5.5.1 半导体中的缺陷能级
实际晶体的缺陷：
原子在其平衡位置附近振动
材料含有杂质
存在点缺陷
极微量的杂质和缺陷，对材料的物理性能、化学
性能产生决定性的影响。
杂质和缺陷的存在禁带中引入允许电子存在单位的
状态。
5.5 半导体材料的电导
Si SiSiSiSiSi
SiSiSiSiSi
Si SiSiSiSiSi
Si SiSiSiSiSi
Si SiSiSiSiSi
- 替位式杂质
间隙式杂质
多余价电子
正电中心磷离子P+
1,硅晶体中杂质能级
（ 1） 施主杂质 施主能级
杂质电离, 正电中心磷离子对多余价电子的束缚比共
价键作用弱得多，这种电子仅需很少的能量成为导电
电子，在晶格中自由运动，这一过程称为 杂质电离 。
杂质电离能, 弱束缚电子成为导电电子所需的能量。
杂质电离能举例,
硅中的磷,0.044； 硅中的砷,0.049
用能带图表示施主杂质的电离：
— — — — — — — —+ + +
Eg
Ec
Ev
ED?ED
（ 2） 受主杂质 受主能级
Si
Si B-
Si
+
— — — — — — — —- - -
Eg
Ec
Ev
EA
?EA
2,氧化物中缺陷能级
杂质缺陷
不同于被取代离子价态的杂质
组分缺陷
引起非计量配比的化合物：
还原气氛引起氧空位；
阳离子空位；
间隙离子。
（ 1） 价控半导体陶瓷杂质能级的形成
例如：
BaTiO3的半导化通过添加微量的稀土元素，在其禁
带间形成杂质能级，实现半导化。添加 La的
BaTiO3原料在空气中烧成,
用不同于晶格离子价态的杂质取代晶格离子，形成
局部能级，使绝缘体实现半导化而成为导电陶瓷。
杂质离子应具有和被取代离子几乎相同的尺寸；杂
质离子本身有固定的价态。
1）价控半导体陶瓷：
2）杂质离子需满足的条件
反应式如下,
Ba2+Ti 4+O2-3+xLa3+=Ba2+1-xLa3+x(Ti 4+1-xTi3+x)O2-3+xBa2+
缺陷反应：
La2O3 =LaBa ·+2e′ +2Oo× +O21/2(g)
添加 Nb实现 BaTiO3的半导化，反应式如下：
Ba2+Ti 4+O2-3+yNb5+=Ba2+[Nb5+y(Ti4+1-2yTi3+y)]O2-3+yBa2+
缺陷反应,Nb2O5 =2LaTi·+2e′ +4Oo× +O21/2(g)
氧化镍中加入氧化锂，空气中烧结，
反应式如下：
X/2Li2O+(1-x)NiO+x/4O2=(Li+xNi2+1-2xNi2+x)O2-
缺陷反应,Li2O +O21/2(g)=2LiNi′ +2h ·+2Oo×
—— — — — — — —- - -
Eg
Ec
Ev
EA
?EA
-
价电子
2LiNi′
2h ·
3）杂质能带
—— — — — — — —+ + +
Eg
Ec
Ev
ED?ED+ LaBa ·
弱束缚电
子和自由
电子
化学计量配比的化合物分子式,MO
有阳离子空位的氧化物分子式,M 1-xO
形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和气氛
引起。
平衡状态，缺陷反应如下,O21/2(g)=VM× +2Oo×
VM× = VM′ + h ·
VM′ = VM′′+ h ·
出现此类缺陷的阳离子往往具有正二价和正三价。
（ 2） 组分缺陷
1）阳离子空位及缺陷能级
阳离子空位形成的缺陷能级
受主能级— — — V
M×
— — — VM′
VM′′
化学计量配比的化合物分子式,MO2
有氧空位的氧化物的分子式,MO2-x
形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和
气氛引起。
平衡状态，反应如下：
Ti4+ O2 = x/ 2 O2 (g)+ Ti4+1-2 xTi3+2xO2-2-x x
缺陷反应,2Oo = Vo·· +2e′+O1/2(g)
出现此类缺陷的阳离子往往具有较高的化学价。
2）阴离子空位及缺陷能级
氧离子空位形成的缺陷能级
— — — Vo ·
— — — Vo×
__ __ __ Vo · ·
施主能级
化学计量配比的化合物分子式,MO
有间隙离子的分子式,M1+xO
形成非化学计量配比的化合物的原因：由气氛引起。
平衡状态，缺陷反应：
ZnO = Zni× + / 2 O2 (g)
Zni× = Zni·+ e′
Zni ·= Zni·· + e′
出现此类缺陷的阳离子往往具有较低的化学价。
3）间隙离子缺陷
— — — Mi×
— — — Mi ·
形成氧离子空位的缺陷能级
施主能级
__ __ __ Mi · ·
5.5.2 p-n 结
1）合金法
液体为铝硅熔融体, p型半导体为高浓度铝的硅薄层
n Si
AI
n Si
液体
n Si
p
1,p-n结的形成和杂质分布
在一块 n型 半导体单晶上用适当方法（合金法、扩散
法、生长法、离子注入法等）把 p型 杂质掺入其中。
合金结的杂质分布：
ND
NAN(x)
xp n
单边突变结（ P+-n结）：
由两边杂质浓度相差很大
的 p,n型半导体形成的 p-
n结为单边突变结。
p区的施主杂质浓度为
1016cm-3,而 n区的杂质浓
度为 1019cm-3 。
2）扩散法
通过氧化、光刻、扩散等工艺形成 p-n结 。
n Si
SiO2
n Si n Si
P
ND
NA (x)
N(x)
x
p n
缓变结：
杂质浓度从 p 区到 n区
是逐渐变化的 p-n结为
缓变结。
2,空间电荷区（势垒区）、空间电荷层
p n
+++
+++
+++
- - -
- - - -
- - --
多数载流子, n型半导体中的电子和 p型半导体中的空穴,
少数载流子, p型半导体中的电子和 n型半导体中的空穴,
空间电荷区,电离施主和电离受主所带电荷存在的区域。
表面空间电荷层,表面与内层产生电子授受关系，在表
面附近形成表面空间电荷层。
电子耗尽层,空间电荷层中多数载流子浓度比内部少。
电子积累层,空间电荷层少数载流子浓度比内部少。
反型层,空间电荷层中少数载流子成为多数载流子。
3,p-n结能带图及载流子的分布
（ 1） p-n结能带图 ??? ? ??
? ? ? ? ? ?
???? ?? ECE
fn
EV
EC
Ef p
EV - - - - - -
EF－ ?
?
－
－
???? ??
??? ? ????
－
－
－－－－－
? ? ? ? ? ?
qVD
qVD
x
空间电荷区
空间电荷区内电势由 n?p区不断下降，
空间电荷区内电势能由 n?p区不断升高，
p区能带相对向上移,n区能带向下移，至费米能
级相等,n-p结达平衡状态，没有净电流通过。
势垒高度,qVD = EFn—EFp
x
V(x)
VD
-xp xnx －
?
?
－
－
???? ??
??? ? ????
－
－
－－－－－
? ? ? ? ? ?
qVD
qVD
x
qV(x)
0 xn-xp
（ 2） p-n结载流子的分布
空间电荷区内某一点 x处的电子的电势能,-qV(x)
电子的浓度分布服从波尔兹曼分布：
n(x)=nnoexp[qV(x)-qVD]/k0T
同理空穴的浓度分布：
p(x)=pnoexp[qVD - qV(x)]/k0T
P n x
npo
nno
Pno
ppo
n(x)
P(x)
平衡 p-n结中载流子的分布
平衡载流子,在一定温度下，半导体中由于热激发
产生的载流子（电子或空穴）。
非平衡载流子：由于施加外界条件 (外加电压、光照 )，
人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载
流子。
?p
?n
4,非平衡状态下的 p-n结能带图
（ 1） 光照
n
pn
p
+
_
E
n区空穴
P区电子
光生伏特效应：
1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射 p-n结；
2） p,n区都产生电子 —空穴对，产生非平衡载
流子；
3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；
4）非平衡载流子在内建电场作用下,n区空穴向
p区扩散,p区电子向 n区扩散；
5）若 p-n结开路，在结的两边积累电子 —空穴对,
产生开路电压。
正偏压
n
p
+ —E
内电场
（ 2） 外加电压
负偏压
n
p
+— E
内电场
高负偏压
n
p
+— E
隧道效应
内电场
3）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空
间电荷区变薄,p-n结产生隧道效应，即 n区的
导带和 p区的价带具有相同的能量量子态。
2）加入负偏压 V,n区的电势比 p区的电势高
VD +V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子
扩散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极
小。
1）加入正偏压 V,n区的电势比 p区的电势高
VD – V，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子
扩散增强，载流子产生的净电流。
5,金属与半导体的接触
（ 1） 金属和半导体的功函数
Eo
(EF)m
Wm
金属中的电子势井
Eo表示真空中静止电子能量。
金属功函数定义：
Wm = Eo- (EF)m
该式表示一个起始能量等于费
米能级的电子，由金属内部逸
出到真空中所需要的最小能量。
其大小表示电子在金属中束缚
的强弱，并与表面状态有关。
铯的功函数最低,1.93eV，铂的最高 5.36eV.
半导体的功函数,?为电子的亲和能，它表示要使半导体
导带底部的电子逸出体外所需要的最小能量。
半导体的功函数：
Ws = Eo- (EF)s = ?s + En
式中 En= Ec- (EF)s
表示导带底部和费米能级的能量差。
(EF)s
Ev
Ec
?s W
s
En
Eo
（ 2） 整流接触
???????
???? ???
?S
Wm WS
EF
EF
nm
Eo
Wm > Ws
n半导体
EF
? ? ? ? ? ? ?
?
??? ? ? ? ? ? ??
－
－
－
－
金属
耗尽层
Wm - ?S Wm -WS=eV DEn =
形成正的空间电荷区，，其电场的方向由体内指
向表面，形成表面势垒，其内的电子浓度比体内
小的多，称为高阻层。
Wm <Ws
?S - Wm WS - Wm
? ? ? ? ?
? ? ? ? ???
???
?
?
?
Ef
n
En =
反阻挡层或积累层
(3) 欧姆接触
也称为非整流接触。
定义：它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部
的平衡载流子浓度发生显著的改变。从电学上讲，理想欧
姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当
有电流通过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器
件本身的压降，这种接触不影响器件的电流 -电压特性。
重要性：在超高频和大功率器件中，欧姆接触时设计和制
造中的关键问题之一。
实现的办法：对于 Si,Ge,GaAs等重要的半导体材料，
一般表面态密度很高。势垒的形成与金属的功函数关系不
大，不能通用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。目前，
在实际生产中，主要利用隧道效应的原理来实现。
重掺杂的 p-n结可以产生显著的隧道
电流。
金属与半导体接触时，如果半导体掺
杂浓度很高，则势垒区宽度变薄。隧
道电流甚至超过了热电子发射电流。
使接触电阻很小。
5.5.3 半导体陶瓷的物理效应
1,晶界效应
2,表面效应
3,西贝克效应
表面能级
表面能级及表面能带结构
表面能级：由于晶格的不完整性使势场周期性破坏，
在禁带中产生附加能级，同理：晶体自由表面的存在
使其周期场在表面处发生中断，在表面引起附加能级，
因其在表面产生，称为表面能级。
引起表面能级的因素：断键
吸附其他分子或原子
晶格缺陷 (如添加的杂质以固溶
的形式出现在距晶界面约 20埃的地方，即偏析）。例
如 Bi固溶在 ZnO的颗粒表面。
Mn+
On-
p
n
(a) 陶瓷材料晶粒由表面 断键形成 的 表面能带结构
(b) p型半导体陶瓷的表面势
(c) n型半导体陶瓷的表面势
表面空间电荷层及表面电势
表面空间电荷层：在金属中，自由电子密度很高，
表面电荷基本上分布在一个原子层厚度范围内，与
金属相比，由于半导体载流子密度要低的多，电荷
必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面
层为表面空间电荷层。
表面电势：表面空间电荷层两端的电势差。
表面电势的正负规定：表面电势比内部高时，其值
取正，反之取负。
表面势为负值时，表面处能带向上弯曲，，在热平衡
状态下，半导体内费米能级为一定值，随着向表面接
近，价带顶将逐渐移近甚至超过费米能级，同时，价
带中的空穴浓度也随之增加，结果表面层内出现空穴
的堆积而带正电。
表面空间电荷层 的三种状态 （主要 讨论 p型半导体）
1）多数载流子堆积状态
－ －－ －－ －－
? ? ? ? ? ? ?
EF
p
当表面势为正值时，表面处能带向下弯曲，越接近表
面，费米能级离价带顶越远，价带顶空穴浓度随之降
低，在靠近表面的一定区域内，价带顶比费米能级低
的多，根据波尔兹曼分布，表面处空穴浓度将比体内
浓度低的多。
2）多数载流子耗尽状态
－ －－ －－ －－
? ? ? ? ? ? ?
p
在 2）的基础上,表面处能带进一步向下弯曲，越接
近表面，表面处费米能级可能高于禁带中央能量，即，
费米能级离导带底比离价带顶更近一些，表面电子浓
度超过空穴浓度，形成了与原来半导体导电类型相反
的一层。
3）少数载流子反型状态
－－ －－ －－－
? ? ? ? ? ? ?
-
--- -
压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。即
在某一临界电压以下，电阻值非常高，可以认为是
绝缘体，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速
降低，让电流通过。
电压与电流是非线性关系。
1,晶界效应
（ 1） 压敏陶瓷
隧
道
效
应
热激发
双
肖
特
基
势
垒
图
（ 2） PTC效应
PTC效应：电阻率随温度升上发生突变，增大了 3—4个
数量级。是价控型钛酸钡半导体特有。电阻率突变温度
在相变（四方相与立方相转变）温度或居里点。
PTC机理（ Heywang晶界模型 )：
1） n型半导体陶瓷晶界具有表面能级；
2）表面能级 可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成肖特基势
垒。在烧结时，需采用氧化气氛，缓慢冷却，使晶界充分氧化，
因此所得烧结体表面覆盖着高阻氧化层，在被电极前将氧化层去
除。
3）肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒越低；
4）温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，电
阻率急剧增加。
表面效应：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。
吸附气体的种类,H2,O2,CO,CH4,H2O等。
半导体表面吸附气体对电导率的影响：
如果吸附气体的电子亲和力大于半导体的功函数，
吸附分子从半导体中捕获电子而带负电；相反吸附
分子带正电。
n型半导体负电吸附,p型半导体正电吸附时，表面
均形成耗尽层，表面电导率减小。
p型半导体负电吸附,n型半导体正电吸附时，表面
均形成积累层，表面电导率增加。
2 表面效应（吸附其他分子或原子）
例如：
一般具有氧化性的分子（如：氧分子）从 n型
半导体和 p型半导体中捕获电子而带负电，引
起半导体表面的负电吸附。还原型气体引起
半导体表面的正电吸附。
1/2O2(g)+ne ? Oad n-
Oad, 吸附分子
温度对吸附离子形态的影响：
低温 ?高温
O2 ? 1/2O4-? O2-? 2 O- ?2O2 -
O::O ·O:O:O:O,·O:O· ·O:,O:
气敏理论模型
SnO2是 n型半导体
在空气中吸附氧，氧的电子亲和力比半导体材
料大，从半导体表面夺取电子，产生空间电荷
层，使能带向上弯曲，电导率下降，电阻上升。
吸附还原型气体，还原型气体与氧结合，氧放
出电子并回至导带，使势垒下降，元件电导率
上升，电阻下降。
实际晶体的缺陷：
原子在其平衡位置附近振动
材料含有杂质
存在点缺陷
极微量的杂质和缺陷，对材料的物理性能、化学
性能产生决定性的影响。
杂质和缺陷的存在禁带中引入允许电子存在单位的
状态。
5.5 半导体材料的电导
Si SiSiSiSiSi
SiSiSiSiSi
Si SiSiSiSiSi
Si SiSiSiSiSi
Si SiSiSiSiSi
- 替位式杂质
间隙式杂质
多余价电子
正电中心磷离子P+
1,硅晶体中杂质能级
（ 1） 施主杂质 施主能级
杂质电离, 正电中心磷离子对多余价电子的束缚比共
价键作用弱得多，这种电子仅需很少的能量成为导电
电子，在晶格中自由运动，这一过程称为 杂质电离 。
杂质电离能, 弱束缚电子成为导电电子所需的能量。
杂质电离能举例,
硅中的磷,0.044； 硅中的砷,0.049
用能带图表示施主杂质的电离：
— — — — — — — —+ + +
Eg
Ec
Ev
ED?ED
（ 2） 受主杂质 受主能级
Si
Si B-
Si
+
— — — — — — — —- - -
Eg
Ec
Ev
EA
?EA
2,氧化物中缺陷能级
杂质缺陷
不同于被取代离子价态的杂质
组分缺陷
引起非计量配比的化合物：
还原气氛引起氧空位；
阳离子空位；
间隙离子。
（ 1） 价控半导体陶瓷杂质能级的形成
例如：
BaTiO3的半导化通过添加微量的稀土元素，在其禁
带间形成杂质能级，实现半导化。添加 La的
BaTiO3原料在空气中烧成,
用不同于晶格离子价态的杂质取代晶格离子，形成
局部能级，使绝缘体实现半导化而成为导电陶瓷。
杂质离子应具有和被取代离子几乎相同的尺寸；杂
质离子本身有固定的价态。
1）价控半导体陶瓷：
2）杂质离子需满足的条件
反应式如下,
Ba2+Ti 4+O2-3+xLa3+=Ba2+1-xLa3+x(Ti 4+1-xTi3+x)O2-3+xBa2+
缺陷反应：
La2O3 =LaBa ·+2e′ +2Oo× +O21/2(g)
添加 Nb实现 BaTiO3的半导化，反应式如下：
Ba2+Ti 4+O2-3+yNb5+=Ba2+[Nb5+y(Ti4+1-2yTi3+y)]O2-3+yBa2+
缺陷反应,Nb2O5 =2LaTi·+2e′ +4Oo× +O21/2(g)
氧化镍中加入氧化锂，空气中烧结，
反应式如下：
X/2Li2O+(1-x)NiO+x/4O2=(Li+xNi2+1-2xNi2+x)O2-
缺陷反应,Li2O +O21/2(g)=2LiNi′ +2h ·+2Oo×
—— — — — — — —- - -
Eg
Ec
Ev
EA
?EA
-
价电子
2LiNi′
2h ·
3）杂质能带
—— — — — — — —+ + +
Eg
Ec
Ev
ED?ED+ LaBa ·
弱束缚电
子和自由
电子
化学计量配比的化合物分子式,MO
有阳离子空位的氧化物分子式,M 1-xO
形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和气氛
引起。
平衡状态，缺陷反应如下,O21/2(g)=VM× +2Oo×
VM× = VM′ + h ·
VM′ = VM′′+ h ·
出现此类缺陷的阳离子往往具有正二价和正三价。
（ 2） 组分缺陷
1）阳离子空位及缺陷能级
阳离子空位形成的缺陷能级
受主能级— — — V
M×
— — — VM′
VM′′
化学计量配比的化合物分子式,MO2
有氧空位的氧化物的分子式,MO2-x
形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和
气氛引起。
平衡状态，反应如下：
Ti4+ O2 = x/ 2 O2 (g)+ Ti4+1-2 xTi3+2xO2-2-x x
缺陷反应,2Oo = Vo·· +2e′+O1/2(g)
出现此类缺陷的阳离子往往具有较高的化学价。
2）阴离子空位及缺陷能级
氧离子空位形成的缺陷能级
— — — Vo ·
— — — Vo×
__ __ __ Vo · ·
施主能级
化学计量配比的化合物分子式,MO
有间隙离子的分子式,M1+xO
形成非化学计量配比的化合物的原因：由气氛引起。
平衡状态，缺陷反应：
ZnO = Zni× + / 2 O2 (g)
Zni× = Zni·+ e′
Zni ·= Zni·· + e′
出现此类缺陷的阳离子往往具有较低的化学价。
3）间隙离子缺陷
— — — Mi×
— — — Mi ·
形成氧离子空位的缺陷能级
施主能级
__ __ __ Mi · ·
5.5.2 p-n 结
1）合金法
液体为铝硅熔融体, p型半导体为高浓度铝的硅薄层
n Si
AI
n Si
液体
n Si
p
1,p-n结的形成和杂质分布
在一块 n型 半导体单晶上用适当方法（合金法、扩散
法、生长法、离子注入法等）把 p型 杂质掺入其中。
合金结的杂质分布：
ND
NAN(x)
xp n
单边突变结（ P+-n结）：
由两边杂质浓度相差很大
的 p,n型半导体形成的 p-
n结为单边突变结。
p区的施主杂质浓度为
1016cm-3,而 n区的杂质浓
度为 1019cm-3 。
2）扩散法
通过氧化、光刻、扩散等工艺形成 p-n结 。
n Si
SiO2
n Si n Si
P
ND
NA (x)
N(x)
x
p n
缓变结：
杂质浓度从 p 区到 n区
是逐渐变化的 p-n结为
缓变结。
2,空间电荷区（势垒区）、空间电荷层
p n
+++
+++
+++
- - -
- - - -
- - --
多数载流子, n型半导体中的电子和 p型半导体中的空穴,
少数载流子, p型半导体中的电子和 n型半导体中的空穴,
空间电荷区,电离施主和电离受主所带电荷存在的区域。
表面空间电荷层,表面与内层产生电子授受关系，在表
面附近形成表面空间电荷层。
电子耗尽层,空间电荷层中多数载流子浓度比内部少。
电子积累层,空间电荷层少数载流子浓度比内部少。
反型层,空间电荷层中少数载流子成为多数载流子。
3,p-n结能带图及载流子的分布
（ 1） p-n结能带图 ??? ? ??
? ? ? ? ? ?
???? ?? ECE
fn
EV
EC
Ef p
EV - - - - - -
EF－ ?
?
－
－
???? ??
??? ? ????
－
－
－－－－－
? ? ? ? ? ?
qVD
qVD
x
空间电荷区
空间电荷区内电势由 n?p区不断下降，
空间电荷区内电势能由 n?p区不断升高，
p区能带相对向上移,n区能带向下移，至费米能
级相等,n-p结达平衡状态，没有净电流通过。
势垒高度,qVD = EFn—EFp
x
V(x)
VD
-xp xnx －
?
?
－
－
???? ??
??? ? ????
－
－
－－－－－
? ? ? ? ? ?
qVD
qVD
x
qV(x)
0 xn-xp
（ 2） p-n结载流子的分布
空间电荷区内某一点 x处的电子的电势能,-qV(x)
电子的浓度分布服从波尔兹曼分布：
n(x)=nnoexp[qV(x)-qVD]/k0T
同理空穴的浓度分布：
p(x)=pnoexp[qVD - qV(x)]/k0T
P n x
npo
nno
Pno
ppo
n(x)
P(x)
平衡 p-n结中载流子的分布
平衡载流子,在一定温度下，半导体中由于热激发
产生的载流子（电子或空穴）。
非平衡载流子：由于施加外界条件 (外加电压、光照 )，
人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载
流子。
?p
?n
4,非平衡状态下的 p-n结能带图
（ 1） 光照
n
pn
p
+
_
E
n区空穴
P区电子
光生伏特效应：
1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射 p-n结；
2） p,n区都产生电子 —空穴对，产生非平衡载
流子；
3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；
4）非平衡载流子在内建电场作用下,n区空穴向
p区扩散,p区电子向 n区扩散；
5）若 p-n结开路，在结的两边积累电子 —空穴对,
产生开路电压。
正偏压
n
p
+ —E
内电场
（ 2） 外加电压
负偏压
n
p
+— E
内电场
高负偏压
n
p
+— E
隧道效应
内电场
3）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空
间电荷区变薄,p-n结产生隧道效应，即 n区的
导带和 p区的价带具有相同的能量量子态。
2）加入负偏压 V,n区的电势比 p区的电势高
VD +V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子
扩散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极
小。
1）加入正偏压 V,n区的电势比 p区的电势高
VD – V，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子
扩散增强，载流子产生的净电流。
5,金属与半导体的接触
（ 1） 金属和半导体的功函数
Eo
(EF)m
Wm
金属中的电子势井
Eo表示真空中静止电子能量。
金属功函数定义：
Wm = Eo- (EF)m
该式表示一个起始能量等于费
米能级的电子，由金属内部逸
出到真空中所需要的最小能量。
其大小表示电子在金属中束缚
的强弱，并与表面状态有关。
铯的功函数最低,1.93eV，铂的最高 5.36eV.
半导体的功函数,?为电子的亲和能，它表示要使半导体
导带底部的电子逸出体外所需要的最小能量。
半导体的功函数：
Ws = Eo- (EF)s = ?s + En
式中 En= Ec- (EF)s
表示导带底部和费米能级的能量差。
(EF)s
Ev
Ec
?s W
s
En
Eo
（ 2） 整流接触
???????
???? ???
?S
Wm WS
EF
EF
nm
Eo
Wm > Ws
n半导体
EF
? ? ? ? ? ? ?
?
??? ? ? ? ? ? ??
－
－
－
－
金属
耗尽层
Wm - ?S Wm -WS=eV DEn =
形成正的空间电荷区，，其电场的方向由体内指
向表面，形成表面势垒，其内的电子浓度比体内
小的多，称为高阻层。
Wm <Ws
?S - Wm WS - Wm
? ? ? ? ?
? ? ? ? ???
???
?
?
?
Ef
n
En =
反阻挡层或积累层
(3) 欧姆接触
也称为非整流接触。
定义：它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部
的平衡载流子浓度发生显著的改变。从电学上讲，理想欧
姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当
有电流通过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器
件本身的压降，这种接触不影响器件的电流 -电压特性。
重要性：在超高频和大功率器件中，欧姆接触时设计和制
造中的关键问题之一。
实现的办法：对于 Si,Ge,GaAs等重要的半导体材料，
一般表面态密度很高。势垒的形成与金属的功函数关系不
大，不能通用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。目前，
在实际生产中，主要利用隧道效应的原理来实现。
重掺杂的 p-n结可以产生显著的隧道
电流。
金属与半导体接触时，如果半导体掺
杂浓度很高，则势垒区宽度变薄。隧
道电流甚至超过了热电子发射电流。
使接触电阻很小。
5.5.3 半导体陶瓷的物理效应
1,晶界效应
2,表面效应
3,西贝克效应
表面能级
表面能级及表面能带结构
表面能级：由于晶格的不完整性使势场周期性破坏，
在禁带中产生附加能级，同理：晶体自由表面的存在
使其周期场在表面处发生中断，在表面引起附加能级，
因其在表面产生，称为表面能级。
引起表面能级的因素：断键
吸附其他分子或原子
晶格缺陷 (如添加的杂质以固溶
的形式出现在距晶界面约 20埃的地方，即偏析）。例
如 Bi固溶在 ZnO的颗粒表面。
Mn+
On-
p
n
(a) 陶瓷材料晶粒由表面 断键形成 的 表面能带结构
(b) p型半导体陶瓷的表面势
(c) n型半导体陶瓷的表面势
表面空间电荷层及表面电势
表面空间电荷层：在金属中，自由电子密度很高，
表面电荷基本上分布在一个原子层厚度范围内，与
金属相比，由于半导体载流子密度要低的多，电荷
必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面
层为表面空间电荷层。
表面电势：表面空间电荷层两端的电势差。
表面电势的正负规定：表面电势比内部高时，其值
取正，反之取负。
表面势为负值时，表面处能带向上弯曲，，在热平衡
状态下，半导体内费米能级为一定值，随着向表面接
近，价带顶将逐渐移近甚至超过费米能级，同时，价
带中的空穴浓度也随之增加，结果表面层内出现空穴
的堆积而带正电。
表面空间电荷层 的三种状态 （主要 讨论 p型半导体）
1）多数载流子堆积状态
－ －－ －－ －－
? ? ? ? ? ? ?
EF
p
当表面势为正值时，表面处能带向下弯曲，越接近表
面，费米能级离价带顶越远，价带顶空穴浓度随之降
低，在靠近表面的一定区域内，价带顶比费米能级低
的多，根据波尔兹曼分布，表面处空穴浓度将比体内
浓度低的多。
2）多数载流子耗尽状态
－ －－ －－ －－
? ? ? ? ? ? ?
p
在 2）的基础上,表面处能带进一步向下弯曲，越接
近表面，表面处费米能级可能高于禁带中央能量，即，
费米能级离导带底比离价带顶更近一些，表面电子浓
度超过空穴浓度，形成了与原来半导体导电类型相反
的一层。
3）少数载流子反型状态
－－ －－ －－－
? ? ? ? ? ? ?
-
--- -
压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。即
在某一临界电压以下，电阻值非常高，可以认为是
绝缘体，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速
降低，让电流通过。
电压与电流是非线性关系。
1,晶界效应
（ 1） 压敏陶瓷
隧
道
效
应
热激发
双
肖
特
基
势
垒
图
（ 2） PTC效应
PTC效应：电阻率随温度升上发生突变，增大了 3—4个
数量级。是价控型钛酸钡半导体特有。电阻率突变温度
在相变（四方相与立方相转变）温度或居里点。
PTC机理（ Heywang晶界模型 )：
1） n型半导体陶瓷晶界具有表面能级；
2）表面能级 可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成肖特基势
垒。在烧结时，需采用氧化气氛，缓慢冷却，使晶界充分氧化，
因此所得烧结体表面覆盖着高阻氧化层，在被电极前将氧化层去
除。
3）肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒越低；
4）温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，电
阻率急剧增加。
表面效应：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。
吸附气体的种类,H2,O2,CO,CH4,H2O等。
半导体表面吸附气体对电导率的影响：
如果吸附气体的电子亲和力大于半导体的功函数，
吸附分子从半导体中捕获电子而带负电；相反吸附
分子带正电。
n型半导体负电吸附,p型半导体正电吸附时，表面
均形成耗尽层，表面电导率减小。
p型半导体负电吸附,n型半导体正电吸附时，表面
均形成积累层，表面电导率增加。
2 表面效应（吸附其他分子或原子）
例如：
一般具有氧化性的分子（如：氧分子）从 n型
半导体和 p型半导体中捕获电子而带负电，引
起半导体表面的负电吸附。还原型气体引起
半导体表面的正电吸附。
1/2O2(g)+ne ? Oad n-
Oad, 吸附分子
温度对吸附离子形态的影响：
低温 ?高温
O2 ? 1/2O4-? O2-? 2 O- ?2O2 -
O::O ·O:O:O:O,·O:O· ·O:,O:
气敏理论模型
SnO2是 n型半导体
在空气中吸附氧，氧的电子亲和力比半导体材
料大，从半导体表面夺取电子，产生空间电荷
层，使能带向上弯曲，电导率下降，电阻上升。
吸附还原型气体，还原型气体与氧结合，氧放
出电子并回至导带，使势垒下降，元件电导率
上升，电阻下降。
