2022-2023学年高二物理竞赛课件：整流理论－定量I-V特性的表达式

整流理论－定量I-V特性的表达式 整流理论－定量I-V特性的表达式 1.定性结论： 对于n型阻挡层，即金属和n型半导体在Wm＞ Ws时，表面势为负的值，当在金属上加正向电压即V大于0，使得电子的势垒高度减低，多子电子从半导体流向金属的数目变多，并随电压增加而变得越大，即从金属流向半导体的正向电流变大。 半导体一边的势垒高度是：qVD=Ws-Wm 金属－半导体接触的阻挡层 所谓阻挡层，在半导体的势垒区，形成的空间电 荷区，它主要由正的电离施主杂质或负的电离受 主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多， 是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯 曲形成电子或空穴的阻挡。 金属与N型半导体，Wm>Ws 金属与P型半导体, Wm<Ws 阻挡层 反阻挡层接触 金属与N型半导体接触时，若Wm<Ws,电子将从 金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电 荷区，电场方向由表面指向体内，Vs>0，能带向 下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一 个高电导的区域，称之为反阻挡层，即电子反阻 挡层。 （1）金属与N型半导体接触 Wm EFm Ws E0 Ec EFs Ev E Ec EFs Ev 金属 /n型半导体接触前后电子反阻挡层形成能带图的变化： 在半导体表面，能带向下弯曲，相当有个电子的 势阱, 多子电子的浓度比体内大得多，是一个高通 区，即电子的反阻挡层－高导通区。（很薄！） 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 （2）金属与P型半导体接触 金属与P型半导体接触时，若Wm>Ws，空穴将从金属流向半导体表面，在半导体表面形成正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面，Vs<0，能带向上弯曲，这里空穴浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层，即空穴反阻挡层。 Ws Wm EFs EFm Ev Ec E0 接触后： xd Ec EF Ev E N型 P型 Wm>Ws 阻挡层 反阻挡层 Wm<Ws 反阻挡层 阻挡层 上述金半接触模型即为Schottky 模型： Note:反阻挡层是很薄的高电导层，对半导体和 金属的接触电阻的影响是很小的，它在平常的实 验中观测不到。 能带向上弯曲 能带向下弯曲 （高阻区） （高电导区） （高阻区） （高电导区） 正向电流都是多子空穴从半导体流向金属 但和正向电流行为不一样的是： 金属一边的电子所要越过的势垒，不随外加电压而变化。所以，金属到半导体的电子流是恒定的。当反向电压提高时，半导体到金属的电子流可以忽略不计，反向电流达到饱和值。 对p型阻挡层：能带向下弯，表面势(Vs)0大于零V＜0时，能带下弯得更厉害，多子空穴从半导体流向金属，形成正向电流； 金属加正电压V＞0时，能带下弯曲变得小了，形成金属到半导体的反向电流。 正向和反向的电流特点就是阻挡层的 整流作用 势垒区中存在电场，有电势的变化，导致载流子 浓度的不均匀。计算通过势垒的电流时，因为采 用厚阻挡层的扩散理论，故必须同时考虑漂移和 扩散运动。所以，势垒区的电势分布情况是求解 V-I关系的关键。 对于n型阻挡层，当势垒宽度比电子的平均自由程 大得多，即Xd 》ln时，电子通过势垒区将发生多 次碰撞－－厚阻挡层。扩散理论适用于厚阻挡层。 （1）扩散理论 Diffusion Theory 2.定量解释： 金半接触伏安特性 氧化亚铜，迁移率较小，即平均自由程较短，扩散理论是适用的。 但JSD随电压而缓慢变化，但并不趋于定值，即没有饱和 电流密度 指数增加 （2）热电子发射理论 起决定作用的是势垒的高度，而不是形状。当电子动能>势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边 。电流的计算即求越过势垒的载流子数目。 热电子发射理论 以非简并半导体的n型阻挡层为例，假设qVD》k0T，通过势垒交换的电子很少，体内的电子浓度视为常数，与电流无关。 当n型阻挡层很薄时，即电子的平均自由程大于 势垒宽度。扩散理论不再适合了。电子通过势 垒区的碰撞可以忽略。 规定电流的正方向是从金属到半导体 电子流密度方向和电流方向相反 ① Js→m时（正向电流） EF Vx 电子的状态密度和分布函数 $