流子的行为问答幻灯片

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1、1物理效应物理效应第一章第一章 载流子的行为载流子的行为2o 形成电流的必要条件是要具备载流子，金属导形成电流的必要条件是要具备载流子，金属导电的载流子是自由电子，半导体导电的载流子电的载流子是自由电子，半导体导电的载流子是电子与空穴，电解质溶液的载流子是正、负是电子与空穴，电解质溶液的载流子是正、负离子。离子。o 本章将介绍不同物质接触时，载流子的动向；本章将介绍不同物质接触时，载流子的动向；载流子如何越过能垒、掉入陷阱；电子空穴如载流子如何越过能垒、掉入陷阱；电子空穴如何相互作用形成新的准粒子以及电场到它们何相互作用形成新的准粒子以及电场到它们行为的影响；电场可能使某些区域的电子耗尽，行为

2、的影响；电场可能使某些区域的电子耗尽，另一些地方却积累。另一些地方却积累。o 载流子表现出来的各种效应，在半导体器件、载流子表现出来的各种效应，在半导体器件、传感器等的制造中非常有用，有的还关系到现传感器等的制造中非常有用，有的还关系到现代尖端技术。代尖端技术。 3 第一节第一节 接触电效应接触电效应 两种不同材料接触视目的不同有很多方式，如焊接、两种不同材料接触视目的不同有很多方式，如焊接、合金化、扩散、氧化、真空镀膜等。因为它们可以有不同的相，合金化、扩散、氧化、真空镀膜等。因为它们可以有不同的相，不同的晶态结构、电子结构，所以在其界面上几乎不可避免地不同的晶态结构、电子结构，所以在其界面

3、上几乎不可避免地要形成空间电荷区，由此引起两种材料单独存在时所没有的新要形成空间电荷区，由此引起两种材料单独存在时所没有的新的电效应。的电效应。 金属、半导体、电解液都可金属、半导体、电解液都可“导电导电”，它们的载流子产生分，它们的载流子产生分别为电子、电子和空穴、离子。这里选取的这几种导电物质的别为电子、电子和空穴、离子。这里选取的这几种导电物质的接触不论从原理上还是从应用上都具有代表性，它们是：接触不论从原理上还是从应用上都具有代表性，它们是：金金属属金属、金属金属、金属半导体、金属半导体、金属电解液、电解液、P型半导体型半导体N型半型半导体、金属导体、金属氧化物氧化物半导体接触，半导体

4、接触，金属金属绝缘体绝缘体金属金属。 我们拟从以上接触的微观机制出发定性地讨论宏观可见的我们拟从以上接触的微观机制出发定性地讨论宏观可见的物理效应，主要应用量子力学和固体物理的能带理论。物理效应，主要应用量子力学和固体物理的能带理论。4 一、一、 金属一金属接触金属一金属接触 1.1.金属中价电子的能量金属中价电子的能量 量子力学建立以后，人们认识量子力学建立以后，人们认识到，金属中价电子到，金属中价电子“气体气体”并并不服从经典统计的玻耳兹曼分不服从经典统计的玻耳兹曼分布布(当有保守外力(如重力场、电场等)作用时，气体分子的空间位置就不再均匀分布了，不同位置处分子数密度不同。玻耳兹曼分布律是

5、描述理想气体在受保守外力作用、或保守外力场的作用不可忽略时，处于热平衡态下的气体分子按能量的分布规律)，而服从式而服从式(1-15)所表示的量子统计的费米一狄所表示的量子统计的费米一狄拉克分布。拉克分布。 kTEEEfFexp11)(图图1155 在金属晶体中，价电子不再专属于某个原子，在金属晶体中，价电子不再专属于某个原子，但也不是完全自由，而是在晶格原子的周期势场但也不是完全自由，而是在晶格原子的周期势场中做公有化运动。因此，价电子的许可能级，既中做公有化运动。因此，价电子的许可能级，既不象孤立原子的分立能级，也不象完全自由粒子不象孤立原子的分立能级，也不象完全自由粒子的连续能级，而是由在

6、一定范围内准连续分布的的连续能级，而是由在一定范围内准连续分布的能级组成的能带，相邻两个能带之间有禁带，完能级组成的能带，相邻两个能带之间有禁带，完整晶体中的电子能级不能分布在禁带中，但晶体整晶体中的电子能级不能分布在禁带中，但晶体缺陷及杂质引入的能级可处于其中。缺陷及杂质引入的能级可处于其中。 一、一、 金属一金属接触金属一金属接触 6索末菲认为：索末菲认为：价电子彼此之间没有相互作用，价电子彼此之间没有相互作用，各自独立，在它的运动空间，只在离阳离子各自独立，在它的运动空间，只在离阳离子很近的地方，势能有起伏，如图很近的地方，势能有起伏，如图2- l(a)所所示，总的看来势场起伏很小，因此

7、金属中的示，总的看来势场起伏很小，因此金属中的价电子，可近似地认为处在一个均匀的势场价电子，可近似地认为处在一个均匀的势场中运动，如右图或图中运动，如右图或图2-1(b)所示。所示。 处在金属中的价电子好象处在一个处在金属中的价电子好象处在一个深度为深度为E0的势阱中。在金属与真空的界的势阱中。在金属与真空的界面上，晶格原子的周期性排列被中断，面上，晶格原子的周期性排列被中断，按右上按右上 图电子的势能由图电子的势能由E0突跳到零，突跳到零，如果细致考虑界面的情况，由金属到真如果细致考虑界面的情况，由金属到真空，电子势能将按图空，电子势能将按图2-1(b)所示的规律所示的规律由由E0逐渐达真空

8、能级逐渐达真空能级(指电子在真空的指电子在真空的最低能量，相当真空一个静止电子的能最低能量，相当真空一个静止电子的能量，图中令它为零量，图中令它为零)，构成了金属的表面，构成了金属的表面势垒势垒高度为势垒势垒高度为E0 。 0金属 真空（a）Ef图217在金属中电子的势能为在金属中电子的势能为E0。又可以具有从零到。又可以具有从零到EF的动的动能能Ek， EF称为费米能级，它是称为费米能级，它是0K下，下，价电子价电子允许具有允许具有的最大动能。显然金属中一个电子的总能量的最大动能。显然金属中一个电子的总能量E=E0+Ek。但是，金属中价电子并非能取但是，金属中价电子并非能取0到到EF的任何动

9、能值，的任何动能值，由于由于电子具有波粒二象性和界面对电子波的反射作用，电子电子具有波粒二象性和界面对电子波的反射作用，电子的平动能量也被量子化。的平动能量也被量子化。金属中价电子允许具有的能量金属中价电子允许具有的能量便不是绝对连续的，而是由许多相隔很近的能级组成，便不是绝对连续的，而是由许多相隔很近的能级组成，而且能级间隔不是等距的，与能量而且能级间隔不是等距的，与能量E有关。这种关系可有关。这种关系可用能态密度用能态密度g(E)来表示。所谓态密度就是来表示。所谓态密度就是能量能量E附近附近单位单位能量间隔的量子态数目能量间隔的量子态数目，可以求得金属价电子的能态密，可以求得金属价电子的能

10、态密度为度为 （9-1）式中式中V为金属体积，为金属体积，h为普朗克常数，为普朗克常数，m是电子质量。上是电子质量。上式表明态密度式表明态密度g(E)正比于正比于E。能量越高，态密度越大，。能量越高，态密度越大，能级间隔越小；而能量越低，能级间隔越大。能级间隔越小；而能量越低，能级间隔越大。 2/12/3224EhmVEg8o 图图2-1(b)粗略地表明了这种情况。允许有的粗略地表明了这种情况。允许有的能态按能态按g(E)分布，但不一定为电子所占据，能分布，但不一定为电子所占据，能态被占据的几率由式的费米一狄拉克分布态被占据的几率由式的费米一狄拉克分布f(E)描绘。描绘。知道了态密度知道了态密

11、度g(E)和分布几率函数和分布几率函数f（E），就可），就可以得到电子按能量的分布密度以得到电子按能量的分布密度 （2-2） 也就是单位能量间隔内也就是单位能量间隔内填充的电子数，对于金属，填充的电子数，对于金属，这数目曾表示在式这数目曾表示在式(1-l5（a）)中。中。 EgEfEn图图115kTEEEfFexp11)(9o当电子运动到金属表面，并试图越过界面时，由当电子运动到金属表面，并试图越过界面时，由于总能量于总能量Ep，这种半导体以电子导电为主，故称，这种半导体以电子导电为主，故称之之N型半导体，相应杂质称为施主。型半导体，相应杂质称为施主。若在硅中硼这样的若在硅中硼这样的族元素，就

12、要引入禁带中极接族元素，就要引入禁带中极接近于价带顶的杂质能级近于价带顶的杂质能级EA ( EA-EV=0.045eV )，同，同时提供价带空穴来导电，且时提供价带空穴来导电，且pn，相应有，相应有P型半导型半导体和受主的术语体和受主的术语(如图如图2-4(c)。163.半导体的费米能级半导体的费米能级 半导体在导带底、价带顶附近有同金半导体在导带底、价带顶附近有同金属类似形式的态密度属类似形式的态密度(见图见图2-5)：其中，分别为导带底电子和价带顶空其中，分别为导带底电子和价带顶空穴的有效质量，注意它们并不是电子穴的有效质量，注意它们并不是电子的惯性质量，可以通过回旋共振试验的惯性质量，可

13、以通过回旋共振试验测出。引进有效质量的意义在于它包测出。引进有效质量的意义在于它包括了半导体内部势场的作用，使得解括了半导体内部势场的作用，使得解决电子、空穴在外力（例如电场力）决电子、空穴在外力（例如电场力）作用下的运动规律时，可不涉及内部作用下的运动规律时，可不涉及内部势场的作用，带来极大方便。势场的作用，带来极大方便。 EcEvEgC（E）gV（E）图25 半导体的态密度曲线 EEhmVEgEEhmVEgVpVCnc32/3*32/3*)2(4)2(417半导体中的电子也遵循费密半导体中的电子也遵循费密-狄拉克分布，即量子态狄拉克分布，即量子态E被电子被电子占据的几率为，占据的几率为，被

14、空穴占据的几率为被空穴占据的几率为1f（E），），EF也叫做费密能级，但它也叫做费密能级，但它在能带中的位置与金属有所不同。在能带中的位置与金属有所不同。一般在室温下，本征半导体的费密能级在禁带中线附近它一般在室温下，本征半导体的费密能级在禁带中线附近它可作为一个标准，用可作为一个标准，用 Ei 表示；对杂质半导体，由于引入了杂表示；对杂质半导体，由于引入了杂质能级，使得费密能级质能级，使得费密能级EF 随温度、杂质浓度有较大变化随温度、杂质浓度有较大变化(一一般在杂质浓度不很高时，其杂质原子可视为全部电离般在杂质浓度不很高时，其杂质原子可视为全部电离)：杂质：杂质浓度一定时，温度越高，浓度一

15、定时，温度越高，EF就越向就越向 Ei 方向靠近；温度相同方向靠近；温度相同时，杂质浓度越高，时，杂质浓度越高， EF越远离越远离Ei 。kTEEEfFexp11图图2-6表示了这种影响。表示了这种影响。在杂质半导体中费密能级的在杂质半导体中费密能级的位置不仅反映导电类型，而位置不仅反映导电类型，而且还反映其掺杂水平。且还反映其掺杂水平。图2618利用 积分，还可求出各种类型半导体的载流子浓度n和p，如图27示意。对重掺杂的半导体EF，甚至可进入导带或价带。 dEEfEgVdn1图图27194、半导体表面势、半导体表面势 本征半导体载流子浓度随温度变化很迅速，故用本征半导体载流子浓度随温度变化

16、很迅速，故用本征半导体材料制成的器件很不稳定。而杂质半本征半导体材料制成的器件很不稳定。而杂质半导体的载流于主要来源于杂质电离，浓度恒定，导体的载流于主要来源于杂质电离，浓度恒定，且常温下大大地高于本征载流子浓度。所以为使且常温下大大地高于本征载流子浓度。所以为使器件正常工作，一般都适当掺杂的半导体材料。器件正常工作，一般都适当掺杂的半导体材料。为此我们以后主要讨论杂质半导体的性质。为此我们以后主要讨论杂质半导体的性质。半导体的表面，由于吸附杂质原子、离子，或是半导体的表面，由于吸附杂质原子、离子，或是由于有外电场以及与金属接触，甚至就因为是晶由于有外电场以及与金属接触，甚至就因为是晶体边界，

17、会形成带电的表面层。在外场作用下，体边界，会形成带电的表面层。在外场作用下，它的出现来自于载流子的重新分布，由此在表面它的出现来自于载流子的重新分布，由此在表面与内部之间存在一个电位差，称为表面势。用一与内部之间存在一个电位差，称为表面势。用一些简化模型计算表明，它是随着向晶体内部深入些简化模型计算表明，它是随着向晶体内部深入而按指数变化的。下面分别就而按指数变化的。下面分别就N型和型和P型半导体做型半导体做简要说明。简要说明。 20对对N型半导体，当型半导体，当外加电场外加电场V0(表示方向为由半导体外表示方向为由半导体外指向内，以下类推指向内，以下类推)时，多数载流子电子会向表面积聚，时，

18、多数载流子电子会向表面积聚，形成电子的堆积层，使表面附近的能带下降，即如图形成电子的堆积层，使表面附近的能带下降，即如图2-8(a)所示弯曲情况；所示弯曲情况；当当V0时时，表面附近的电子浓度比内，表面附近的电子浓度比内部小，施主离子凸现出来，构成正电荷层，由于层内电子部小，施主离子凸现出来，构成正电荷层，由于层内电子数很少，故称为耗尽层（图数很少，故称为耗尽层（图2-8（b）；）；当当 ?Vs? 足够大足够大，使能带过分弯曲，或禁带足够窄时，表面处的使能带过分弯曲，或禁带足够窄时，表面处的EF落在禁落在禁带中线带中线Ei之下，使价带顶比导带底离之下，使价带顶比导带底离EF更近，这意味着在更近

19、，这意味着在表面层内空穴浓度将超过电子浓度，形成如由表面层内空穴浓度将超过电子浓度，形成如由2-8(c)的反的反型层型层(由空穴和施主离子组成由空穴和施主离子组成)。对于对于P型半导体，外电场型半导体，外电场V0，V0分别形成由空穴组成分别形成由空穴组成的堆积层，由受主形成的耗尽层，的堆积层，由受主形成的耗尽层，由电子和受主离子组成的反型层，由电子和受主离子组成的反型层，其能带弯曲如图其能带弯曲如图2-8(d)(f)。 可见，表面空间电荷区的不同可见，表面空间电荷区的不同状态是和表面能带弯曲的程度和状态是和表面能带弯曲的程度和方向直接联系着的，由此引入的方向直接联系着的，由此引入的表面势就是表

20、面势就是Vs。图图2821问题一费米能级是：费米能级是：A、材料表面能B、价带顶对应的能量C、导带底对应的能量D、 0K下，价电子允许具有的最大动能E、量子态E被电子占据的几率22 5金属半导体接触金属半导体接触 金属逸出功：金属逸出功： m = = E0 （EF）m半导体的导带底半导体的导带底Ec一般比真空能级一般比真空能级E0低几个电子伏特。与金低几个电子伏特。与金属类似，把属类似，把E0与与EF之差称为半导体的逸出功之差称为半导体的逸出功 s s = = E0 EF同时，把同时，把E0与导带与导带Ec的间隔定义为电子亲和能的间隔定义为电子亲和能s s= = E0 Ec它表示要使半导体导带

21、底的电子逸出体外所需的能量。它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需的能量。 设想：设想：有一块金属和一块有一块金属和一块N型半导型半导体接触，假定金属逸出功大于半导体接触，假定金属逸出功大于半导体逸出功，即体逸出功，即 m s ，显然，显然（EF）S高于高于（EF）S。如图。如图2-9(a)所示。所示。当金属与半导体紧密接触时当金属与半导体紧密接触时(通常称通常称为为MS结结)，半导体中的电子就会向半导体中的电子就会向金属中流动，使金属表面带负电，金属中流动，使金属表面带负电，半导体表面带正电，能带发生相对半导体表面带正电，能带发生相对移动，移动，最后费密能级重合，而达到最后费密能级重合，而

22、达到平衡状态，不再有净电子流动，形平衡状态，不再有净电子流动，形成接触电势差成接触电势差 sme1Vms图2-923这时在半导体接触面处形成一由电离施主构成的较厚的空间这时在半导体接触面处形成一由电离施主构成的较厚的空间电荷区，相当于有一从半导体指向金属的内建电场，在半导电荷区，相当于有一从半导体指向金属的内建电场，在半导体内形成耗尽层。由于层内电子浓度要比体内小得多，因此体内形成耗尽层。由于层内电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻区域，常称为阻挡层。接触电势差绝大部分要它是一个高阻区域，常称为阻挡层。接触电势差绝大部分要降落在阻挡层上。按照前面的讨论，能带要向上弯曲降落在阻挡层上。按照前

23、面的讨论，能带要向上弯曲(如图如图2-9(b)，它在金属与半导体两侧形成的，它在金属与半导体两侧形成的势垒高度势垒高度Wm和和Ws稍稍有不同，相差有不同，相差 。下节将知道，具有这种势垒的结具有整流作用，称为肖脱基下节将知道，具有这种势垒的结具有整流作用，称为肖脱基整流结。整流结。 若若m m、s s、相差比较多，使、相差比较多，使 ，则在接触面处则在接触面处EF将超过禁带中线将超过禁带中线 Ei ，而在半导体表面形而在半导体表面形成反型层，层内空穴浓度远比半导体内高，少数载流子成反型层，层内空穴浓度远比半导体内高，少数载流子(空穴空穴)有向内部扩散的倾向。若在外加电压作用下这有向内部扩散的倾

24、向。若在外加电压作用下这种倾向成为事实称为少数裁流子注入，它在半导体器种倾向成为事实称为少数裁流子注入，它在半导体器件中起重要作用。件中起重要作用。 SFCSEE VCsmEE 2124金属与金属与P型半导体接触，型半导体接触， 时形成反阻挡层；时形成反阻挡层； 时形成阻挡层。时形成阻挡层。 上述表面电荷区有时引上述表面电荷区有时引入一种称为表面态的能态，入一种称为表面态的能态，它对整流结和欧姆结有明它对整流结和欧姆结有明显影响。显影响。 若若m m 0，即金属联正极，N型半导体联负极，将使Ws（结势垒）降低e|V|，从半导体流入金属的电子数增加，而Wm不变，从金属流入半导体的电子数不变。 2

25、6因此显现由半导体进入金属的净电流，因此显现由半导体进入金属的净电流，如图如图2-11(b)。在这个过程中，因由半导。在这个过程中，因由半导体中跃过势垒的能量较低的电子格外多，体中跃过势垒的能量较低的电子格外多，电流增加比电压增加更快，因此随电压电流增加比电压增加更快，因此随电压增加电阻减小。若增加电阻减小。若V0的瞬间，少数载流子电子来的瞬间，少数载流子电子来不急产生，因此不能形成反型层。不急产生，因此不能形成反型层。为补偿金属电极上大量的正电为补偿金属电极上大量的正电荷，在半导体表面出现大量电荷，在半导体表面出现大量电离受主，并且由于受主较稀薄，离受主，并且由于受主较稀薄，这一电荷层较厚，

26、这就是深耗这一电荷层较厚，这就是深耗尽状态（图尽状态（图2-19（e）。但这）。但这是一种非稳态，随着时间的推是一种非稳态，随着时间的推移，半导体内部电子会在移，半导体内部电子会在 VG的的作用下聚集到表面，这时就过作用下聚集到表面，这时就过渡到反型状态（图渡到反型状态（图2-19（d），），它是一种稳态。显然，半导体它是一种稳态。显然，半导体掺杂浓度越高，表面电荷层就掺杂浓度越高，表面电荷层就越薄。由深耗尽态转入反型态越薄。由深耗尽态转入反型态也越困难（即加较大的也越困难（即加较大的VG才可才可转变）。转变）。图2-19452、MOS的电容-电压特性 随着随着VG的变化，半导体形成各种表面状

27、态的过程实质是一个的变化，半导体形成各种表面状态的过程实质是一个充电过程，因此充电过程，因此MOS结构可看成一个电容器，结构可看成一个电容器，其电容其电容C是氧是氧化层电容化层电容C0（定值）（定值）与与半导体表面空间电荷区电容半导体表面空间电荷区电容CS（随（随VG而变）的串联而变）的串联。P型半导体型半导体MOS的理想的理想C- VG特性特性 如图如图2-20所示所示，ABD段对应的空穴的堆积状态，段对应的空穴的堆积状态，DG段则代表耗尽段则代表耗尽状态。若用低频信号（几十赫兹）测量，曲线为（状态。若用低频信号（几十赫兹）测量，曲线为（a），），GE和和EF分别对应反型和强反型状态的形成。

28、若用高频信号分别对应反型和强反型状态的形成。若用高频信号（几千赫兹）测量，曲线为（几千赫兹）测量，曲线为（b），这时电子的产生跟不上），这时电子的产生跟不上信号的变化，不能形成反型状态，因此电容只是耗尽层的贡信号的变化，不能形成反型状态，因此电容只是耗尽层的贡献，为献，为GH段。段。实测实测C- VG特性与图特性与图2-20曲线的形状符合较曲线的形状符合较好。只是整体沿横轴有一些移动。这正是好。只是整体沿横轴有一些移动。这正是违背了理想条件所致，即金属与半导体存违背了理想条件所致，即金属与半导体存在功函数差、氧化层中含正电荷等。在功函数差、氧化层中含正电荷等。MOS的的C- VG特性直接反映了

29、半导体表面空间电特性直接反映了半导体表面空间电荷区在外电场作用下的状态变化情况，是荷区在外电场作用下的状态变化情况，是研究半导体表面和界面的重要手段。研究半导体表面和界面的重要手段。图2-20463.MOS应用之一绝缘栅场效应管 目前使用的绝缘栅场效应管大多以二氧化硅为绝缘目前使用的绝缘栅场效应管大多以二氧化硅为绝缘层，简称为层，简称为MOS管。它同结型场效应晶体管管。它同结型场效应晶体管(见见“P型一型一N型半导体接触型半导体接触”)一样，也是利用载流子沟道一样，也是利用载流子沟道导电，也具有输入阻抗高、噪声低、功耗小、热稳导电，也具有输入阻抗高、噪声低、功耗小、热稳定性好、制造工艺简单等优

30、点。定性好、制造工艺简单等优点。 N沟道沟道MOS管管(图图2-21)是在是在P型半导体衬底上扩散两个型半导体衬底上扩散两个高掺杂的高掺杂的N区，即源区和漏区，即源区和漏区，而它们之间的二氧化区，而它们之间的二氧化硅上的铝层为栅板。它是硅上的铝层为栅板。它是通过栅极电压对漏极电流通过栅极电压对漏极电流的控制作用来工作的。的控制作用来工作的。图22147 (1)增强型MOS晶体管 当当VG=0时，源区、衬底、漏区形成两个背靠背的时，源区、衬底、漏区形成两个背靠背的PN结，无论结，无论VD正负，都有一个正负，都有一个PN结是反偏的，所结是反偏的，所以没有形成导电沟道，以没有形成导电沟道，ID=0。

31、当当VG 0时，它通过绝缘层形成一强电场。由于绝时，它通过绝缘层形成一强电场。由于绝缘层很薄，即使缘层很薄，即使VD只有几伏，电场也高达只有几伏，电场也高达107108Vm。当当VG超过开启电压超过开启电压VT时，半导体时，半导体表面出现反型状态，即出现电子表面出现反型状态，即出现电子层，这就是层，这就是N沟道，它把源区与沟道，它把源区与漏区联接起来，而与衬底又通过漏区联接起来，而与衬底又通过耗尽层绝缘。此时在耗尽层绝缘。此时在VD作用下就作用下就产生了产生了ID，典型的，典型的ID- VD曲线如图曲线如图2-22所示。所示。48区是可变电阻区区是可变电阻区。沟道主要受。沟道主要受VG影响，几

32、乎不受较小的影响，几乎不受较小的VD的影响。的影响。 VG一定，沟道电阻一定，因此一定，沟道电阻一定，因此ID与与VD成线性关成线性关系。系。 VG越正，沟道越厚，电阻越小，曲线越陡。越正，沟道越厚，电阻越小，曲线越陡。区是饱和区区是饱和区。在较大。在较大VD的作用下，沟道从源区的低电位升的作用下，沟道从源区的低电位升高到漏区的高电位，即产生一个横向电位梯度。它与栅极作高到漏区的高电位，即产生一个横向电位梯度。它与栅极作用叠加在一起，愈靠近源区，栅极与沟道间的电位差愈大，用叠加在一起，愈靠近源区，栅极与沟道间的电位差愈大，沟道愈厚；愈靠近漏区，沟道愈薄沟道愈厚；愈靠近漏区，沟道愈薄(图图2-2

33、3(a)。当。当VD大到某大到某一值时，沟道出现夹断现象一值时，沟道出现夹断现象(图图2-23(b)。再进一步增大。再进一步增大VD ，产生夹断区产生夹断区(图图2-23(c)。夹断区电阻很大，夹断区电阻很大， VD几乎全部落在这里，形成几乎全部落在这里，形成强电场，电子一靠近夹断区，就被其迅速拉向强电场，电子一靠近夹断区，就被其迅速拉向漏极。另一方面，沟道内电阻较小其两端电漏极。另一方面，沟道内电阻较小其两端电压基本不变，电场也保持恒定，所以由沟道进压基本不变，电场也保持恒定，所以由沟道进入夹断区的电子流不随入夹断区的电子流不随VD的增大而变，即的增大而变，即I ID不不变。变。 区是击穿区

34、区是击穿区。较大的。较大的VD会使源漏间发生雪会使源漏间发生雪崩击穿，崩击穿， I ID迅速上升。不允许工作于此区，否迅速上升。不允许工作于此区，否则管子将烧坏。则管子将烧坏。图图22349 (2)耗尽型MOS晶体管 这种晶体管的二氧化硅绝缘层中掺有大量正离子，即使在VG=0时也有电场作用在半导体表面而形成反型沟道，因此若有VD就有ID。当VG0时， ID增大。当VD x0 1nm的范围，而在的范围，而在 0 x x0 必须用其它形式描述这个力，必须用其它形式描述这个力， 这是因为：这是因为：220241xeF56当当x可与晶格常数相比时，可与晶格常数相比时，由于电子云的影响，已不能由于电子云

35、的影响，已不能认为金属表面还象认为金属表面还象“镜面镜面”一样均匀了；一样均匀了；按上式，金属表面处按上式，金属表面处(x=0)电子受到的引力将为无穷大，电子受到的引力将为无穷大，电子逸出需要的功也为无穷电子逸出需要的功也为无穷大，显然与实际不符大，显然与实际不符。 0 xx0有有 (2-5) 实际上金属内电子的最大能量为费密能，实际上金属内电子的最大能量为费密能， 因此电子逸出金属需要的最小能量为因此电子逸出金属需要的最小能量为 它称为金属的逸出功。它称为金属的逸出功。xFdxW0 xeEE02016FEE058 2肖脱基效应的解释肖脱基效应的解释 在金属表面加一均匀的加速在金属表面加一均匀

36、的加速电场电场，在此电场作用下，逸，在此电场作用下，逸出电子需要附加势能出电子需要附加势能e x，如图如图2-36直线直线PQ所示，另一所示，另一条虚线条虚线OA是图是图2-35的势垒曲的势垒曲线。图线。图2-36中实线中实线OB是以上是以上两条虚线叠加而成的，它就是两条虚线叠加而成的，它就是外电场下的表面势垒，易见新外电场下的表面势垒，易见新的势垒高度的势垒高度E0比无外场时的比无外场时的E0降低了，这导致更多的电子降低了，这导致更多的电子逸出金属。逸出金属。对于对于xx0处的一个电子，其处的一个电子，其势能为势能为xexeEE02016图图23659 此函数在此函数在 处有最大值，处有最大

37、值， 它比它比E0小小 上式代表逸出功的降低量。上式代表逸出功的降低量。 对于对于 105Vm， 可得可得Xm102 nm和和10102 2 eV，可见，可见逸出功变化很小，但即使这样微小的变化逸出功变化很小，但即使这样微小的变化也可导致发射电流成倍地增长。也可导致发射电流成倍地增长。041exm0321e60在在“热电子效应热电子效应”中已知，热发射电流可用里查逊公式描述，中已知，热发射电流可用里查逊公式描述，即即 把此式的把此式的用用代替，则代替，则 (2-6)由于由于在指数项，所以对电流的影响很灵敏。象理查逊图在指数项，所以对电流的影响很灵敏。象理查逊图那样，那样， 曲线称为肖脱基图曲线

38、称为肖脱基图(如图如图2-37)。Ln Je 应该与应该与 成线性关系，且直线斜率与成线性关系，且直线斜率与T成反比，实验证成反比，实验证明只在明只在 较大时才是这样。由于空间电荷以及不同晶面逸出较大时才是这样。由于空间电荷以及不同晶面逸出功的差异，使得功的差异，使得 较小时严重偏离线性。利用线性部分外推较小时严重偏离线性。利用线性部分外推得到纵轴截距得到纵轴截距ln J，此，此 J 即为无外场时热发射饱和电流。即为无外场时热发射饱和电流。 当当大于大于107 Vm时，电流的实时，电流的实验值周期性地偏离理论值；而当验值周期性地偏离理论值；而当大于大于l08 V m时，实验值则大大地时，实验值

39、则大大地超过理论值；这表示逐渐过渡到场超过理论值；这表示逐渐过渡到场致电子发射致电子发射(见见“隧道效应隧道效应”)。 KTeATJ/2KTKTJeeATJ/2ln J图2-376162 reErEC4263图图23864图图239cos4,2rereErECcos4ermcos3e3e把此值同肖脱基效应的势垒降低值相比，把此值同肖脱基效应的势垒降低值相比，在外加同样大电场的情况下，前者比后在外加同样大电场的情况下，前者比后者大一倍。这是因为，肖脱基效应的镜者大一倍。这是因为，肖脱基效应的镜象正电荷是运动的，而普尔象正电荷是运动的，而普尔-夫伦克尔效夫伦克尔效应的陷阱正电荷是固定不动的。应的陷

40、阱正电荷是固定不动的。 65 KTeKT2/2exp3006667第4节 隧道效应设想在某一维空间，粒子于不同位置设想在某一维空间，粒子于不同位置具有的势能具有的势能V（x）如图）如图2-40所示，即所示，即0 xa的区域形成了一个的区域形成了一个(势势)能垒，称为一维势垒，同样，你可想象二能垒，称为一维势垒，同样，你可想象二维、三维势垒。如果一个能量维、三维势垒。如果一个能量(这里就是动能这里就是动能)EV的微观粒子从的微观粒子从x0的区的区域朝势垒冲过来。按经典力学观念，它绝对不可进入域朝势垒冲过来。按经典力学观念，它绝对不可进入0 xa的区域。然而实验事实却是：的区域。然而实验事实却是：

41、能量能量E低于势垒高度低于势垒高度V的微观粒子不仅进入了的微观粒子不仅进入了0 xa的区域。也就是说，当粒子的的区域。也就是说，当粒子的EV时，波长变为；时，波长变为；o EV时，不能形成具有一定德布罗意波长的波时，不能形成具有一定德布罗意波长的波动，但电子仍能进入此区域的一定深度。若势能区动，但电子仍能进入此区域的一定深度。若势能区域较窄，电子就有可能穿透它而自身动能不变。域较窄，电子就有可能穿透它而自身动能不变。mEhmvh2/VEmh2/70o具有动能具有动能EV的电子入射势垒，定有反射电子波，因此在的电子入射势垒，定有反射电子波，因此在xa区域，若有电子波只能是右传波而无左区域，若有电

42、子波只能是右传波而无左传波，故波函数为传波，故波函数为o在在0 xa区域，由薛定谔方程知波函数除指数衰减项外还有指数增区域，由薛定谔方程知波函数除指数衰减项外还有指数增长项，即长项，即o其中其中 。 为使这三个波函数有实在的物理意义，必须保证为使这三个波函数有实在的物理意义，必须保证o 和和d /dx/dx在在x=0和和x=a处连续。由此得到的粒子透射系数处连续。由此得到的粒子透射系数o是一个与是一个与a，E，V有关的非零值，这就证明了确实存在隧道效应。请有关的非零值，这就证明了确实存在隧道效应。请注意，这里始终强调的是电子的波动性。注意，这里始终强调的是电子的波动性。图图2-40是从实际情况

43、中高度简化出是从实际情况中高度简化出来的方形势垒，可以由这种简单情来的方形势垒，可以由这种简单情况证明电子隧道效应的存在。况证明电子隧道效应的存在。图图240 xiBxiA2exp2exp1xiA2exp2pxDpxC2exp2expEVmhp2/2122/ AAT 71 o 隧道效应可用图隧道效应可用图2-41表示。当粒子能量表示。当粒子能量E较小较小时，粒子隧穿势垒的透射系数时，粒子隧穿势垒的透射系数 （241）图图241hEVmaT24exp上式表明上式表明T一般随势垒高一般随势垒高度度V和宽度和宽度a的增大而迅的增大而迅速减小，例如，速减小，例如，VE=5eV时，若时，若a由由0.1n

44、m变为变为0.5nm，则，则T可下降可下降4个数量级。个数量级。 722.应用之一应用之一 衰变衰变 o某些重原子核能够发射粒子某些重原子核能够发射粒子(氦原子核氦原子核)而使原子序数减小，此过程称为衰变。而使原子序数减小，此过程称为衰变。对不同的放射性核，发射粒子所需的平对不同的放射性核，发射粒子所需的平均时间大不相同，重核物质的半衰期也均时间大不相同，重核物质的半衰期也大不相同。大不相同。 图图242 粒子在重核内受到一种极大的吸力，其大小要比核中其他粒子在重核内受到一种极大的吸力，其大小要比核中其他质子对它的库仑斥力大得多，因而能够被牢固地束缚在核中。这质子对它的库仑斥力大得多，因而能够

45、被牢固地束缚在核中。这种核吸力的作用范围很短，种核吸力的作用范围很短， 粒子一旦处于核外，吸力就迅速减粒子一旦处于核外，吸力就迅速减小为零，库仑斥力变得占绝对主导地位。小为零，库仑斥力变得占绝对主导地位。 粒子的势能作为它距粒子的势能作为它距核中心距离核中心距离r的函数，大致如图的函数，大致如图2-42表示，表示， 粒子好象处于三维粒子好象处于三维势垒包围的势阱中。按经典理论，势垒包围的势阱中。按经典理论， 衰变现象很令人费解，因为衰变现象很令人费解，因为处于核中的处于核中的粒子没有足够的能量克服那么大的吸力逸出原子核。粒子没有足够的能量克服那么大的吸力逸出原子核。随着隧道效应的提出，此问题迎

46、刃而解。随着隧道效应的提出，此问题迎刃而解。 73可以假定可以假定 粒子在核中来回运动，核物理学证明这个运动速度大约为粒子在核中来回运动，核物理学证明这个运动速度大约为107ms，核半径，核半径=1014 m， 粒子每秒大约撞击核壁粒子每秒大约撞击核壁(势垒势垒)1021次，所以次，所以1s内从核中穿出的几率为内从核中穿出的几率为P=1021T，核的平均寿命就为，核的平均寿命就为 1/P1/P10102121 T T，其中，其中T为透射系数。为透射系数。 o图图2-42的势垒远不是方形势垒所以的势垒远不是方形势垒所以T并不象前述那样并不象前述那样简单，但仍可用方形势垒大致估计。对铀简单，但仍可

47、用方形势垒大致估计。对铀238，势垒宽度，势垒宽度 r r1 1r r2 231014 m，VE=12MeV，粒子质量，粒子质量m=6.41027 kg，得透射系数，得透射系数T e89，所以，所以oP1021ee8989 s s1 1 7 71011（年年1）。）。o这一结果还表明，在一年的时间里每摩尔的铀这一结果还表明，在一年的时间里每摩尔的铀238原子原子核大约发射核大约发射1011 mol的的 粒子。由此估计出铀粒子。由此估计出铀238的半的半衰期为衰期为0.5/7 10117 109(年年)，与实验值，与实验值4.5 109(年年)符合得很好。因为符合得很好。因为VE和和 出现在指数

48、上，出现在指数上，灵敏地影响着透射系数，所以不同元素的半衰期有很大差灵敏地影响着透射系数，所以不同元素的半衰期有很大差别，例如，钋别，例如，钋212的半衰期只有的半衰期只有310-7s。 743.应用之二应用之二隧道二级管隧道二级管 o当杂质浓度很高时，当杂质浓度很高时，P型半导体的费密能级要进入型半导体的费密能级要进入价带，而价带，而N型半导体的费密能级则要进入导带，这两型半导体的费密能级则要进入导带，这两种半导体构成种半导体构成PN结时，能带如图结时，能带如图2-43(a)。至于能。至于能带弯曲的原因请参考带弯曲的原因请参考“接触效应接触效应”。具有这样的。具有这样的PN结结(隧道结隧道结

49、)的二极管叫做隧道二级管，它的特性与的二极管叫做隧道二级管，它的特性与用途同普通整流二极管有所不同。隧道结未加电压用途同普通整流二极管有所不同。隧道结未加电压时能带如图时能带如图2-43(a)两侧费密能级相等，无隧道电两侧费密能级相等，无隧道电流流o加一很小的正向电压，加一很小的正向电压，N区能带相对于区能带相对于P区升高，区升高，如图如图2-43(b)，N区费密能级高于区费密能级高于P区的，产生一正区的，产生一正向小隧道电流；增大正向电压，隧道电流也增加，向小隧道电流；增大正向电压，隧道电流也增加，o当当P费密能级与费密能级与N区导带底一样高时，区导带底一样高时，N区穿过隧区穿过隧道结区进入

50、道结区进入P区的电子最多，电流也最大，如图区的电子最多，电流也最大，如图2-43(c)o再增大正向电压，再增大正向电压，P区价带与区价带与N区导带能级交叠部区导带能级交叠部分减少，隧穿电子数减小，电流减小，如图分减少，隧穿电子数减小，电流减小，如图2-43(d)；o当正向电压大到使当正向电压大到使P区价带顶与区价带顶与N区导带底持平时，区导带底持平时，无上述隧道电流，但由于杂质，缺陷等原因引起的无上述隧道电流，但由于杂质，缺陷等原因引起的小电流，如图小电流，如图2-43(e)；o增加正向电压，隧道结与一般增加正向电压，隧道结与一般PN结特性相同；当结特性相同；当加反向电压时，加反向电压时，N区

51、能带相对于区能带相对于P区降低，如图区降低，如图2-43(f)，产生反向隧道电流，并随电压增加而迅速增，产生反向隧道电流，并随电压增加而迅速增大大 图图24375o隧道效应本质上是一量子隧道效应本质上是一量子跃迁，电子穿越势垒极其迅跃迁，电子穿越势垒极其迅速，这使隧道二极管可在极速，这使隧道二极管可在极高频率下高频率下(1011Hz)工作，工作，此外它还有噪声低、功耗小、此外它还有噪声低、功耗小、工作温度范围大等优点。因工作温度范围大等优点。因此隧道二极管可广泛应用于此隧道二极管可广泛应用于微波混频、检波、低噪声放微波混频、检波、低噪声放大振荡以及超高速开关逻辑大振荡以及超高速开关逻辑电路、触

52、发器和存贮器等电路、触发器和存贮器等。由以上分析可知隧道二极管的电流一电压特性如图由以上分析可知隧道二极管的电流一电压特性如图2-44，字，字母序列与图母序列与图2-43是对应的；其中是对应的；其中ce段是负阻区，有重要应用段是负阻区，有重要应用图图24476 4.应用之三场致电子冷发射 o我们知道，热阴极在外电场作用下我们知道，热阴极在外电场作用下会发射更多的电子会发射更多的电子(见见“肖脱基效肖脱基效应应”)在电场很强时，即使阴极不加在电场很强时，即使阴极不加热，也有较大的电子流发射，这就是热，也有较大的电子流发射，这就是场致电子冷发射。金属、半导体都存场致电子冷发射。金属、半导体都存在这

53、种效应。在这种效应。o 逸出金属表面的电子，其势能逸出金属表面的电子，其势能必然高于金属内的电子，它的大小由必然高于金属内的电子，它的大小由图图2-45虚线表示，也就是说，这是虚线表示，也就是说，这是一个限制电子于金属内的势垒。现给一个限制电子于金属内的势垒。现给金属加一均匀强电场，使金属电位低金属加一均匀强电场，使金属电位低于外界，那么金属表面以外的电子在于外界，那么金属表面以外的电子在原来势能的基础上又附加了一个均匀原来势能的基础上又附加了一个均匀变化的电位能变化的电位能(如图点划线如图点划线)，二者共，二者共同作用的结果是金属内部电子受到一同作用的结果是金属内部电子受到一个实线表示的势垒

54、的限制。个实线表示的势垒的限制。 图图24577o 按照隧道效应原理，金属中的电子会有贯穿这一势垒的按照隧道效应原理，金属中的电子会有贯穿这一势垒的几率，外电场越大，势垒越窄，由此可得场致发射电流几率，外电场越大，势垒越窄，由此可得场致发射电流随外电场的增加而接指数迅速增大。此电流即使在绝对随外电场的增加而接指数迅速增大。此电流即使在绝对零度时也存在。零度时也存在。o 实验测出的电流远比理论计算的大，这是因为金属实验测出的电流远比理论计算的大，这是因为金属表面凸凹不平，局部曲率很大，使表面附近电场甚大于表面凸凹不平，局部曲率很大，使表面附近电场甚大于远离表面处的电场。正因为如此，利用场致电子发

55、射的远离表面处的电场。正因为如此，利用场致电子发射的场合都把发射电子的阴极做成针状。单针阴极是一种场合都把发射电子的阴极做成针状。单针阴极是一种“高亮度高亮度”电子源，用于扫描电子显徽镜，电子束光刻电子源，用于扫描电子显徽镜，电子束光刻机等；多针阴极加大了发射电流，可用于研究各种辐射，机等；多针阴极加大了发射电流，可用于研究各种辐射，激发气体激光，产生强的激发气体激光，产生强的x光及超强的可见单色光；此光及超强的可见单色光；此外还有等离子体场致发射阴极等。外还有等离子体场致发射阴极等。785应用之四应用之四扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM) o扫描隧道显微镜的核心是一个极扫描隧道显微镜的核

56、心是一个极尖锐的探针，如图尖锐的探针，如图2-46(a)，它能，它能够在精密的压电系统控制下沿够在精密的压电系统控制下沿x、y、z方向移动，沿方向移动，沿z方向的移动以调节方向的移动以调节针尖与样品之间的距离，在针尖与样品之间的距离，在xy面内面内的移动用以扫描样品表面。的移动用以扫描样品表面。o对于电子来说，针尖与样品之间对于电子来说，针尖与样品之间的间隙，粗略地看宛如一个图的间隙，粗略地看宛如一个图2-46(b)右边所示的势垒，在二者之右边所示的势垒，在二者之间外加偏压，电子就会有如式间外加偏压，电子就会有如式(2-9)表示的透射系数表示的透射系数T，穿过间隙，穿过间隙(势垒势垒)的电子形

57、成纳安的电子形成纳安(A)级的隧级的隧道电流，它与偏压和电子透射系数道电流，它与偏压和电子透射系数T成比例，即隧道电流成比例，即隧道电流图图246kaSSeVJ279o上式右边第二个因子对应透射系数，间隙上式右边第二个因子对应透射系数，间隙a以外的因素归并在以外的因素归并在k之中，之中， , , V为势垒高度。为势垒高度。o式式(2-9)已表明透射系数对间隙已表明透射系数对间隙a非常敏感，自然隧道电流非常敏感，自然隧道电流Js对对a也非常敏感。由于表面原子的排布，探针沿样品表面扫也非常敏感。由于表面原子的排布，探针沿样品表面扫描间隙描间隙a是一个变量，即隧道电流是位置的函数，它反映了样是一个变

58、量，即隧道电流是位置的函数，它反映了样品表面的凸凹状况。品表面的凸凹状况。o实际测量时，靠样品表面被测点的隧道电流提供的反馈信号改实际测量时，靠样品表面被测点的隧道电流提供的反馈信号改变加在变加在z向压电元件上的电压向压电元件上的电压Vp，使探针移动以维持针尖与样，使探针移动以维持针尖与样品之问的间隙品之问的间隙a恒定，恒定，z向压电元件上所加电压向压电元件上所加电压Vp的变化，反映的变化，反映了针尖在了针尖在x-y面扫描时运动的轨迹，这就是样品表面的形貌。将面扫描时运动的轨迹，这就是样品表面的形貌。将此信号送交图象处理和显示系统，便可以得到具有此信号送交图象处理和显示系统，便可以得到具有0.

59、1nm量级量级超高分辨率的表面原子排布图象，它是研究固体表面原予结构的超高分辨率的表面原子排布图象，它是研究固体表面原予结构的有力手段有力手段扫描隧道显微镜也为探讨吸附、催化和腐蚀等的机理扫描隧道显微镜也为探讨吸附、催化和腐蚀等的机理以及利用表面效应制造新型器件提供了方便。以及利用表面效应制造新型器件提供了方便。o1983年用它首次观察到年用它首次观察到Si(111)表面表面77的大元胞的大元胞(见图见图2-46(c)，在科学界引起强烈反响。中科院化学所，北京电子显，在科学界引起强烈反响。中科院化学所，北京电子显微镜实验室先后建立了微镜实验室先后建立了STM，中科院上海原于核所也于，中科院上海

60、原于核所也于1989年初研制成了数字化的年初研制成了数字化的STM，不仅用它获得了固体表面的原子，不仅用它获得了固体表面的原子图象，还首次获得了图象，还首次获得了DNA新构型新构型平行双链平行双链DNA和三链辫状和三链辫状DNA的的STM图象。图象。hmVk2/12280o 扫描隧道探针不仅是观察原子世界的工具(为了不引起样品表面结构变化，通常探针与样品之间的电压V)，而且还可用它进行微加工，当针尖与样品间电压V时，相应能量的电子足以引起表面原子迁移，键断裂和一些化学反应。人们正探索用扫描隧道探针拖动原子，在硅片上形成用原子排列的金属点和线，在表面刻线或构图。看来在原子、分在水平上构造材料和器

61、件的时代就要到来，纳诺技术(Nanotechnology)正在兴起。o 扫描隧道显微镜一般适于导体样品，对绝缘体样品不适用。宾尼发明STM后自问，能用隧道电流成象，为什么不能用力来成象? 1985年他叉提出了原子力显微镜(AFM)的设想，并于1986年实现。 81o原理如图原理如图2-47所示。一个针尖装所示。一个针尖装在一个灵敏的悬臂粱上，针尖上的原在一个灵敏的悬臂粱上，针尖上的原子与样品表面原子之间的相互作用力子与样品表面原子之间的相互作用力使悬臂梁在垂直样面表面方向发生偏使悬臂梁在垂直样面表面方向发生偏转，偏转是针尖与样品表面原子距离转，偏转是针尖与样品表面原子距离的函数，是对表面形貌的

62、响应。这偏的函数，是对表面形貌的响应。这偏转使在悬臂粱上面的镜面反射的激光转使在悬臂粱上面的镜面反射的激光束发生偏转，光电位移探测器可灵敏束发生偏转，光电位移探测器可灵敏地探测光束的位移地探测光束的位移o原子力显微镜的关键是既要测出原原子力显微镜的关键是既要测出原子间的微小力，又不要扰乱表面原于子间的微小力，又不要扰乱表面原于的结构。悬臂梁是用的结构。悬臂梁是用SiO2膜或膜或Si3N4膜采取光刻的方法制成的横向尺度为膜采取光刻的方法制成的横向尺度为100 m，厚度为，厚度为l m的，弹性系数的，弹性系数为为0.11Nm的精细的梁，针尖是的精细的梁，针尖是小颗金刚石胶合而成。原子力显微镜小颗金

63、刚石胶合而成。原子力显微镜可探测可探测001nm的位移，对导体、的位移，对导体、绝缘体样品都适用。绝缘体样品都适用。1988年中科院年中科院化学所也研制出了达到原子量级分辨化学所也研制出了达到原子量级分辨率的原子力显微镜。率的原子力显微镜。82图图2481电介质的齐纳效应电介质的齐纳效应电介质的能带为图电介质的能带为图2-48(a)的形状。当外加向左的匀强电场时，左方电子的形状。当外加向左的匀强电场时，左方电子电位降低，但电子能量增大，故能带相对上升，而右方能带相对下降，即电位降低，但电子能量增大，故能带相对上升，而右方能带相对下降，即能带发生倾斜，如图能带发生倾斜，如图2-48(b)所示。左

64、方能量为所示。左方能量为E的电子在电场作用下有右的电子在电场作用下有右边漂移的趋势，但要受到三角形势垒边漂移的趋势，但要受到三角形势垒ABC的阻拦，因而不能实现。若电的阻拦，因而不能实现。若电场很大，情况就不同了，此时能带倾斜得很厉害，使势垒宽度场很大，情况就不同了，此时能带倾斜得很厉害，使势垒宽度a较窄，根较窄，根据隧道效应原理，电子有较大的几率从据隧道效应原理，电子有较大的几率从A点跃迁到点跃迁到B点。实现这种跃迁的点。实现这种跃迁的电子不仅由价带进入了导带，而且能在电场作用下向右漂移。电子不仅由价带进入了导带，而且能在电场作用下向右漂移。 83agdxxeEhT024exp84DDXVV

65、/图2-4985a = EgXD / e ( VD + V )863.齐纳二极管齐纳二极管 图2-5087图图25188第第6节节 耿氏效应耿氏效应 1963年耿氏发现，在年耿氏发现，在N型砷化镓半导体两端加上电型砷化镓半导体两端加上电压，当内部电场强度超过压，当内部电场强度超过310Vm时，其电流时，其电流就会以很高的频率振荡，达几千兆赫。后来这种效就会以很高的频率振荡，达几千兆赫。后来这种效应被命名为耿氏效应。应被命名为耿氏效应。 耿氏所用的砷化镓除具有与电极的欧姆接触外，耿氏所用的砷化镓除具有与电极的欧姆接触外，不含有不含有PN结及其他任何结，因此这种效应同光电效结及其他任何结，因此这种

66、效应同光电效应、霍耳效应、热阻效应等一样，完全是一种应、霍耳效应、热阻效应等一样，完全是一种“体体效应效应”。耿氏用探针测出了样品的电位分布，确认。耿氏用探针测出了样品的电位分布，确认电场明显不均匀，且高场区域周期性地从阴极向阳电场明显不均匀，且高场区域周期性地从阴极向阳极运动，说明电荷也是周斯性地运动，他还发现电极运动，说明电荷也是周斯性地运动，他还发现电流振荡频率近似等于载流子在电场作用下漂移过样流振荡频率近似等于载流子在电场作用下漂移过样品长度所需时间的倒数。所以耿氏效应又是一种品长度所需时间的倒数。所以耿氏效应又是一种“转移电子效应转移电子效应”。 89 里德利里德利沃特金斯和希尔萨姆的转移电子理论对耿沃特金斯和希尔萨姆的转移电子理论对耿氏效应做出了解释，它是以某些半导体导带的多能氏效应做出了解释，它是以某些半导体导带的多能谷结构为基础的。让砷化镓晶体承受强大的流体静谷结构为基础的。让砷化镓晶体承受强大的流体静压力，使其改变能带结构，结果观察到了理论预期压力，使其改变能带结构，结果观察到了理论预期的效应，这个实验证明了转移电子理论的正确性。的效应，这个实验证明了转移电子理论的正