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1、Semiconductor Physics,2020/9/20,1,PN结半导体器件基本结构之一,半导体器件主要有67种，还有110个相关 的变种，但都是由少数的基本模块构成： pn结 金属半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格,Semiconductor Physics,2020/9/20,2,1 p-n结及其基本概念,(1) p-n结的形成 (2) p-n结的基本概念,Semiconductor Physics,2020/9/20,3, p-n结的形成 p-n结的形成 控制同一块半导体的掺杂,形成pn结 (合金法; 扩散法; 离子注入法等) 在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体 同
2、质结和异质结 由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结-同质结 由两种不同的半导体单晶材料组成的结异质结,Semiconductor Physics,2020/9/20,4,工艺简介: 合金法合金烧结方法形成pn结 扩散法高温下热扩散,进行掺杂 离子注入法将杂质离子轰击到半导体基片中掺杂分布主要由离子剂量和注入离子的能量决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量是在1011-1016离子数/cm2范围），用于形成浅结 杂质分布的简化近似: 突变结 适用于离子注入浅结扩散和外延生长，Xj3um,Semiconductor Physics,2020/9/20,5,图6-2,图6-3
3、,合金法,Semiconductor Physics,2020/9/20,6,扩散法,离子注入法,Semiconductor Physics,2020/9/20,7, p-n结的基本概念 空间电荷区: 在结面附近, 由于存在载流子浓度梯度,导致载流子的扩散. 扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷-空间电荷(电离施主,电离受主). 空间电荷区中存在电场-内建电场,内建电场的方向: np . 在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.,Semiconductor Physics,2020/9/20,8,Semiconductor Physics,2020/9/20,9,平衡p-n结及其能带图: 当无外
4、加电压, 载流子的流动终将达到动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消, 电荷没有净流动), p-n结有统一的EF (平衡pn结) 结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成势垒区(即空间电荷区).,Semiconductor Physics,2020/9/20,10,热平衡条件,P,N,Hole,Silicon (p-type),Silicon (n-type),Semiconductor Physics,2020/9/20,11,qVD,Semiconductor Physics,2020/9/20,12,接触电势差: pn结的势垒高度eVD 接触电势差VD(Vbi) 对非简并半导体,饱和
5、电离近似,接触电势为: VD与二边掺杂有关, 与Eg有关,Semiconductor Physics,2020/9/20,13,图6-8,电势,电子势能(能带),Semiconductor Physics,2020/9/20,14,平衡p-n结的载流子浓度分布: 当电势零点取x=-xp处,则有: 势垒区的载流子浓度为:,Semiconductor Physics,2020/9/20,15,即有:,-,Semiconductor Physics,2020/9/20,16,Semiconductor Physics,2020/9/20,17,平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点: 同一种载流子在势
6、垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼关系 处处都有np=ni2 势垒区是高阻区(常称作耗尽层),Semiconductor Physics,2020/9/20,18,2 p-n结的电流电压特性,(1) dEF/dx与电流密度的关系 (2) 正向偏压下的p-n结 (3) 反向偏压下的p-n结 (4) 理想p-n结 (5) 伏安特性,Semiconductor Physics,2020/9/20,19, dEF/dx与电流密度的关系 EF随位置的变化与电流密度的关系 热平衡时, EF处处相等, p-n结无电流通过(动态平衡). 当p-n结有电流通过, EF就不再处处相等. 且,电流越大, EF随位置的变
7、化越快.,Semiconductor Physics,2020/9/20,20,总之: 是否有电荷流动, 并不仅仅取决于是否存在电场 当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓度成反比 上述讨论也适用于电子子系及空穴子系 (用准费米能级取代费米能级):,Semiconductor Physics,2020/9/20,21,Semiconductor Physics,2020/9/20,22, 正向偏压下的p-n结,势垒: 外电压主要降落于势垒区 加正向偏压V, 势垒高度下降为 e(VD-V), 势垒区宽度减少.,图6-10,Semiconductor Physics,2020/9/20,23,
8、非平衡子的电注入: 正向偏压下,势垒区内电场减少载流子的扩散流漂移流非平衡载流子电注入形成少子扩散区. (外加正向偏压增大,非平衡载流子电注入增加) 边界处的载流子浓度为: 稳态时,扩散区内少子分布也是稳定的.,Semiconductor Physics,2020/9/20,24,正向偏压下非平衡少子的分布,Semiconductor Physics,2020/9/20,25,电流: 在体内,电流是多子漂流电流 在少子扩散区,多子电流主要是漂流电流;少子电流是扩散电流 讨论空穴电流的变化: 在电子扩散区,空穴(多子)边漂移边与电子复合; 势垒区很薄,势垒区中空穴电流可认为不变;在空穴扩散区,空
9、穴(少子)边扩散边与电子复合. 类似地, 可讨论电子电流的变化:,Semiconductor Physics,2020/9/20,26,稳态下, 通过任一截面的总电流是相等的 J=J+J- = J+(xn)+ J- (-xp) 绿色: 漂移电流. 紫色: 扩散电流.,Semiconductor Physics,2020/9/20,27,准费米能级: EF-, EF+ 在势垒区,扩散区, 电子和空穴有不同的准费米能级: 在扩散区, 可认为多子的准费米能级保持不变 在势垒区, 近似认为准费米能级保持不变 在扩散区, 少子的准费米能级与位置有关,且有:,Semiconductor Physics,2
10、020/9/20,28,Semiconductor Physics,2020/9/20,29, 反向偏压下的p-n结,势垒高度: e(VD+|V|) 非平衡子的电抽取: (也形成少子扩散区),Semiconductor Physics,2020/9/20,30,Semiconductor Physics,2020/9/20,31,Semiconductor Physics,2020/9/20,32,电流: 仍有 J=J+J-= J+(xn)+ J- (-xp) 正向偏压时，在少子扩散区, 少子复合率产生率(非平衡载流子注入); 反向时, 产生率复合率(少数载流子被抽取) 反向时, 少子浓度梯度
11、很小反向电流很小 准费米能级: 在势垒区,Semiconductor Physics,2020/9/20,33,Semiconductor Physics,2020/9/20,34,Semiconductor Physics,2020/9/20,35,Semiconductor Physics,2020/9/20,36, 理想p-n结,小注入条件 突变结,耗尽近似可认为外加电压全降落于耗尽层 +在扩散区,少子电流只需考虑扩散 忽略耗尽层中的产生,复合 通过耗尽层时,可认为电子电流和空穴电流均保持不变 玻耳兹曼边界条件,Semiconductor Physics,2020/9/20,37, 伏安
12、特性,定性图象 正向偏压下,势垒降低,非平衡少子注入,正向电流随正向电压的增加很快增加. 反向偏压下,势垒升高,非平衡少子被抽取,反向电流很小,并可达到饱和.,Semiconductor Physics,2020/9/20,38,Semiconductor Physics,2020/9/20,39,Semiconductor Physics,2020/9/20,40,少子在扩散区中的分布: 空穴扩散区 电子扩散区,Semiconductor Physics,2020/9/20,41,少子扩散电流: 边界处的少子扩散电流为,Semiconductor Physics,2020/9/20,42,J
13、V特性:,Semiconductor Physics,2020/9/20,43,pn junction diode,Semiconductor Physics,2020/9/20,44,对JV特性的说明: 单向导电性: 反向饱和电流Js 温度的影响: T, Js很快增加 单边突变结: Js的表达式中只有一项起主要作用只需考虑一边的少子扩散 正向导通电压: Eg越大的材料,具有更大的正向导通电压.,Semiconductor Physics,2020/9/20,45,Semiconductor Physics,2020/9/20,46, p-n结击穿,现象: 对p-n结施加反向偏压时, 当反向偏
14、压增大到某一数值时, 反向电流密度突然开始迅速增大. 发生击穿时的反向偏压- p-n结的击穿电压. p-n结击穿的基本原因: 载流子数目的突然增加.,Semiconductor Physics,2020/9/20,47,击穿机理: 雪崩击穿强电场下的碰撞电离, 使载流子倍增 隧道击穿大反向偏压下, 隧道贯穿使反向电流急剧增加 热电击穿不断上升的结温, 使反向饱和电流持续地迅速增大,Semiconductor Physics,2020/9/20,48,3 p-n结电容,(1) 电容效应 (2) 突变结的空间电荷区 (3) 突变结势垒电容 (4) 扩散电容,Semiconductor Physic
15、s,2020/9/20,49,PN结电容,Semiconductor Physics,2020/9/20,50, 电容效应,p-n结有存储和释放电荷的能力。 势垒电容 CT 当p-n结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应. 当p-n结上外加的正向电压增加，势垒高度降低空间电荷减少 当p-n结上外加的反向电压增加，势垒高度增加空间电荷增加,Semiconductor Physics,2020/9/20,51,图6-19(c),Semiconductor Physics,2020/9/20,52,扩散电容 CD 当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应
16、的电容效应. 当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加 在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大,扩散电容 可忽略 p-n结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化- CT 和CD都是微分电容: C=dQ/dV,Semiconductor Physics,2020/9/20,53,扩散电容 CD,Semiconductor Physics,2020/9/20,54, 突变结的空间电荷区,耗尽层近似下的空间电荷: 突变结+杂质完全电离+耗尽近似的条件下，势垒区中电离杂质组成空间电荷 势垒宽度: d= Xp +Xn 势垒区中正负电荷总量相等： |Q|=eNAXp =eNDXn,Semiconductor Physics,2020/9/20,55,势垒区,能带,空间电荷分布,矩形近似,Semicon
