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1、第第6章章 pn结结 热平衡态下的p-n结 p-n结空间电荷层、势垒层、内建电场 非平衡态下的p-n结 p-n结的直流伏安特性(整流) pn结电容 势垒电容 扩散电容p型、型、n型半导体型半导体 掺杂 掺入(doping)V族元素，P或 As(施主，Donor)形成 n型 (negative)半导体 p型半导体(positive)是将 族元素(受主，Acceptor) 掺入到半导体中形成SiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSibacknp-n结：p型、n型半导体结合的体系n将p-n结作为电子器件使用时，称为二极管：整流、检波、开关、发光、检测光等发光二极管(LED)p-n结pn扩散区
2、耗尽层 p-n结的种类： 合金结合金结 生长结生长结 扩散或离子注入结 场感应结场感应结6.1pn结及其能带图一、pn结的形成和杂质分布1合金法xN(x)NANDxj用合金法制备的用合金法制备的p-n结一般为结一般为突变结突变结: 单边突变结单边突变结: NAND: n+p结结 NDNA: p+n结结突变结杂质分布:用扩散法制备的用扩散法制备的p-n结一般为结一般为缓变结缓变结，杂质浓度逐渐变化。高表面浓度的浅扩，杂质浓度逐渐变化。高表面浓度的浅扩散结一般认为是散结一般认为是突变结突变结线性缓变结：杂质浓度用x=xj处的切线近似表示。缓变结杂质分布线性缓变结杂质分布2扩散法 3生长法（外延）
3、4离子注入法： 一般为一般为突变结突变结。 p-n结的种类：合金结合金结熔化合金 再结晶（杂质分凝）形成p-n结。生长结生长结拉制单晶；CVD；MBE。（生长晶体时改变掺杂型号） 扩散或离子注入结扩散或离子注入结在衬底中掺入反型杂质（杂质补偿）场感应结场感应结表面沟道与衬底间形成的表面沟道与衬底间形成的p-n结。结。4. ( 扩散 )杂 质n型衬底n型衬底1. ( 表面制备 )3. ( 光刻 )n型衬底SiO2n型衬底2. ( 氧化 )5. ( p-n结 )n型衬底p6. ( 做电极和封装等 )p-n结的制作过程 衬底制备氧化光刻出窗口从窗口掺入杂质(高温扩散或离子注入)形成p-n结。IC中的
4、中的PN结结PN结结5. pn结的应用：二极管二极管 整流整流, , 检波检波, ,开关开关, , 振荡振荡, , 发光发光, , 检测光等检测光等. . 1.空间电荷层n两边的载流子分别往对方扩散电离杂质中心形成空间电荷产生电场n内建电场：n区指向p区，从正电荷指向负电荷的电场，引起载流子的漂移运动n电场阻挡载流子的扩散n空间电荷层又称为势垒层漂移扩散导带电子的运动二、热平衡态下pn 结的空间电荷和电场E施主受主npn型型p型型空间电荷区空间电荷区 单独的单独的N型和型和P型半导体是电中性的型半导体是电中性的,当这两种半导体结合形成当这两种半导体结合形成PN结时，结时，将在将在N型半导体和型
5、半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内建电场空间电荷区形成内建电场 内建电场促使少子漂移内建电场促使少子漂移 内建电场阻止多子扩散内建电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面附近的电离施主和电离受主所带电荷型半导体结合面附近的电离施主和电离受主所带电荷称为称为空间电荷空间电荷，它们所在的区域称为，它们所在的区域称为空间电荷区空间电荷区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电
6、荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。 耗尽层近似耗尽层近似 当内建电场比较强时，可采用耗尽层近似即空间电荷层中的载流子基本上都被电场驱赶出去了，空间电荷几乎都是由电离杂质中心所提供。可近似把空间电荷层看成是耗尽层。耗尽层近似只有在小注入时才成立！2、内建电场 E(x) 空间电荷 空间电荷的产生？空间电荷密度的分布为(x)=q(pn+NDNA)q(NDNA).泊淞方程：d2/dx2=-(x)/, E(x)=-d/dx；内建电场的分布决定于掺杂 浓度的分布.最大电场Em在冶金界面处。np电场EEm电子能量Eix0-xPWqVbiEFxn 对于突变结，当采用耗尽近似后，在对于突变结，当采用耗尽
7、近似后，在 N 区的耗尽区中，泊区的耗尽区中，泊松方程为：松方程为：积分一次，得积分一次，得由边界条件：由边界条件： 可求得常数可求得常数 C 为：为： 内建电场的求解内建电场的求解于是可得于是可得PN 同理，在同理，在 P 区区耗尽区中求解泊松方程，得耗尽区中求解泊松方程，得 以上求得的以上求得的 E(x) 就是就是 PN 结的结的 内建电场内建电场。（2-5b） 在在 x = 0 处，内建电场达到最大值，处，内建电场达到最大值，由上式可求出由上式可求出 N 区与区与 P 区的耗尽区宽度区的耗尽区宽度 及及 总的耗尽区宽度，总的耗尽区宽度，式中，式中， 称为称为 约化浓度约化浓度约化浓度约化
8、浓度。 3、耗尽区宽度、耗尽区宽度 （2-6）（2-8）（2-7） n最大电场Em在结界面处np-n结的内建电势VD也就是p型半导体和n型半导体之间的接触电势差。n 内建电势相应的能量q VD ，也就是势垒层（空间电荷层）所造成的势垒高度电场E电子能量npEmEix0-xPWqVDEFxnVD = - E(x) dx = Em W / 2-xPxnqVD=(Ec-EF)p-(Ec-EF)n扩散电势能(diffusion)或内建电势能(built-in)由于从n 区指向p 区的内 建 电 场 的 不 断 增 强 ，空间电荷区内电子电势能- q V ( x )由 n 区向p 区不断升高，导致能带上
9、下移动4 4、pnpn结接触电势差结接触电势差 对内建电场作积分可得对内建电场作积分可得 内建电势内建电势（也称为（也称为 扩散电势扩散电势）Vbi 或或 以上建立了以上建立了 3 个方程，个方程， ( 2-6 ) 、( 2-7 ) 和和 ( 2-10 ) ，但有，但有 4 个未知数，个未知数，即即 、 、 和和 。下面用另一方法来求。下面用另一方法来求 。 内建电势内建电势 的求解的求解（2-10）并可进一步求出内建电势为并可进一步求出内建电势为:从上式可解出内建电场，从上式可解出内建电场， 已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故由空穴的电流密度已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故
10、由空穴的电流密度方程可得方程可得: 由于由于 ， ，故得，故得 Vbi 与掺杂浓度、温度及半导体的种类有关。在通常的掺杂范围和与掺杂浓度、温度及半导体的种类有关。在通常的掺杂范围和室温下，室温下，硅的硅的 Vbi 约为约为 0.75V，锗的，锗的 Vbi 约为约为 0.35V。（2-13）VD与pn结两边的掺杂浓度(ND、NA)、温度(T、 ni)、材料的禁带宽度(ni)有关: 掺杂浓度越高，接触电势差VD越大； 禁带宽度越大，ni越小， VD越大； Eg锗Eg硅，所以VD锗EFp反偏时：EFn0时，非平衡载流子浓度随偏压呈指数式增大；Vk0T时，exp(qV/ k0T) 0 即少子浓度为零，
11、反向pn结势垒区边界处少子被抽出。3. 少子扩散电流密度x=xn处，空穴的扩散电流密度：x=-xp处，电子的扩散电流密度：4.通过pn结的总电流密度另一种思路求解电流电压方程n求解外加正向电压下非平衡载流子浓度：已知平衡态下：外加电压Vf后，势垒降低q(VD-Vf),因此边界处载流子总浓度为：非平衡载流子浓度：再乘以扩散速度Dn/Ln,就可以得到p区电子电流密度理想pn结模型的电流电压方程式 又称为肖克莱方程式理想pn结模型及其电流电压方程Js：反向饱和电流密度Vk0T时，时，exp(q|V|/k0T)0反向电流pn结具有单向导电性结具有单向导电性V0时，时，正向电流密度随正向偏压指数式增大。
12、结论实际电路中的pn结，只要它是处于正向导通的状态，结上的正向电压Vf就具有大体确定的值导通电压(正向压降)。如Si的电压为0.7V，Ge为0.3V，GaAs为1V。在正向导通状态，通过PN结的电流往往是由PN结以外的其它电路条件决定的，通过PN结的正向电流大小不同，而正向电压却能大体保持不变。例如，室温：KT=0.026ev 当V=0.26v ：VJs电流密度变化10倍，Vf只需要改变0.06VJVGeGaAsjSiGaAsP禁带宽度不同，pn结的导通电压的数值范围也是不一样的。Eg越大，导通电压越高0.30.71.01.6例2 室温下，两个理想P+n结突变结二极管除N区杂质浓度以外都完全相
13、同，其中杂质浓度ND11015/cm3, ND21016/cm3。问：比较两个二极管的IV特性，在同一个坐标系中画出二者的特性。p+nND11015/cm3p+nND11016/cm3解:查得ND=1016cm-3时的P=500cm2/V-s,NA=51018cm-3时的n=180cm2/V-s,得到DP=0.026500=13cm2/s,Dn=0.026180=4.7cm2/s.则LP=(DPP)1/2=3.610-3cm,Ln=(Dnn)1/2=2.210-3cm,pn0=ni2/ND=2.25104cm-3,nP0=ni2/NA=45cm-3;从而ISqA(DPpn0/LP)+(DnnP
14、0/Ln)=1.310-13AV=(kT/q)ln(I/IS)+1=26ln(10-3/1.310-13)=610mV例3对理想的硅p-n结,已知ND=1016cm-3,NA=51018cm-3,n=P=1s,A=0.01cm2.若p-n结两边中性区的长度大于少子的扩散长度.求出300K下正向电流为1mA时的外加电压.温度对电流密度的影响温度对电流密度的影响Js随温度升高指数式增大，且Eg越大，Js变化越快正向电流与温度关系：J 随温度上升而增加随温度上升而增加影响影响Js的因素的因素u温度一定时，掺杂浓度越大，由于少子浓度越小，所以Js越小；u少子寿命越大，少子产生率越小，Js越小；u少子扩
15、散系数越大，少子扩散电流越大，Js越大；uEg越大，ni越小，Js越小 室温下 Js硅Js锗例4少数载流子浓度与位置的关系曲线示意图通常用来描述半导体器件的内部情况。下图给出了室温下两个理想的p+-n二极管n型一侧少数载流子浓度的线性坐标图。在两个二极管中n型一侧掺杂（ND）和横截面积都是相同的。假定小注入条件占优势。（a）二极管处于(i)正偏 (ii)反偏 (iii)零偏状态？（b）加在二极管B上的偏压值(i)大于 (ii)等于 (iii)小于加在二极管A上的偏压值。（c）流过二极管B的直流电流I的数值(i)明显大于(ii)近似等于(iii)明显小于二极管A的直流电流。三、影响pn结电流电压
16、特性偏离理想方程的各种因素偏离情况：反向电流较大且不饱和；正向电流较小时，实际电流大于理论值。(a)段正向电流较大时，实际值比理论值小，有Jexp(qV/2k0T)的关系(c)段在更大的电流时，电流电压不再是指数关系，而是线性关系。(d)段主要原因：表面效应；表面效应；势垒区的产生与复合；势垒区的产生与复合；大注入条件；大注入条件；串连电阻效应。串连电阻效应。6.3 pn结电容结电容 pn结上电压的变化和平行板电容器一样，也是通过内部正、负 电荷发生变化来实现的 如果空间电荷区中正负电荷数量增加，PN结上电压增大 空间电荷区中正、负电荷数量减少，pn结上电压降减小 PN结很象一个电容器 Cap
17、acitanceofp-nJunctions这个微小的电压变化所引起的电荷dQ，称为这个直流偏压下的微分电容:PN结势垒电容与平行板电容器很相似 区别：当pn结空间电荷区外加偏压V改变V时， 空间电荷区中的电荷量也要改变Q，当电压的改变量足够小时，电荷的改变量与V成正比，其比值就是PN结势垒电容：微分电容CT=Q/V PN结空间电荷区的电容效应，同样可以用一定的电容值加 以定量描述 pn空间电荷区对电子和空穴都起着势垒的作用，称为势垒区 PN结空间电荷区的电容，往往就称为PN结势垒电容一、pn结的势垒电容CT(正、反向偏压)势垒电容示意图势垒电容示意图当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地
18、随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放 电一样. 势垒电容相当于极板间距为耗尽层厚度的平板电容; 势垒电容与外加电压有关 ( 正向电压升高时, 电容增大; 反向电压升高时, 电容减小); 势垒电容是非线性电容; 势垒电容的大小与pn结面积和半导体介电常数有关. 势垒电容的特点势垒电容和扩散电容都随外加电压变化，是可变电容1. 电电场场、电电势势分分布布2.突变结的势垒宽度外加反向电压Vr下，单边突变结：单边突变结：XD与势垒区上的总电压与势垒区上的总电压(VD-V)的平方根成正比。的平方根成正比。势垒区主要向轻掺杂势垒区主要向轻掺杂NB一边扩散。一边扩散。若pn结面积为A，则
19、pn结势垒电容：势垒电容等效为一个平板电容器，势垒宽度对应于两平行板间距离，不过势垒电容是随外加电压变化的非线性电容。对单边突变结：对单边突变结：突变结势垒电容和结面积以及低掺杂一边的杂质浓度的平方根成反比。突变结势垒电容和电压(VD-V)的平方根成反比。3.突变结的势垒电容4.线性缓变结的势垒电容势垒区中的电场为：势垒区中的电场为：最大电场强度：最大电场强度：则势垒电容：则势垒电容：二、扩散电容CD(正向偏压)当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。 电容效应在交流信 号作用下才会明显 表现出来。2扩散微分电容扩散区内载流子的积累随正向偏压
20、而变化，形成扩散电容。扩散区非平衡少子分布：扩散区非平衡少子分布：总扩散电容：总扩散电容：扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压时，扩散电容起主要作用。例2 室温下，两个理想P+n结突变结二极管除N区杂质浓度以外都完全相同，其中杂质浓度ND11015/cm3, ND21016/cm3。问：（1）在反偏电压 时，哪一个二极管具有更大的结电容？请解释。（2）哪一个二极管具有更大的击穿电压？p+nND11015/cm3p+nND11016/cm3三、势垒电容的应用势垒电容与外加电压有关，与杂质浓度有关，可用于：变容器件；测量结附近的杂质浓度和杂质浓度梯度。 C V 法测量技术: 对p+
21、-n结, 可有1/C2 = 2( Vbi V ) / ( qND A2 ),则可通过测量 1/C2 V 关系曲线的斜率和截距来求得ND和Vbi ; 对线性缓变结, 可通过测量 1/C3 V 关系曲线来求得ND和Vbi . 确定杂质浓度的分布 可测量轻掺杂一边的杂质浓度的分布N(W) :2.测量线性缓变结的杂质浓度梯度可由1/CT3V关系曲线斜率求得杂质浓度梯度j，从截距求得VD。1.测量单边突变结的杂质浓度则：则：可由1/CT2V关系曲线斜率求得NB，从截距求得VD。反向电压使结区电场达到105v/cm，反向饱和电流不再恒定，而是突然增加，这种现象称为pn结的击穿对应的电压称为击穿电压，用VB
22、R表示。击穿电压与PN结的结构及掺杂浓度有关。6.4 pn结击穿结击穿0VIVB(理想的击穿特性)(非理想击穿特性)击穿的物理本质击穿的物理本质（1 1）雪崩击穿：）雪崩击穿：碰撞电离碰撞电离（2 2）隧道击穿）隧道击穿( (齐纳击穿齐纳击穿) )：场致激发场致激发（3 3）热电击穿：）热电击穿： PNPN结过热结过热 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆强电场将势垒区内中性原子的价电子直接变为自由电子隧道效应功率损耗 PN结温升高本征激发加剧反向电流更大连锁反应反向电压增加 少子漂移加快 动能增加 碰撞电离连锁反应热击穿不可逆1 1雪崩击穿雪崩击穿 AvalancheBreakdown212212
23、pn+发生雪崩击穿的条件：电场足够强，产生碰撞电离；空间电荷区XD足够宽，引起雪崩倍增。雪崩击穿一般发生在缓变结中，而且掺杂浓度比较低。2隧道击穿（齐纳击穿）隧道击穿（齐纳击穿）ZenerBreakdownEcnEcpEvp在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入导带所引起的一种击穿现象。Evn3热电击穿 热击穿容易发生的条件是Eg小，Is大，散热不好的器件 两种击穿机理的比较 隧道击穿击穿电压主要决定于势垒区的 电场;击穿电压与外激发 (使势垒区载 流子数目增加) 关系不大;击穿电压为负温度系数 (温度时, Eg, 击穿电压);击穿电压很低 (一般是 6V ).第6章 总结
24、平衡平衡pn结势垒区的形成过程结势垒区的形成过程pn结接触电势差结接触电势差正偏与反偏正偏与反偏pn结载流子运动机理结载流子运动机理pn结的伏安特性结的伏安特性理想理想pn结电流电压模型结电流电压模型pn结电容结电容pn结击穿的分类及物理机理结击穿的分类及物理机理热平衡状态下的pn结物理过程解析理论流程载流子载流子浓度梯度浓度梯度扩散运动扩散运动空间电荷空间电荷内建电场内建电场电离施主、受主漂移运动动态平衡费米能级费米能级电子n区向p区空穴p区向n区高低费米能级处处相等势垒能带偏移阻碍扩散扩散、漂移平衡VD与pn结两边的掺杂浓度(ND、NA)、温度(T、ni)、材料的禁带宽度(ni)有关:掺杂
25、浓度越高，接触电势差VD越大；禁带宽度越大，ni越小，VD越大；p-n结的接触电势差对于线性缓变结： 加正向电压VF时:势垒高度由qVD降低到q(VDVF);势垒宽度也相应减薄.加反向电压VR时:势垒高度由qVD升高到q(VD+VR);势垒宽度也相应增厚.q(VD-VF)qVFq(VD+VR)qVR(正向偏置)(反向偏置)非平衡状态下的p-n 结pnqVDpn 少数载流子注入和单向导电性 外加正向电压, 使势垒高度降低 电子从n型向p型一边 注入, 空穴从p型向n型一边注入 少数载 流子扩散形成大的正向电流; 外加反向电压时, 势垒高度升高 无少数载流子注入 基本上无 电流通过 (反向电流很小
26、). 0VIVB(理想的击穿特性)(非理想击穿特性)Jexp(qV/nkT)p-n结的直流特性* 理想p-n结的I-V特性 n“理想理想”: 非简并半导体; 小注入; 耗尽层近似; 势垒区无复合中心影响. n电流与电压有整流特性关系:纯粹是少数载流子扩散的电流J JP+ Jn JS exp(qV /kT )1,n反向饱和电流密度： JS =(qDPpn0/LP)+(qDnnP0/Ln) =q(DP/LPND)+(Dn/LnNA)ni2ni2.理想理想pnpn结模型结模型势垒电容势垒电容CT扩散电容扩散电容CDpn结电容 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量
27、要随之变化，就像电容充放电一样。 当外加正向电压不同时，PN结两侧累积的少子数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。在大的正向偏压时，扩散电容起主要作用。在反向偏压时，势垒电容起主要作用。* 耗尽层微分电容(势垒电容势垒电容) Cj : 耗尽层厚度W随着外加电压而变 耗尽层中的空间电荷Q随着 外加电压而变 电容效应 . 微分电容 Cj = dQ / dV = / W . (单位面积的电容.)* 突变结的耗尽层电容 : Cj = qNA ND / ( NA + ND ) 1/2 ( Vbi V )-1/2 . 对单边突变(p+-n)结 Cj = qND / 2 ( Vbi V ) 1/2
28、 .* 线性缓变结的耗尽层电容 : Cj = q a2 / 12 1/3 ( Vbi V )-1/3 . p-n结电容隧道击穿隧道击穿(Zener击穿):是量子隧穿效应;击穿电压主要与势垒区的电场、掺杂浓度、势垒高度和势垒厚度有关.雪崩击穿雪崩击穿:是热载流子碰撞电离、倍增的效应;击穿电压主要由载流子从电场所获得的能量来决定.击穿效应的利用击穿效应的利用:例如稳压二极管,反向二极管(隧穿效应隧穿效应)(雪崩倍增雪崩倍增)pn结的击穿常用名词英汉对照njunction结nabruptjunction突变结ngradedjunction缓变结nbuilt-inpotential内建电势nforwardbias正向偏压nreversebias反向偏压nspacecharge空间电荷nbarrier势垒ndepletionregion耗尽区nbuilt-inpotential内建电势navalanchebreakdown雪崩击穿nTunneling(Zener)Breakdown隧道(齐纳)击穿作业:P217:1,11
