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1、第四章 半导体器件原理,固态电子迁移特性的主要应用体现在固态器件，主要是半导体器件和集成电路方面。半导体器件和集成电路是电子工业、自动控制、光电信息和计算技术的核心。尽管半导体器件和集成电路种类繁多，绝大多数据件均包含pn结，至少以pn结为基础，如整流器、放大器、开关电路和许多其他电子电路的功能。本章将重点讨论pn结，在概括pn结的整流、电容和击穿三大特性的基础上，讨论一些常用的半导体二极管和三极管的基本原理和特性，最后介绍金属和半导体接触的特性,4.1 pn结特性概述,若在半导体中存在p型区和n型区，其交界处附近形成pn结。实际制备pn结是在一块p型(或n型)半导体单晶上，用适当工艺方法，如
2、合金法、扩散法、外延法，或离子注入法等，掺入n型(或p型)杂质，在交界处形成Pn结。不同工艺可形成不同的杂质分布，因而有突变结和单边突变结、缓变结、线性缓变结等。本节将讨论pn结的三大特性整流特性、电容特性和击穿特性。,4.1.1 平衡 pn结(1)pn结和平衡 pn结的概念,pn结：由单晶半导体上相邻两个区（p型区和 n型区)的交界面附近的过渡区构成n区掺施主杂质，浓度ND ，提供导带电子p区掺受主杂质，浓度NA ，提供价带空穴空穴从p区向n区扩散电子从n区向p区扩散,同质结：以两种相同的半导体单晶体材料为基础异质结：以两种不同的半导体单晶体材料为基础pn结： 在导电类型相反的半导体单晶体材
3、料交界处形成高低结：在导电类型相同的半导体单晶体材料交界处形成n区：（导带）电子多， （价带）空穴少 载流子带负电 施主离子带正电p区： （价带）空穴多，（导带）电子少 载流子带正电 施主离子带负电,电中性,电中性,电子多， 空穴少 空穴多，电子少,载流子浓度差,动态平衡,阻止进一步扩散，形成并增强相反方向的漂移运动,电子从n区向p区扩散,空穴从p区向n区扩散,结n区侧聚集正离子,结p区侧聚集负离子,正空间电荷区,负空间电荷区,平衡PN结,扩散与漂移的动态平衡,空间电荷区导致内建电场，热平衡，无外场不产生净电流,空间电荷区的正负电荷分离，内建电场，“耗尽”了可动的载流子，空间电荷区也称耗尽区,
4、同质 pn结能带,本征半导体,n型半导体,p型半导体,电子从高EF 区流向低EF 区（从n区向p区运动）空穴从低EF 区流向高EF 区（从p区向n区运动）,pn结,横坐标为空间位置,纵坐标为电子能量,(2)内建势垒,如果pn结上不加电压，处于热平衡态，则p区和n区共同构成的整个系统内费米能级恒定，能带因上为水平线，见书p72图413所示。导带和价带因此在穿过空间电荷区时必然弯曲，这样才能保持Ec和Ev对EF改变后的相对位置。现在n区的导带电子要想进入p区导带遇到了势垒，这一势垒称为内建电位VD。从静电学看，n区电位比P区高出VD，有时称为接触电位差。由于能带表示的是电子能量，因此P区能带相对n
5、区能带整个向上移动eVD。若设p区和n区原先费米能级为EFP和EFN，平衡态pn结的统一费米能级EF，则图上可知,n区导带电子浓度与p区价带空穴浓度：,本征半导体,同理,n区导带电子电位量：,p区价带空穴电位量：,接触电位差：,室温热电压为VT 0.026V,(3)内电场,(3)内电场,正负空间电荷的分离，在空间电荷区(因“耗尽”可动载流子而得名耗尽区)内产生了电场。图(a)为突变结内体电荷密度的分布。并认为n区内体电荷密度xxn处终止，p区在x一xp处终止。,由图(a)有：,而空间电荷区的各物理量用泊松（Poisson）方程,（4.1.4）,积分（4.1.4）并利用边界条件可得,一般PN结在
6、不存在表面电荷的条件下，电场在冶金结x0连续，由上面两个式子有：,对电场表达式,积分可得接触电位差，见书p74的式（4.1.11）和（4.1.13）。并由此可以得对应点的电位差,（4）空间电荷层宽度,实际中，用扩散法等制得的pn结往往与此种典型情况不同。用杂质分布函数代人伯松方程可求解实际pn结的电场电位和结宽。现在通常用计算机进行数值计算并作出相应曲线。,4.1.2 整流特性,(1)边界条件： pn结的电流一电压特性具有单向导电的整流效应，为便于分析，先讨论边界条件和少子分布。pn结电流一电压特性将在以下三个假定基础上推导出来：,a使用突变耗尽层近似，空间电荷区有阶跃边界，耗尽区外的半导体是
7、电中性的。,b对载流子统计分布近似用玻尔兹曼分布。 c使用小注入载流子概念，认为pn结内部电流是恒定的，无论电子电流还是空穴电流都是连续的，它们在耗尽区内也是恒定的。,n区导带电子浓度较大，但内建势垒阻止大电流密度流入p区，达到平衡：,n区多子（电子）浓度（完全电离）：,p区多子（空穴）浓度（完全电离）：,p区少子（电子）浓度：,此式为一个p区少子（电子）浓度与n区多子（电子）浓度的关系表达式,1.正向电压作用（pn结少子正向注入）,正向电压V=Va0,势垒区内，载流子浓度小、电阻大,势垒区外，载流子浓度大、电阻小,电压基本降落在势垒区,势垒区xD变窄、e（ VD Va）变低,漂移运动,扩散运
8、动漂移运动,破坏无偏压时 的动态平衡,净扩散流，少子正向注入,xp,xn,电子,空穴,电子从n区流向p区,xp处（少子）电子积累,电子向p区内部扩散,空穴从p区流向n区,xn处（少子）空穴积累,空穴向n区内部扩散,正向电压V=Va0,P区空穴（多子）向pn结漂移,n区电子（多子）向pn结漂移,复合,复合,电子,电子扩散区,空穴,空穴扩散区,电子扩散区,p区（少子）电子流转变为（多子）空穴电流,空穴扩散区,n区（少子）空穴流转变为（多子）电子电流,P区,n区,势垒较窄较低,势垒区载流子浓度变化很小,通过pn结任一截面的总电流密度相等J=J0,复合电流连续性原理,总电流密度：,总电流密度：,求解连
9、续性方程,P区结边缘少子（电子）电流密度：,n区结边缘少子（空穴）电流密度：,理想二极管方程：,反向饱和电流密度：,实际的pn结，正偏Va时，有一定的正向导通电压,禁带宽度Eg,正向导通电压,室温T=300K，,实际的pn结，还需要修正，例如p+n,1m2,2. 反向电压作用（pn结少子反向抽取）,反向电压VVR0,势垒区变宽xd变高e（ VD VR ）,漂移运动,扩散运动漂移运动,净漂移电流,反向电压VVR0,V,势垒宽度,空间电荷,（不能移动的正负杂质离子部分被载流子中和）,载流子“存入”势垒区,V,势垒宽度,空间电荷,（增加不能移动的正负杂质离子）,载流子从势垒区“取出”,单位面积的势垒
10、电容：,势垒宽度：,分别为相对介电常数和真空介电常数,正向：,V,反向：,V,2. 扩散电容,正偏电压，少子正向注入,扩散区有少子与等量的多子积累,单位面积的扩散电容：,V,对信号处理的影响势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj反偏的pn结以势垒电容起主要作用，而正偏pn结，扩散电容和势垒电容都起作用.实际工作中，为简单起见，常以零偏时的势垒电容的4倍作为正偏的pn结的总电容。 低 频：结电容Cj作用忽略不计高 频：信号频率较高时必须考虑结电容的作用,4.1.4 击穿特性,反偏电压V增加到VB （击穿电压）,反向电流激烈增大，pn结击穿；击穿分类：隧道击穿（齐纳击穿）、雪崩击穿、热电击穿,
11、1.隧道击穿（在掺杂浓度很高的pn结中的击穿）,高反偏电压,强电场：,势垒变薄,隧道效应：p侧价带内电子横穿禁带，直接进入n侧导带内，形成反向电流,2. 雪崩击穿,高反偏电压,少子扩散到势垒区,少子在势垒区中高速漂移,少子从电场中获得足够的能量,与耗尽区内晶格原子的电子发生碰撞,产生许多电子空穴对（二次电子空穴对）,二次电子空穴对继续漂移、碰撞,新的二次电子空穴对,倍增效应,pn结击穿,3. 热电击穿,高反偏电压VR,损耗功率,热能,结温,平衡少子浓度,JS,热电击穿,4.2 pn结二极管,常见的pn结二极管,变容二极管开关二极管雪崩二极管隧道二极管,二极管结电容特性：扩散电容（正偏：损耗电导
12、）势垒电容（常用反偏、零偏：变容二极管）,4.2.1变容二极管,变容二极管的表达式一般为：,m0，为均匀掺杂结；m1，为线性缓变结；m2、 3为重掺杂n+ 基片上外延低杂质浓度n层；m是负值，为超突变结,反偏电压VVR,变容二极管的电抗以可控方式随偏压变化，如果变容二极管并联电感，则LC电路的谐振频率为：,变容二极管：,m3/2,s=2,超突变结与反偏电压正反比,常用Si晶体作为变容二极管材料外延生长或离子注入制作超突变结,4.2.2 开关二极管,pn结电子开关： pn结导通（on）、不导通（off）,p+n（p区重掺杂）二极管,正偏压,正向电流If,pn结n区一侧边界（ xn ）少子空穴积累
13、,pn结突然从正偏变到 负偏压（t0）,远远高于平衡浓度的少子（空穴）从n区进入p区,反向电流较大（ IR ），并保持一段时间tS （存储时间）,积累的空穴复合消耗掉后，反向饱和电流（ IS ），下降时间为tf,开关二极管的反向恢复时间为：,4.2.3 隧道二极管,p+n+ （重掺杂）二极管， EF进入允带,势垒很薄,隧道效应,重掺杂：简并半导体重掺杂：使耗尽区宽度变得很窄，使隧道距离很小（约510nm）,（a）,（c）,（b）,（d）,隧道效应：n区导带电子进入p区价带，产生正向隧道电流,隧道效应：p区价带电子进入n区导带，产生反向隧道电流,隧道效应：n区导带电子进入p区价带，产生正向隧道电流。但价带顶介于n区导带底和EF之间,只有热电流，没有隧道效应产生的隧道电流,隧道二极管以多子隧道效应工作的，多子浓度的起伏和随时间的变化均较小，又由于隧道穿透是一个量子效应，不受电子渡越时间限制，因此器件具有低噪声、高频，工作温度范围大的特点，在微波放大、本地振荡、锁频技术、高速开关等电路中有重要应用。,
