12.接触产生奇迹

第3节介绍的猫胡子侦测器，是世界上第一个无线电通讯半导体器件。从原理上来说，它实际上就是一个点接触二极管。是一个利用金属和半导体相接触，而产生整流效应的器件。

两种不同的材料相接触，或者同种材料但进行不同的掺杂后接触在一起时，电性能会有些什么样的变化呢？

即使是用一种单一的材料做成器件，使用的也只是晶体的一小块。晶体的各个面都和别的材料，或者空气相接触。而晶体的能带图，是将晶格假设成无穷延伸的周期结构而得出来的结论。所以实际上，能带的结构在靠近固体表面的地方应该有所不同。换言之，对半导体器件来说，表面效应以及不同材料接触后产生的变化，举足轻重，不可忽视，接触能产生奇迹，有很多时候甚至是表面效应决定了器件的特性。

固体能带的形成是基于3维晶体的周期性，任何切割或加工都是对晶格的周期性和对称性的破坏。这种破坏效应增加了混乱，减少了电子运动的有序性，电子运动的可能状态将会增多，从而也就在原来能带图的基础上增加出许多附加能级。

材料切割处的表面势场不再与晶体内部的周期性势场相同了，所以材料表面的电子能级分布会发生变化。从晶体结构看，由于晶格在表面终止，使得表面上的每个硅原子都有了一个未饱和键，它所对应的电子状态就是一类表面能级（达姆能级），如图12.1（a）所示。

图12.1

这些表面能级将如何影响半导体的能带呢？下面举切割了的n型半导体材料为例来说明这个问题。

对图12.1b所示的n型半导体来说，电子是多数载流子。上一节中已经说明过了：n型半导体因为共有的电子更多，而具有更高的费米能级。那些在导带底部悬挂能级中居住的共有电子，虽然高高在上，却也住累了，颇感‘高处不胜寒’。有一天，它们突然高兴地发现，右侧（图b中的假设）切割出来一个边沿部分，并且盖起了许多更低的小房子（表面能级）。于是，这些电子便争先恐后地搬家，从内部向表面扩散迁移。

不知道读者们注意到没有？这次所说的‘电子搬家’和前几节中的搬家有点不同。原来那种搬家的意思是指共有电子在不同的能级上跳来跳去，它们的运动状态改变了，但它们仍然是在整个晶体里到处游荡的自由电子，只不过跑得快点或慢点而已。而刚才一段中，我们说的是表面能级，表面能级只在固体的表面存在，因此，所谓‘电子占据了表面能级’，不仅仅是占据了那个量子态，而且电子还真正地来到了半导体的表面上，它的运动不再如原来那么自由自在，而是被局限在半导体的表面附近！相应的，图12.1所示的能带图中的横轴，也不是通常能带图中显示的波矢k，而是真实的空间，图中用“晶体外”、“晶体内”来表示空间坐标从切割面向两边的扩展。

既然电子是‘真正地’把家搬到了半导体表面，它们的行动便破坏了表面附近电荷的平衡。因为在三维n型半导体结构的内部，虽然存在多数载流子（电子），但平均来说，晶体仍然是处处电中性的。现在，部分电子搬到了表面，带正电的原子核却总是被固定在晶格上无法移动。n型半导体表面有了更多的电子，带上了负电。离表面很近的某一层晶面，则会因缺失电子而带上正电。所以，电子向表面移动后的结果，使得n型半导体表面附近产生了一个指向晶体表面的反向电动势。这个反向内电场形成一个势垒，阻止别的电子继续往表面搬家，它的效果使得电子的能带在晶体边沿部分向上弯曲，如图12.1b所示。

对p型半导体进行类似的分析，便可得出结论：在p型半导体的表面附近，电子的能带向下弯曲，如图12.1c所示。

一个能带向上弯，一个能带向下弯。那么，如果让图12.1b的n型半导体，和图12.1c的p型半导体的切割面接触在一起，会产生什么现象呢？

首先，它们原来的费米能级不相同。因此，一定会有载流子的输运现象发生。正好n型半导体的表面聚集了带负电的电子，p型半导体的表面聚集了带正电的空穴，接触后它们便复合而消失了。当然，实际情况中，并不是将切割后的两种形态半导体‘接触在一起’，而是在一块晶片的两边掺以不同的杂质而实现的。总之，在达到热平衡状态时，两边的费米能级相等，在拉平费米能级的同时，双方能带的上弯下弯部分连续地结合起来。最后，界面附近的电荷分布以及能带弯曲情况将如图12.2a所示。

图12.2 pn结的整流效应

平衡时，在界面附近形成一个从n型指向p型的内电场的薄层。其中两边的多数载流子（电子和空穴）互相扩散而复合，造成在这片区域中只有电场而没有了原来的载流子。人们便说：载流子被‘耗尽’了！因而将此区域叫做‘耗尽层’，也有文献称之为空泛区。包含了这片薄层的半导体结构也就是通常所谓的pn结。

所以，pn结说起来也很简单，不过就是半导体的能带发生了突变的一段区间。

打个比方，如图12.2a，对电子来说，p型半导体（左）和n型半导体（右）就像是两片不同的高地，左边比右边的地势高很多，电子就如同蓝色的海水，费米能级犹如海平面。动态平衡时，大多数电子在地势较低的右边，p型地区的电子要少一些，‘耗尽层’就是连接高地到低处的斜坡，它阻挡电子由n向p流动。这时，两边的海平面是完全平坦的，无风无浪，波澜不惊。

现在，如果我们将pn结的两端接上电源，又会发生什么现象呢？

首先假设所接电源的极性是p端正n端负，如12.2b所示，即所谓的正向偏压。这个电源的电动势方向与pn结的内电场方向相反，起着抵消内电场、减少耗尽层的作用。小小的电子有了外加电压撑腰，被阻挡的作用减弱了，不由得猖狂起来，大量地涌入p型区域，海平面不再平坦，海上掀起了波浪。费米面变成一边高一边低（n高p低），这是因为有了电源，平衡被打破的象征，也是驱使电子从n型不断流向p型的动力。所以，在正向偏压下，电子高兴地流过pn结，形成电流。

反之，如果电源的极性是p负n正（图12.2c），所谓反向偏压的话，电源电压与pn结内部阻挡电场的方向一致，其结果是使得耗尽层加宽，斜坡变长变陡，电子比原来还更难跳到p型区域中去，只好停留在n型半导体中。因此，pn结在反向偏压下，不能导电。

刚才解释了pn结（二极管）的单向导电性，也就是整流性。处于反向偏压下的pn结，不能导电，只有很小的漏电流。但是，如果将反向偏压加大再加大，又会发生一些奇怪的事情，这时的二极管将会被击穿。图12.2d所示的便是这种情况，与12.2c不同的是，这时候的p型半导体的价带顶部，已经超过了n型半导体的导带底部，使得p型半导体价带内的电子能涌入到n型半导体的导带中，形成很大的反向电流，因而称之为‘击穿’，反向击穿的发生一般来说会破坏二极管，但是如果控制得好的话，可以利用它来实现‘稳压’的功能，这是稳压二极管的工作原理。

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