掺杂等方式改变载流子类 型和浓度。
物理沉积
通过物理过程如真空蒸发、溅 射等，将所需材料沉积在晶圆
表面形成薄膜。
化学气相沉积
利用化学反应在晶圆表面生成 所需材料的薄膜。
外延生长
在单晶基底上通过控制温度、 气体流量等参数，使薄膜按照 单晶的晶体结构生长。
离子注入
将离子化的材料注入到晶圆内 部的特定区域，形成具有一定
特性的薄膜。
掺杂与刻蚀
功耗具有重要意义。
集成电路设计
01
02
03
人工智能辅助设计
利用人工智能技术进行集 成电路自动化设计，提高 设计效率和准确性。
异构集成技术
将不同工艺类型的芯片集 成在一个封装内，实现高 性能、低功耗的系统级芯 片。
定制化设计
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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 ，