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1南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系第第2 2章章 固态有源微波元器件固态有源微波元器件 本章主要介绍广泛应用于微波电子线路的本章主要介绍广泛应用于微波电子线路的各种固各种固态有源微波元器件态有源微波元器件，主要包括属于微波二极管的，主要包括属于微波二极管的PNPN结结管管、肖特基结管、变容管、阶越恢复管、雪崩管、体肖特基结管、变容管、阶越恢复管、雪崩管、体效应管、效应管、PINPIN管管等，属于微波三极管的双极晶体管及异等，属于微波三极管的双极晶体管及异质结管、场效应管以及高电子迁移率晶体管等。它们质结管、场效应管以及高电子迁移率晶体管等。它们是构成各种微波电子线路功能组件，如微波混频器、是构成各种微波电子线路功能组件，如微波混频器、微波变频器、微波放大器、微波振荡器和微波控制电微波变频器、微波放大器、微波振荡器和微波控制电路的核心。路的核心。 2南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系2.1 半导体基础半导体基础1. 半导体的概念及分类半导体的概念及分类2.1.1 半导体基础半导体基础半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。 810m1010m510m410m金属金属 半导体半导体 绝缘体绝缘体 半导体的性质：半导体的性质：负温度系数负温度系数；两种载流子；对掺杂敏感；光敏特性；温差电效；两种载流子；对掺杂敏感；光敏特性；温差电效 应大；应大； 非对称导电特性非对称导电特性3南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体材料种类：半导体材料种类：4南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础2. 半导体共价键模型和能带模型半导体共价键模型和能带模型 共价键模型能够直观地说明半导体所具有的很多性质，但不能作共价键模型能够直观地说明半导体所具有的很多性质，但不能作深入的定量讨论，而能带模型可以使我们对于半导体的理解比较深入，深入的定量讨论，而能带模型可以使我们对于半导体的理解比较深入，因此一般要综合运用两种模型来展开讨论。因此一般要综合运用两种模型来展开讨论。 金刚石结构金刚石结构原子原子共价键共价键GaAs一个一个GaGa原子由位于正四面体的四个顶原子由位于正四面体的四个顶角的角的AsAs原子包围着，而一个原子包围着，而一个AsAs原子也原子也由位于正四面体的四个顶角的由位于正四面体的四个顶角的GaGa原子原子包围着，但形成四个共价键的八个电包围着，但形成四个共价键的八个电子子三个来自于三个来自于IIIIII族原子，五个来自族原子，五个来自于于V V族族，形成键的两个电子在原子间，形成键的两个电子在原子间的分布并非完全对称，偏向于两个原的分布并非完全对称，偏向于两个原子中的一个，含有子中的一个，含有“离子键离子键”的成分。的成分。 5南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体的能带结构半导体的能带结构导带导带价带价带禁带禁带gE半导体基础 从原子模型可以知道，核外每个电子的能量都不是任意的，从原子模型可以知道，核外每个电子的能量都不是任意的，而是只能取而是只能取一系列分立的确定值一系列分立的确定值，不同的轨道对应不同的能量不同的轨道对应不同的能量。 电子能量只能取一系列分立值的这种特征叫做电子能量只能取一系列分立值的这种特征叫做电子能量电子能量“量量子化子化”，量子化的能量值称为，量子化的能量值称为“能级能级”，把能级用一段横线表示，把能级用一段横线表示，按能量由小到达，把能级从下往上排列起来，即可构成原子中按能量由小到达，把能级从下往上排列起来，即可构成原子中电子的电子的能级图能级图。 价带：价带： 温度为绝对零度时，电子的能量较温度为绝对零度时，电子的能量较 低，都位于低能带上，而且恰好把低，都位于低能带上，而且恰好把 低能带填满；低能带填满；导带：导带： 能量较高的能带；能量较高的能带；禁带：禁带： 这两个能带之间存在着空隙，在空这两个能带之间存在着空隙，在空 隙所占的能量范围内，是不存在隙所占的能量范围内，是不存在 任何电子的能量状态的。任何电子的能量状态的。 6南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础3. 半导体的本征激发半导体的本征激发半导体的本征激发半导体的本征激发自由电子自由电子 “空位空位”（空穴）（空穴）完整的共价键完整的共价键 无电流无电流 电中性电中性 q q电子移动电子移动 出现出现q q电荷电荷 电场电场 电流电流 这一空位可以看作是一个带有电量的粒子，这一空位可以看作是一个带有电量的粒子，称为称为“空穴空穴” 自由电子和空穴统称为自由电子和空穴统称为“载流子载流子” “本征激发本征激发”：原来束缚在键上的电子接原来束缚在键上的电子接受了足够的能量之后，挣脱约束形成一个受了足够的能量之后，挣脱约束形成一个自由电子和一个空穴自由电子和一个空穴电子电子- -空穴对的空穴对的过程过程 7南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础激发能量激发能量： 金刚石为金刚石为5.47eV，硅为，硅为1.12eV，而锗为，而锗为0.66eV 相同能量下不同材料中本征载流子（由本征激发所产生的相同能量下不同材料中本征载流子（由本征激发所产生的载流子，自由电子与空穴成对出现）的浓度就不同，材料的电载流子，自由电子与空穴成对出现）的浓度就不同，材料的电阻率也就不同，金刚石可达阻率也就不同，金刚石可达 ，而锗只有，而锗只有 ，可见，可见绝缘体与半导体并没有本质区别。绝缘体与半导体并没有本质区别。 1010m45. 0m“复合复合” ：如果一个自由电子和一个空穴在移动中相遇，或者：如果一个自由电子和一个空穴在移动中相遇，或者说一个挣脱了键的束缚的电子，又正好落到一个键上电子的空说一个挣脱了键的束缚的电子，又正好落到一个键上电子的空位上去，就会造成一对自由电子和空穴同时消失位上去，就会造成一对自由电子和空穴同时消失 。 半导体激发的能带示意图半导体激发的能带示意图导带导带价带价带禁带禁带空穴空穴电子电子 研究证明只有当能带中填有电子，研究证明只有当能带中填有电子，而又未被电子填满时，半导体具有导而又未被电子填满时，半导体具有导电能力。电能力。 8南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础 设设 和和 为半导体中热平衡状态下电子和空穴的浓度，它们遵从为半导体中热平衡状态下电子和空穴的浓度，它们遵从费米（费米（FermiFermi）统计而有：）统计而有： 0n0pkTEENnFccexp0kTEENpvFvexp0引入符号引入符号 表示本征情况下的费米能级表示本征情况下的费米能级: : iE00ln2pnkTEEiFcvvciNNkTEEEln22在本征激发状态下，用在本征激发状态下，用 表示本征浓度，表示本征浓度， ininpn00200inpn这一关系也被当作动态平衡条件成立的标志。这一关系也被当作动态平衡条件成立的标志。 kTEEnniFiexp0kTEEnpFiiexp0Nc（Nv）为导带底（价带顶）的有效能量密度）为导带底（价带顶）的有效能量密度9南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础4. 掺杂掺杂半导体中杂质的作用半导体中杂质的作用SiSiSiSiSiSiSiP 杂质电离所需的能量仅为杂质电离所需的能量仅为0.044eV0.044eV，比室温下硅本征激发所需能量比室温下硅本征激发所需能量1.12eV1.12eV低的多，电子称为低的多，电子称为“多数载流子多数载流子”，简，简称为称为“多子多子”，空穴称为，空穴称为“少数载流子少数载流子”，简称简称“少子少子”，以电子为多子的半导体，以电子为多子的半导体，称为称为N N型半导体型半导体，给出电子的杂质称，给出电子的杂质称为为“施主施主”。 半导体中杂质的作用半导体中杂质的作用SiSiSiSiSiSiSiB杂质硼原子电离能仅为杂质硼原子电离能仅为0.045eV0.045eV “受主受主” 10南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础掺杂施主杂质能级图掺杂施主杂质能级图导带底导带底价带顶价带顶禁带禁带施 主 能施 主 能级级掺杂施主后费米能级掺杂施主后费米能级导带底导带底价带顶价带顶费米能级费米能级DEgEcENFEvE掺杂受主杂质能级图掺杂受主杂质能级图导带底导带底价带顶价带顶禁带禁带受主能级受主能级掺杂受主后费米能级掺杂受主后费米能级导带底导带底价带顶价带顶费米能级费米能级AEgEcEPFEvEED施主电离能施主电离能费米能级提高费米能级提高11南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础 多子浓度与少子浓度满足反比关系：多子越多，少子就越少。多子浓度与少子浓度满足反比关系：多子越多，少子就越少。一般都近似把室温下掺杂半导体中的多子浓度看作等于掺入的杂质一般都近似把室温下掺杂半导体中的多子浓度看作等于掺入的杂质浓度，即在浓度，即在N N型半导体中型半导体中 （施主浓度），在（施主浓度），在P P型半导体型半导体中中 （受主浓度），则（受主浓度），则N N型半导体中与型半导体中与P P型半导体中少子浓型半导体中少子浓度分别为度分别为: : DNNn0APNp0DiNNnp20AiPNnn205. 载流子的运动载流子的运动载流子漂移与漂移电流载流子漂移与漂移电流 指由漂移运动产生的电流，电子和空穴的漂移电流密度可表示为：指由漂移运动产生的电流，电子和空穴的漂移电流密度可表示为： qvnJnn漂qvpJpp漂12南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系AqvnInn漂 AqvpIpp漂 AqvpqvnIIIpnPn漂漂漂UAqvnnUAqvpp 均匀掺入杂质的半导体的导电特性服从欧姆定律，即流过半导体的均匀掺入杂质的半导体的导电特性服从欧姆定律，即流过半导体的电流强度正比于半导体两端的电压：电流强度正比于半导体两端的电压： lEUEvnEvpEvnnEvpp电子和空穴的电子和空穴的“迁移率迁移率” 迁移率是单位电场强度下载流子的平均漂移速度，它反映了载流迁移率是单位电场强度下载流子的平均漂移速度，它反映了载流子在半导体内作定向运动的难易程度，其单位为子在半导体内作定向运动的难易程度，其单位为 或或 。 sVm2sVcm2 在一定电场强度范围内，迁移率是一个与电场强度无关的常数，在一定电场强度范围内，迁移率是一个与电场强度无关的常数，当电场增大到一定程度以后，迁移率将随着电场增加而下降，载流当电场增大到一定程度以后，迁移率将随着电场增加而下降，载流子漂移速度也将趋近于饱和值。子漂移速度也将趋近于饱和值。 半导体基础13南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系EqAnInn漂 EqApIpp漂 pnpnPnpnAlUqpnqEAIII漂漂漂载流子扩散与扩散电流载流子扩散与扩散电流 微粒自动从高浓度的地方向低浓度的地方迁移的现象称为微粒自动从高浓度的地方向低浓度的地方迁移的现象称为“扩散扩散”，它也是微粒的一种定向运动，可称之为它也是微粒的一种定向运动，可称之为“扩散流扩散流”。这种载流子的扩散。这种载流子的扩散运动将形成电荷的迁移，这就是运动将形成电荷的迁移，这就是“扩散电流扩散电流”。 dxdnDqJnn扩dxdpDqJpp扩dxdnADqInn扩 dxdpADqIpp扩D D 称为扩散系数，表达了扩散的程度。称为扩散系数，表达了扩散的程度。 半导体基础14南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系漂移和扩散的关系漂移和扩散的关系 迁移率迁移率 反映了半导体中载流子在电场作用下定向运动的难易程度，反映了半导体中载流子在电场作用下定向运动的难易程度，而扩散系数而扩散系数 反映了载流子扩散的本领大小。反映了载流子扩散的本领大小。 DqkTDDppnn爱因斯坦关系爱因斯坦关系 dxdnqDEqnJJJnnnnn扩漂dxdpqDEqpJJJppppp扩漂kTDqdxdnEkTnqqDJnndxdpEkTpqqDJPpAdxdnqDEqnIIInnnnn扩漂 AdxdpqDEqpIIIppppp扩漂半导体基础15南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系1. PN1. PN半导体的接触电势差与势垒半导体的接触电势差与势垒 2.1.2 PN结结半导体基础 在同一块半导体中，一部分呈现在同一块半导体中，一部分呈现P P型，另一部分呈现型，另一部分呈现N N型，型，P P型区与型区与N N型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为PNPN结，它是许多半导体器结，它是许多半导体器件的核心部分。件的核心部分。 P P区区N N区区空间电荷区空间电荷区结结电离受主电离受主电离施主电离施主PNPN结空间电荷区结空间电荷区 位置不能自由移动的电离位置不能自由移动的电离杂质在杂质在“结结”的两侧附近形成的两侧附近形成了带异性电荷的了带异性电荷的“空间电荷空间电荷层层”，将产生，将产生“内建电场内建电场”，此电场的方向为由此电场的方向为由N N指向指向P P。 16南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础P P区区N N区区空间电荷区空间电荷区结结PNPN结接触电势差结接触电势差电势电势电子势能电子势能空穴势能空穴势能P P区区N N区区PNPN结接触势垒的形成结接触势垒的形成P P区区N N区区NFEPFEcEvEcEvENFEPFEqPNNPiADnnqkTppqkTnNNqkT00002lnlnln17南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础2. PN2. PN结的整流特性结的整流特性 使问题简化的假设：使问题简化的假设： 假设外加电压全部用来改变势垒高度，即外加电压全部降落在空假设外加电压全部用来改变势垒高度，即外加电压全部降落在空 间电荷区。在空间电荷区以外的半导体中性区内，电压降为间电荷区。在空间电荷区以外的半导体中性区内，电压降为0 0， 电场强度为电场强度为0 0。因此在空间电荷区之外，载流子只做扩散运动。因此在空间电荷区之外，载流子只做扩散运动。 在空间电荷区内，无载流子的复合与产生。即当电流流过在空间电荷区内，无载流子的复合与产生。即当电流流过PNPN结时，结时， 流过空间电荷区两个边界的电子数与空穴数不因经过空间电荷区流过空间电荷区两个边界的电子数与空穴数不因经过空间电荷区 而改变。而改变。 在正向电压下，注入到对方的少子，比该区平衡状态下的多子少在正向电压下，注入到对方的少子，比该区平衡状态下的多子少 的多，即是满足通称的的多，即是满足通称的“小注入条件小注入条件”。 18南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系P P区区N N区区空间电荷区空间电荷区结结电离受主电离受主电离施主电离施主PNPN结空间电荷区结空间电荷区当当PNPN结加上正向偏压结加上正向偏压 时（即时（即P P端接外电源的正极，端接外电源的正极，N N端接外端接外电源的负极）电源的负极） V半导体基础19南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础当当PNPN结加上正向偏压结加上正向偏压 时（即时（即P P端接外电源的正极，端接外电源的正极，N N端接外端接外电源的负极）电源的负极） VPNPN结加正向偏压结加正向偏压PNcEPFEqNFEvEqVqBAABqVPNPN结的结的“正向导通状态正向导通状态” BBIAAIPNpn结的总电流流过PNPN结的结的理想理想“伏安特性伏安特性（ 特性）方程特性）方程” VI 1exp 1exp 1exp0000kTqVIkTqVnLDpLDqAkTqVnDpDqAIsPnNNppPnnNppkTqVIIsexp 20南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系P P区区N N区区空间电荷区空间电荷区结结电离受主电离受主电离施主电离施主PNPN结空间电荷区结空间电荷区当当PNPN结加上反向偏压结加上反向偏压 时（即时（即P P端接外电源的负极，端接外电源的负极，N N端接外端接外电源的正极）电源的正极） V21南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础当当PNPN结加上反向偏压结加上反向偏压 时（即时（即P P端接外电源的负极，端接外电源的负极，N N端接外端接外电源的正极）电源的正极） VPNPN结加反向偏压结加反向偏压PNcEPFEqNFEvEBAABqVqVqsII 正向正向反向反向PNPN结电压电流特性结电压电流特性这种非线性关系也称为这种非线性关系也称为“整流特性整流特性” 22南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础3. PN3. PN结的电容效应结的电容效应 PNPN结的电容效应有两种：结的电容效应有两种：势垒电容势垒电容和和扩散电容扩散电容 （1) PN1) PN结的电荷、电场及电势分布结的电荷、电场及电势分布 按照制作工艺的不同，按照制作工艺的不同，PNPN结可以分为两种：结可以分为两种：突变结突变结与与缓变结缓变结。 N突变突变PN结结结结N缓变缓变PN结结DNAN xNDAN空间电荷区的电荷密度的分析一般采用空间电荷区的电荷密度的分析一般采用“耗尽层模型耗尽层模型”， 23南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础PANDAqNAqNPANDNN突变突变PNPN结空间电荷层宽度结空间电荷层宽度缓变缓变PNPN结空间电荷层宽度结空间电荷层宽度NPxANDN 根据根据PNPN结空间电荷区的电荷密度可以得出其内电场强度与电势结空间电荷区的电荷密度可以得出其内电场强度与电势的分布。欲求空间电荷区的电场及电势分布，可以采用一维的泊松的分布。欲求空间电荷区的电场及电势分布，可以采用一维的泊松（PoissonPoisson）方程。）方程。 022rxdxVd 0rxdxdVdxd24南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础 根据突变结的空间电荷密度分布，可以求得根据突变结的空间电荷密度分布，可以求得N N区和区和P P区的电势区的电势分布规律为：分布规律为： xqNxqNVNrDrDN0202xqNxqNVPrArAP0202因此空间电荷区两端之间的电势差为：因此空间电荷区两端之间的电势差为： 2202PANDrxPxNtNNqVVVVPN2102tADADrPNVNNNNq空间电荷区的总宽度为：空间电荷区的总宽度为： 突变结一侧为重掺杂时，为：突变结一侧为重掺杂时，为： NtDrVNq2101225南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础突变突变PNPN结电荷、电场及电势关系结电荷、电场及电势关系DNANPNdxdVVPVxxx 在结处电场强度最大，从结至空间在结处电场强度最大，从结至空间电荷区边界，电场线性减小到零。根据电荷区边界，电场线性减小到零。根据电场曲线下的面积代表电压的原理，对电场曲线下的面积代表电压的原理，对于掺杂浓度不同的于掺杂浓度不同的PNPN结来说，电压主要结来说，电压主要降落在轻掺杂一侧的空间电荷区内，即降落在轻掺杂一侧的空间电荷区内，即对对P P+ +N N结，电压主要降落在结，电压主要降落在N N区一侧空间区一侧空间电荷区，而对电荷区，而对N N+ +P P结，电压主要降落在结，电压主要降落在P P区一侧空间电荷区。区一侧空间电荷区。 26南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础（2) PN2) PN结的势垒电容结的势垒电容 设用设用 来代表来代表PNPN结空间电荷区的正、负电荷量结空间电荷区的正、负电荷量 ： QQAqNAqNPANDAqNQDNAqNQAPADADPNNNNNqAQ2102tADADrVNNNqNAQ0000221rtADADrrADrtADttAVNNNNqANqNVNNAdVdQC27南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础（3) PN3) PN结的扩散电容结的扩散电容 PN PN结在正向偏置下有少子注入效应，在空间电荷区两侧的结在正向偏置下有少子注入效应，在空间电荷区两侧的少子扩散区内存在着少子电荷的积累，这一部分电荷也与外加少子扩散区内存在着少子电荷的积累，这一部分电荷也与外加电压有关，存在着电容效应。电压有关，存在着电容效应。 kTqVLkTAnqkTqVLkTApqdVdQdVdQCtnPtpNtntpdexpexp0202PNPN结的总电容结的总电容 是势垒电容是势垒电容 与扩散电容与扩散电容 之和：之和： jCtCdCdtjCCC正偏时，由于正偏时，由于 通常远大于通常远大于 ，故；，故； 而反偏时，由于结而反偏时，由于结边界附近空间电荷区的少子浓度随反偏电压变化很小，故反偏边界附近空间电荷区的少子浓度随反偏电压变化很小，故反偏时扩散电容极小，通常可以忽略，此时有时扩散电容极小，通常可以忽略，此时有 。 dCtCdjCC tjCC 28南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础4. PN4. PN结的击穿结的击穿 PN PN结的击穿有两种情况：电击穿和热击穿。电击穿又可分结的击穿有两种情况：电击穿和热击穿。电击穿又可分为两种类型：一种称作为两种类型：一种称作“雪崩击穿雪崩击穿”，另一种称为，另一种称为“齐纳齐纳”击穿，击穿，也叫也叫“隧道击穿隧道击穿”。 （1) 1) 雪崩击穿雪崩击穿 反向电压反向电压电场强度电场强度载流子速度载流子速度动能变大动能变大碰撞电离碰撞电离继续加速继续加速碰撞电离碰撞电离反向电流增大反向电流增大 这种载流子倍增的现象与自然界的雪崩过程相似，称之为这种载流子倍增的现象与自然界的雪崩过程相似，称之为PNPN结的结的“雪崩击穿雪崩击穿”现象，对应的反向电压称为现象，对应的反向电压称为“雪崩击穿电压雪崩击穿电压”。 29南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系（2) 2) 齐纳击穿齐纳击穿半导体基础 对于重掺杂的对于重掺杂的PNPN结，由于空间电荷区的电荷密度大，所以空间结，由于空间电荷区的电荷密度大，所以空间电荷区很薄，因而不太高的反向电压，就能在空间电荷区内形成很电荷区很薄，因而不太高的反向电压，就能在空间电荷区内形成很大的电势梯度（电场强度）。有可能使价带中的电子激发到导带，大的电势梯度（电场强度）。有可能使价带中的电子激发到导带，称为内部场致发射。由于这种效应也使反向电流大大增加，称之为称为内部场致发射。由于这种效应也使反向电流大大增加，称之为“齐纳击穿齐纳击穿”，也叫做，也叫做“隧道击穿隧道击穿”或或“软击穿软击穿” 。 PNPN结的击穿特性结的击穿特性硬硬软软BVVI（3) 3) 热击穿热击穿 当反向电压较高，反向电流也当反向电压较高，反向电流也较大时，耗散在较大时，耗散在PNPN结上的功率较大，结上的功率较大，引起引起PNPN结温度升高。而结温升高，结温度升高。而结温升高，又使阻挡层内热激发载流子浓度增又使阻挡层内热激发载流子浓度增大，反向电流进一步增大，如果散大，反向电流进一步增大，如果散热不良，结温将继续上升。如此恶热不良，结温将继续上升。如此恶性循环，将引起反向电流急剧增大，性循环，将引起反向电流急剧增大，导致导致PNPN结击穿。结击穿。 30南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系2.1.3 金属与半导体的肖特基接触金属与半导体的肖特基接触 半导体基础 肖特基接触肖特基接触: :是一种金属与半导体的接触（简称金半接触）是一种金属与半导体的接触（简称金半接触）形式，在某些情况下它可以具有非对称的导电特性，其关系与形式，在某些情况下它可以具有非对称的导电特性，其关系与PNPN结的类似。结的类似。 这一类接触是某些半导体器件的基本组成部分，其工作特性这一类接触是某些半导体器件的基本组成部分，其工作特性使得它在射频及微波领域获得了广泛应用。使得它在射频及微波领域获得了广泛应用。 1. 1. 金半接触的接触电势差肖特基金半接触的接触电势差肖特基（Schottky）势垒势垒 金半接触的特性与半导体的导电类型（金半接触的特性与半导体的导电类型（N N型或型或P P型）以及金型）以及金属和半导体的属和半导体的“逸出功逸出功”的相对大小有关。的相对大小有关。 逸出功逸出功: :使电子从材料（半导体或金属）体内进入真空所使电子从材料（半导体或金属）体内进入真空所必须赋予电子的能量。确切地说：功函数表示恰好使一个电子必须赋予电子的能量。确切地说：功函数表示恰好使一个电子从材料的费米能级进入材料外表面真空中，且处于静止状态从材料的费米能级进入材料外表面真空中，且处于静止状态（动能为（动能为0 0）所需的能量。）所需的能量。31南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础金属和金属和N型半导体能带结构型半导体能带结构真空能级真空能级金属金属N N型半导体型半导体MWMFESWScESFEvE 当金半发生接触而无外加电压、当金半发生接触而无外加电压、处于平衡状态时，应有统一的费米能处于平衡状态时，应有统一的费米能级，这与级，这与PNPN结的情形一样，也是靠在结的情形一样，也是靠在金属与半导体之间的电子转移，而形金属与半导体之间的电子转移，而形成内建电势差接触电势差来实现的。成内建电势差接触电势差来实现的。 （1) 1) 金属与金属与N N型半导体形成金半接触型半导体形成金半接触 金属和金属和N N型半导体接触势垒型半导体接触势垒SMWMFEqcESFEvE金属的功函数大于半导体的功函数金属的功函数大于半导体的功函数: : SMWWqSMSFcWEEq32南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础 当金属与当金属与N N型半导体接触时，若型半导体接触时，若 ，在半导体表面，在半导体表面处形成正的空间电荷区，电场方向由半导体体内指向表面，处形成正的空间电荷区，电场方向由半导体体内指向表面，即半导体表面电势较体内为低。若半导体体内电势为即半导体表面电势较体内为低。若半导体体内电势为0 0，半，半导体表面电势用导体表面电势用 代表，则有代表，则有 ，这时半导体表面电，这时半导体表面电子势能高于体内，能带向上弯曲形成表面势垒，表面处由于子势能高于体内，能带向上弯曲形成表面势垒，表面处由于电子逸出而使浓度较体内为小。电子逸出而使浓度较体内为小。 SMWWSV0SV金属的功函数小于半导体的功函数金属的功函数小于半导体的功函数: : 金属和金属和N N型半导体接触反阻挡层型半导体接触反阻挡层MFEMSWcESFEvE 金属带正电、半导体带负金属带正电、半导体带负电，电场方向由金属指向半导电，电场方向由金属指向半导体，半导体表面电势高于体内体，半导体表面电势高于体内电势，半导体表面处电子势能电势，半导体表面处电子势能较体内为低，能带向下弯曲。较体内为低，能带向下弯曲。 33南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础（2) 2) 金属与金属与P P型半导体形成金半接触型半导体形成金半接触 金属与金属与P P型半导体形成金半接触的情形正好与型半导体形成金半接触的情形正好与N N型相反，型相反，当当 时，形成反阻挡层，而时，形成反阻挡层，而 时，形成阻挡层。时，形成阻挡层。 SMWWSMWW2. 2. 金半接触的整流特性金半接触的整流特性 以金属与以金属与N N型半导体接触构成金半结、而且型半导体接触构成金半结、而且 的情的情况为例说明金半接触的整流特性。况为例说明金半接触的整流特性。 SMWW（1)1)金半结两端施加正向偏压金半结两端施加正向偏压V V（即金属端接外电源的正极，而（即金属端接外电源的正极，而N N型半型半 导体端接外电源的负极）导体端接外电源的负极）金半结加正向偏压金半结加正向偏压qVqcESFEvESMWMFE“正向导通正向导通” 金半结的理想金半结的理想“伏安特性伏安特性（ 特性）方程特性）方程”为：为： VI 1expkTqVIIs34南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础（2)2)金半结两端施加反向偏压金半结两端施加反向偏压V V（即金属端接外电源的负极，而（即金属端接外电源的负极，而N N型半型半 导体端接外电源的正极）导体端接外电源的正极）金半结加反向偏压金半结加反向偏压SMWMFEqVqcESFEvE金半结的电压电流特性金半结的电压电流特性PNPN结结金半结金半结VI 不同之处：导通电压较低、正向压降较小、正反向电流较大、不同之处：导通电压较低、正向压降较小、正反向电流较大、反向耐压较低及较强的非线性程度。由于特性曲线较陡，因此在同反向耐压较低及较强的非线性程度。由于特性曲线较陡，因此在同样偏压下具有较小的结电阻，而且当外加大信号交流电压时可导致样偏压下具有较小的结电阻，而且当外加大信号交流电压时可导致微分电导（微分电导（ ）有较陡的变化。）有较陡的变化。 dVdI35南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础3. 3. 金半接触的电容效应金半接触的电容效应 金半接触结可以看作是单边突变结，因此根据求金半接触结可以看作是单边突变结，因此根据求PNPN结空间结空间电荷区宽度所使用的方法，求出金半（电荷区宽度所使用的方法，求出金半（N N型）接触结半导体一侧型）接触结半导体一侧的势垒区宽度与偏压的关系为的势垒区宽度与偏压的关系为: : （1) 1) 势垒电容势垒电容 21012tDrVNq21002DtrrtNVqAAC（2) 2) 扩散电容扩散电容 金半接触结（金半接触结（MNMN结）的正向电流是从结）的正向电流是从N N型半导体流向金属型半导体流向金属的电子电流，是多子电流，它不存在少子积累的问题，因而也的电子电流，是多子电流，它不存在少子积累的问题，因而也就不存在扩散电容效应，这是金半结与就不存在扩散电容效应，这是金半结与PNPN结的结的显著区别显著区别。 36南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系 PN结的结的“大大”电容限制了电容限制了PN结开关速度的提高，导致其导电结开关速度的提高，导致其导电特性的改变来不及跟上外加高频交流电压的变化；而金半结的电特性的改变来不及跟上外加高频交流电压的变化；而金半结的电容远较容远较PN结为小，可大大减小对正偏非线性电阻的旁路作用，结为小，可大大减小对正偏非线性电阻的旁路作用，“开关开关”特性好，这是以金半结为基础构成的半导体元件在射频和特性好，这是以金半结为基础构成的半导体元件在射频和微波领域获得广泛应用的主要原因所在。微波领域获得广泛应用的主要原因所在。 4. 4. 金半接触的击穿金半接触的击穿 金半结势垒区宽度较薄，反向击穿电压比金半结势垒区宽度较薄，反向击穿电压比PNPN结低，因此不结低，因此不能承受大的功率。能承受大的功率。 半导体基础37南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系2.1.4 金属与半导体的欧姆接触金属与半导体的欧姆接触 半导体基础两端非欧姆接触两端非欧姆接触PNPN结管结管PN金属引线与半导体的接触只能是没有金属引线与半导体的接触只能是没有整流特性的接触，或者说接触应该具整流特性的接触，或者说接触应该具有对称的、线性的特性，同时还要求有对称的、线性的特性，同时还要求接触电阻尽可能小，我们把这样一种接触电阻尽可能小，我们把这样一种接触称为接触称为“欧姆接触欧姆接触”。没有良好的欧。没有良好的欧姆接触，器件性能就发挥不出来。姆接触，器件性能就发挥不出来。 构成欧姆接触构成欧姆接触：在欲形成欧姆接触的：在欲形成欧姆接触的N N型（或型（或P P型）半导体上先型）半导体上先形成一层重掺杂形成一层重掺杂N N（或（或P P）层，然后再与金属接触，即为金属）层，然后再与金属接触，即为金属- - N N-N-N或金属或金属- P- P-P-P结构。结构。 38南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础隧道效应隧道效应欧姆接触的电压电流特性欧姆接触的电压电流特性N N+ +N N结势垒结势垒MFEcESFEvEVIqFEcEvE 金属与重掺杂半导体接触时，金半接触在半导体内形成的势金属与重掺杂半导体接触时，金半接触在半导体内形成的势垒层（或称阻挡层）的厚度会很薄。对于金属和半导体两侧的电子垒层（或称阻挡层）的厚度会很薄。对于金属和半导体两侧的电子来说，这样薄的势垒区几乎是透明的，即两侧电子可以不需越过势来说，这样薄的势垒区几乎是透明的，即两侧电子可以不需越过势垒而是通过隧道效应垒而是通过隧道效应“钻钻”到对方去。到对方去。 由于势垒高度较低，结的空间电荷区也较窄，不能认为空间由于势垒高度较低，结的空间电荷区也较窄，不能认为空间电荷区处于电荷区处于“耗尽耗尽”状态，因而也就不是高阻区。当其上施加偏压时，状态，因而也就不是高阻区。当其上施加偏压时，外加电压就不是降落在空间电荷区，而是降落在结两侧的半导体上。外加电压就不是降落在空间电荷区，而是降落在结两侧的半导体上。多数载流子在多数载流子在N NN N结之间可以认为是不受阻碍地自由流动。这样，结之间可以认为是不受阻碍地自由流动。这样，金属金属- N- N-N-N结构就体现出了欧姆性的关系。结构就体现出了欧姆性的关系。 39南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础2.1.5 N型砷化镓（型砷化镓（GaAs）半导体特性）半导体特性 N型砷化镓（型砷化镓（GaAs）半导体材料（或其它）半导体材料（或其它III-V族及族及II-VI族化族化合物，如磷化铟合物，如磷化铟InP、碲化镉、碲化镉CdTe、硒化锌、硒化锌ZnSe等具有相似特性）等具有相似特性）在射频和微波频段获得了广泛应用，可作为微波毫米波放大、振在射频和微波频段获得了广泛应用，可作为微波毫米波放大、振荡等器件的核心，也是目前最广泛采用的微波毫米波集成电路的荡等器件的核心，也是目前最广泛采用的微波毫米波集成电路的基板材料。基板材料。 1. 1. N型砷化镓（型砷化镓（GaAs）的能带结构）的能带结构 价带价带禁带禁带导带导带高能谷高能谷低能谷低能谷N型型GaAs的能带模型的能带模型 kEEgEk N型型GaAs的能带具有特殊结构，在的能带具有特殊结构，在它的导带中电子有两种能量状态，电子它的导带中电子有两种能量状态，电子除了位于具有极小能量值的中心能谷外，除了位于具有极小能量值的中心能谷外，还可以在子能谷中存在，子能谷的能量还可以在子能谷中存在，子能谷的能量比中心能谷为高，称为比中心能谷为高，称为“高能谷高能谷”，相，相比较于子能谷，中心能谷称为比较于子能谷，中心能谷称为“低能低能谷谷”，称为，称为“双谷结构双谷结构”。 40南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系半导体基础研究和实验已经证明：研究和实验已经证明： 在在300K时，导带底和价带顶之间的禁带宽度约为时，导带底和价带顶之间的禁带宽度约为1.43 eV， 而导带中高低能谷的能量差约为而导带中高低能谷的能量差约为0.36eV； 低能谷中的电子有效质量约为低能谷中的电子有效质量约为 ， 是电子的是电子的 重力质量（重力质量（ ），它的迁移率为：），它的迁移率为：01068. 0*mm0mgm28010108. 9SVcm2180004000 高能谷中的电子有效质量约为高能谷中的电子有效质量约为 ，它的迁移率为，它的迁移率为 022 . 1*mmSVcm22150100 高低能谷的能态密度差别极大，高能谷的能态密度是低能高低能谷的能态密度差别极大，高能谷的能态密度是低能 谷的约谷的约6060倍。倍。 41南南