第11讲5-4半导体物理III能带理论在半导体中的应用

5.1概述5.2材料的导电性能5.4半导体物理5.3金属电导5.5超导物理2个学时4个学时4个学时第5章导电物理2个学时10个学时5.4半导体物理5.4.1半导体与p-n结5.4.2半导体的物理效应5.4.3能带理论在半导体中的应用5.4.4半导体陶瓷的缺陷化学理论基础5.4.3能带理论在半导体中的应用5.4.3.1半导体的表面能级5.4.3.2半导体与半导体的接触5.4.3.3半导体与金属的接触5.4.3.1半导体的表面能级能带结构是在无限扩展的3维晶体产生的周期场的前提下得到的。在材料的表面势场不再与晶体内部的周期性势场相同，所以材料表面的电子能级分布就会发生变化。表面结构图5.29晶体表面的能带结构图5.30n型半导体的表面能级判断一个系统是否处于平衡状态的根据是看其费密能级是否相等。两个分立的材料，费密面可以不一样。但如果这两个材料连成一个系统，就会在这两个材料之间发生电荷的移动，最终使费密能级相等。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带正电荷的空穴。这些空穴的存在，使n型半导体的表面附近出现了一个p型的反转层。在能带结构图中，电子的能级向上为越来越高，空穴的能级向下为越来越高。如果外来的射线将价带的电子激发到导带，同时在价带留下空穴。这些激发电子就会向半导体内部移动，而空穴则会向半导体表面移动。图5.31p型半导体的表面能带结构5.4.3.2半导体与半导体的接触p-n结图5.32p-n结在结合瞬间的能级状态图5.33热平衡状态下的p-n(a)扩散电位;(b)杂质浓度;(c)载流子浓度；(d)空间电荷以接触面为界限，n型区域有一个带正电的空间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层，这个空间电荷层产生一个自建电场。逆着自建电场的方向，即p型区域为正电位，n型区域为负电位时（正向偏置电压），消弱势垒区的电场强度，载流子容易流动。而顺着自建电场的方向，即p型区域为负电位，n型区域为正电位时，载流子不容易流动。这就是p-n结整流的原理。p-n结整流的原理当太阳光射入到p-n结时，p型区域和n型区域都有可能出现电子激发现象。n型区域的价带电子被激发到导带上后，就停留在n型的导带上，而在n型价带上同时形成的空穴会迁移到能量更稳定的p型的价带上去。p型区域的价电子被激发到导带上后，将迁移到能量更稳定的n型的导带上，而在p型区域价带上同时形成的空穴则停留在该价带上。p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是能够在空间位置上将正负电荷分离开来。如果在p-n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可以通过回路相互结合，这就是太阳能电池。太阳能电池可以将两个禁带宽度不同的半导体材料组成p-n结，这种由不同材料组成的p-n结又称异质结。此时，禁带较宽的半导体将吸收波长较短的光线，禁带较窄的半导体则吸收波长较长的光线，可以利用的太阳光波长范围更大，从而增加了太阳能利用效率。由于短波光线的穿透能力差一些，所以此时一般都将禁带宽度较宽的半导体设计在朝向太阳光一侧，这种半导体又称为电池的窗口材料。异质结图5.34异质结的光伏特效应原理5.4.3.3半导体与金属的接触典型的金属与半导体接触有两类：一类是整流接触，即制成肖特基势垒二极管，另一类是非整流接触，即欧姆接触。半导体与金属的接触状态与这两种材料的功函数有关。所谓材料的功函数，是指材料的费密能级与真空能级之间的差值。图5.35金属与n型半导体的整流接触(a)接触前(b)接触后如果加上偏压，使金属与负极连接，半导体与正极连接，电子在此偏压的作用下从金属流向半导体，要越过一个很大的势垒。故此时为反向偏压，电流很小。如果使金属与正极连接，半导体与负极连接，电子在此偏压下从半导体流向金属，要越过的势垒较小，此时为正向偏压，电流较大。所以这样的金属与半导体接触状态具有整流效应。n型半导体与金属接触的情况假设ФMФS图5.36金属与p型半导体的整流接触肖特基势垒二极管高频特性好，开关速度快，由于它是杂质引起的多数载流子在起作用，不是由于热产生的本征激发的少数载流子起作用，所以热噪声很低。欧姆接触当n型半导体与金属接触，且ФMФS时此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导体，使金属表面带正电。半导体表面因积累电子而带负电，半导体内部电子增多而费密能级上升。当半导体和金属的费密能级相等时，电子停止流动，达到平衡状态。半导体表面能带向下弯曲，金属与半导体界面没有势垒。无论所加的偏压极性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导体与金属的接触状态称为欧姆接触当p型半导体与金属接触，且ФMФS时，也形成欧姆接触。实际工作中，常通过重掺杂半导体与金属接触，使其势垒很薄，电子可以通过隧道效应穿过势垒，从而形成欧姆接触。欧姆接触是设计和制造超高频、大功率器件的关键问题，因为半导体元件都需要通过电极引线与外部电路进行电学连接，而欧姆接触效应则广泛地应用于这些电极引线的设计生产中。