不同结构的电力半导体的结构基础

目前我们所接触到的半导体，其基础的构成有三种结构：

• p-n结
• MOS（金属-氧化物-半导体）
• MES（金属-半导体）

若要比较准确地理解半导体的工作原理，我们应该先熟悉这三种基础结构的结构与特性。

• p-n结

  关于p-n结，最重要的概念就是漂移与扩散。简单来讲，由于p极材料与n极材料参杂物的不同，导致其内部的载流子类型不同，p型材料为空穴，n型材料为电子。在不施加外部电场等条件下，n型材料内部未被价键束缚的电子（自由电子）会因为浓度的差异扩散到p；与此同时，p型材料虽然没有自由电子，但是被价键束缚的价电子会被空穴吸引，转移到临近的空穴位置，由于参杂物的浓度远低于本身的物质密度，因此价电子的浓度是远远高于空穴浓度的（虽然如此，但是价电子并不能作为载流子，因此p型材料内部的多数载流子还是空穴），从表面看来，仿佛是空穴发生了扩散（如果不太好理解，可以想象一下气泡在水中上升的场景）。这就是p-n结的扩散现象。
  综合考虑漂移与扩散现象，会形成一个空间电荷区。所谓空间电荷区，由于在p-n结的交界面附近区域，n材料的电子扩散到了p区域，而p材料的空穴扩散到了n区域。因此，n在交接面出呈现正电荷，p呈现负电荷，形成了电场，由n指向p。在电场的作用下，多数载流子发生了漂移（drift），p的电子会在电场作用下跑去n，n的空穴会跑向p。（当然，本质上还是价电子与自由电子的运动） 因此，漂移与扩散会形成一个平衡状态。
  空间电荷区的电荷是怎样分布的呢？
  先看一下电场的分布情况。
  
  越靠近交界面，电场越强，为了维持平衡，扩散作用也就越强，p、n区的多数载流子也就越少，因此这是一个耗尽层（depletion layer）。
  当施加外部的电场之后，漂移与扩散原有的平衡被打破。
  如果施加的是正向电压（p正n负），电场的方向自建电场相反，增强了电子从n向p、空穴从p向n的扩散作用，相比不施加正向偏压的时候，需要的扩散区域变小了，因此空间电荷区（耗尽层）变薄了。

  从电子运动的角度来看，电子穿过空间电荷区扩散入p区。首先在p区边界xp作为额外的少数载流子形成积累，使xp附近电子密度高于p区内部，形成从p边界向内部扩散的电子扩散电流。这些额外电子边扩散边与p区内的空穴复合，经过若干个扩散长度距离之后才被全部复合掉。这一区域称为扩散区。在正向偏压不变的情况下，n区以固定的速率向p区注入额外电子。在扩散区内形成稳定的少子分布，从而形成稳定的电子扩散电流。

  同样的，在n区也会形成稳定的空穴分布和稳定的空穴扩散电流。

  在电路中，电流一定是有一个通路的，导通电流的时候，需要从p区抽取电子，向n区注入电子，因此，不必担心p区的空穴会被完全复合或者n区电子被完全耗尽。

  如果施加的是负偏压的话，分析过程是一样的，只不过，负偏压产生的电场驱动的是p区的电子和n区的空穴，也就是说少数载流子，因此不会形成可观的电流。由于本身在边界处的少子密度就很低，在施加了负偏压之后，即已将边界附近的少数载流子密度降至零。而且，少子的密度梯度不会随电压变化，因此p-n结的反向电流很小且几乎不随电压变化。

• MES

  半导体的应用离不开金属。
  金属一方面作为电极，另一方面，一些金属-半导体接触具有像p-n结一样的单向导电性。这就引出了肖特基势垒接触的概念。

  在证时介绍之前，我们先理清几个物理概念。

  • 能级、能带、禁带
    对于孤立的原子，由于不会受到其他化学键的影响，只有能级。而形成晶体的原子会受到其他原子的化学键影响，会形成能级会分裂，形成能带；但是能带之间的间隙是不会存在电子的，因此叫做禁带。
    能级分裂成能带，能带之间的间隙为禁带。

  • 价带、导带
    材料的导电性取决于其能带的电子填充情况。满带中的电子不能输运净电荷，即满带电子不导电，能够导电的只是未满带中的电子。
    在绝对零度，半导体的全部能带以一条特征能隙分界，其下的能带全部被电子占满，其上的能带全部空着。
    被占满的能带中的电子全部为价电子，因而这条能带叫做价带；紧邻其上的空带因为在非零温度下会出现少量与金属中的自由电子相似的、可参与导电的电子，因而叫做导带。
    当温度T>0的时候，半导体价带中有一些能量偏高的电子会越过禁带进入导带，如此，价带和导带都会成为电子的未满带。
    对于金属来说，即使在绝对零度，价带也是未满带，其中的价电子全是自由电子，很难向更高能带激发，也很难从更低能带上获得，因而金属是良导体，导电性不易改变。

  • 费米能级（EF）
    当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的状态下，系统中增加一个电子所引起的系统自由能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米能级。（系统增加一个电子的难度）

    对于金属，绝对零度下，电子占据的最高能级就是费米能级。

    对于n型半导体，其导带中含有较多的自由电子（多数载流子），因此，费米能级接近导带，位于导带之下，参杂浓度越高，能级就越靠近导带底；

    对于p型半导体，其价带中含有较多的自由空穴（多数载流子），因此，费米能级接近价带，位于价带之上，掺杂浓度越高，能级就越靠近价带。
    当形成p-n结的时候，电子和空穴的流动使得n区EFn下降，p区EFp上升，最好直至两者相等达到平衡。

    来看一下金属与半导体接触时候的能带变化。

    由于金属和半导体的费米能级不同，二者紧密接触时，费米能级之差会引起相互间电子的转移。
    转移之后形成阻挡层的两种金属半导体接触，因在半导体表层表现出阻挡其多数载流子像金属转移的势垒，被称为肖特基势垒接触。

    例如，金属-n型半导体，如果满足WM<WS，则电子会从半导体转移到金属，半导体表面会形成一个带正电的空间电荷区。自建电场的方向指向金属，因此，半导体另一侧的电子想要移动到金属侧需要克服很大的阻力，也就形成了一个势垒，空间电荷区称为阻挡层。

    当施加正偏置的时候，自建电场被削弱，势垒降低，电子可以从半导体流向金属，也就出现了从金属流向半导体的电流。负偏压的时候，势垒加大，几乎没有反向电流。

    而形成反阻挡层的金属半导体，是一种欧姆接触，当作纯电极使用。

• MOS

  对于MOS来说，需要强调的一点是，虽然看上去MOS内部有一个p-n结，但是p-n结的作用仅仅是关断的时候用于阻断大电压，在导通的时候，金属-氧化物-半导体相当于一个电容，半导体表面的载流子被推开，半导体表面反型，形成了通电沟道，并没有p-n结参与导通。