微电子器件原理与设计1ppt课件

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1、微电子器件原理与设计微电子器件原理与设计有机半导体光电池有机半导体光电池 n npn结结n n双极型晶体管双极型晶体管 n n场效效应晶体管晶体管 n n双极型晶体管双极型晶体管设计 第第1 1章章 pn pn结 本章的主要内容：本章的主要内容： 平衡平衡pnpn结pn结结的的电电流特性流特性pn结结的的电电容特性容特性pn结结的的击击穿特性穿特性pn结结的开关特性的开关特性第第1 1节 平衡平衡pnpn结上段上段上段上段 下段下段下段下段 目目目目录录 将一将一块p型半型半导体和一体和一块n型半型半导体体结合在一同，合在一同，在二者的交界面在二者的交界面处构成的构成的结称称为pn结。 pn结

2、是半是半导体器件，如体器件，如绝大部分二极管、双极大部分二极管、双极型晶体管、型晶体管、结型型场效效应晶体管的中心，在一个半晶体管的中心，在一个半导体集成体集成电路中就包含了成千上万个路中就包含了成千上万个pn结。因此，了。因此，了解和掌握解和掌握 pn 结的性的性质具有重要的具有重要的实践意践意义。 本本节首先引首先引见 pn 结的构造和的构造和实现工工艺，然后引，然后引见pn结的能的能带和和载流子分布流子分布规律。律。 在一在一块 n n 型型( (或或p p型型) )半半导体上，用适当工体上，用适当工艺把把 p p型型( (或或n n型型) )杂质掺入其中，使半入其中，使半导体的不同区域

3、分体的不同区域分别具有具有n n型和型和p p型型导电类型，在二者的交界面型，在二者的交界面处构成构成pnpn结。 pn pn pn结结的根本构造，如下的根本构造，如下图图。 下面下面简单引引见构成构成pnpn结的典型工的典型工艺和和杂质分布。分布。 一、一、pnpn结工工艺和和杂质分布分布 1. pn 1. pn结结的构造的构造n-Si 合金法制造合金法制造pnpn结结的的过过程，如下程，如下图图。 1 1合金法合金法n-Sin-Si 将一粒将一粒AlAl放在一放在一块 n n 型半型半导体片上，加体片上，加热到一定到一定温度，构成温度，构成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体硅的熔融体，然后

4、降低温度，熔融体开开场凝固，在凝固，在n n型型SiSi片上构成一个含有高片上构成一个含有高浓度度AlAl的的p p型型SiSi薄薄层，它与，它与n n型型SiSi衬底的交界面底的交界面处即即为pnpn结。 用用这种工种工艺方法构成的方法构成的pnpn结，称，称为铝硅合金硅合金结。 2. pn 2. pn结结的的杂质杂质分布分布 合金合金结结的的杂质杂质分布如下分布如下图图。 由由图可知合金可知合金结的的杂质分分布具有以下特点布具有以下特点: : 在交界面在交界面处，杂质由由NANA突突变为NDND。NANDN(x)xj x n n 型区中施主型区中施主杂质浓杂质浓度度为为NDND，并且均匀分

5、布，并且均匀分布; p; p型区中型区中的受主的受主杂质浓杂质浓度度为为NANA，也均，也均匀分布。匀分布。 通常，将通常，将这种种杂质分布具有突分布具有突变规律的律的p-np-n结，称称为突突变结(Abrupt Junction)(Abrupt Junction)。 由由图可知，突可知，突变结的的杂质分布可以表示分布可以表示为 在在实践的突践的突变结两两边，杂质的的浓度相差很多度相差很多约10001000倍。倍。NANDN(x)xj x 通常，将通常，将这种突种突变结称称为单边突突变结。 n-Si 分散法制造分散法制造pnpn结结的的过过程，如下程，如下图图。 2 2分散法分散法n-Sin-

6、Si 在一在一块 n n 型半型半导体片上，体片上，经过氧化构成氧化构成SiO2SiO2掩掩护膜；用紫外膜；用紫外线暴光、并用暴光、并用氢氟酸腐氟酸腐蚀光刻，光刻，显露露n-n-SiSi；经过硼气氛在高温下分散，硼气氛在高温下分散， 在在n-Sin-Si衬底外表下底外表下构成深度构成深度为xj xj 的的p-Sip-Si区，从而出区，从而出现pnpn结。 分散分散结结的的杂质杂质分布由分散分布由分散过过程及程及杂质补偿杂质补偿决决议议。 在分散在分散结中，中，杂质浓度从度从p p区到区到n n区是逐区是逐渐变化的，通常化的，通常称称为缓变结，如下，如下图。NANDN(x)xj x 由由图可知，

7、可知，缓变结的的杂质分布可以表示分布可以表示为 在分散在分散结结中，假中，假设杂质设杂质分布可以用分布可以用结处结处的切的切线线近近似表示，那么称似表示，那么称为线为线性性缓变结缓变结(Linear graded (Linear graded Junction)Junction)，其，其杂质杂质分布如下分布如下图图。 NA-NDxj x 线性性缓变结的的杂质分布可分布可表示表示为式中式中j j 是是 xj xj 处切切线的斜率，称的斜率，称为杂质浓度梯度，度梯度，由分散由分散杂质的的实践分布确定。践分布确定。 假假设采用高采用高浓度分散源且分散度分散源且分散时间较短，那么短，那么进入半入半导体

8、的体的杂质大多在其外表附近，如下大多在其外表附近，如下图。NANDN(x)xj x 这种由分散构成的高外种由分散构成的高外表表浓度浅度浅pnpn结，由于，由于结处的的杂质浓度梯度很大，受度梯度很大，受主主杂质浓度度远高于施主高于施主杂质浓度，因此可以采用突度，因此可以采用突变结近似。近似。 显然，然，经过控制分散工控制分散工艺参数既可以参数既可以获得低外表得低外表浓度深分散度深分散结线性性缓变结，也可以，也可以获得高外表得高外表浓度浅分散度浅分散结单边突突变结。n-Si 离子注入法制造离子注入法制造pnpn结结的的过过程同分散法程同分散法类类似，只是似，只是在构成在构成p p型区型区时时采用了

9、新的采用了新的掺杂掺杂手段。手段。 3 3离子注入法离子注入法n-Sin-Si 离子注入技离子注入技术是将硼、磷、砷的原子是将硼、磷、砷的原子经过离离子化子化变成成带电的的杂质离子，并用离子，并用强电场加速加速获得得约几万到几十万几万到几十万电子伏的高能量。然后，用高能离子子伏的高能量。然后，用高能离子束直接束直接轰击到半到半导体基片内部，体基片内部，经过退火激活，退火激活， 在在n-Sin-Si衬底外表下构成深度底外表下构成深度为xj xj 的的pnpn结。 离子注入离子注入pnpn结的的杂质浓度分布如下度分布如下图。 在掩蔽膜窗口附近的横在掩蔽膜窗口附近的横向方向向方向杂质呈呈现余余误差分

10、差分布，而布，而纵向那么是以平均向那么是以平均投影射程投影射程RpRp为中心的近似中心的近似高斯分布。高斯分布。NSRpN(x)xj x 综上所述，采用不同的制造工上所述，采用不同的制造工艺可以得到不同的可以得到不同的杂质分布。分布。pnpn结的的杂质分布普通可以分布普通可以归纳为两种两种突突变结和和缓变结。 合金合金结和高外表和高外表浓度的浅分散度的浅分散结，普通可以以，普通可以以为是突是突变结。 低外表低外表浓度的深分散度的深分散结，普通可以以，普通可以以为是是线性性缓变结。 二、二、pnpn结的构成的构成 pn pn 结的构造如下的构造如下图。 1. 1. 空空间电间电荷区荷区空间电荷区

11、空间电荷区内建电场内建电场+ 在在n n 区区电电子子为为多多子，空穴子，空穴为为少子；少子；而在而在 p p区空穴区空穴为为多多子，子，电电子子为为少子。少子。当两当两块块半半导导体体结结合合构成构成pnpn结时结时，由于，由于存在存在载载流子流子浓浓度梯度梯 度，将度，将导致空穴从致空穴从 p p 区到区到 n n 区、区、电子从子从n n区到区到p p区的区的分散运分散运动。空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场+ 对于于p p区，空穴分开后留下了不可区，空穴分开后留下了不可动的的电离受主离受主杂质，在，在pnpn结附近附近p p区一区一侧出出现了一个了一个负电荷区。荷区。 同理，在同理，

12、在pnpn结结附附近近n n区一区一侧侧，也出，也出现现了一个由了一个由电电离施离施主主杂质杂质构成的正构成的正电电荷区。通常把在荷区。通常把在pnpn结结附近的附近的这这些些电电离离施主和施主和电电离受主所离受主所带带的的电电荷，称荷，称为为空空间电间电荷。荷。 空空间电荷所存在的区域，称荷所存在的区域，称为空空间电荷区。由于荷区。由于 在在该区域没有区域没有载流子，因此，空流子，因此，空间电荷区又称荷区又称为载流子耗尽流子耗尽层。 2. 2. 内建内建电场电场空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场+ 在空在空间电荷区，由荷区，由这些些电荷荷产生了一个从生了一个从n n 区指区指向向p p区，

13、即从正区，即从正电荷指向荷指向负电荷的荷的电场，称，称为内建内建电场，如下，如下图。 在内建在内建电场作用作用下，下，载流子构成与流子构成与分散分散电流方向相反流方向相反的漂移的漂移电流。流。 显然，内建然，内建电场对载流子的分散起流子的分散起妨碍作用。妨碍作用。 在没有外加在没有外加电压情况下，情况下，载流子的分散和漂移最流子的分散和漂移最终将到达将到达动态平衡。此平衡。此时，没有，没有电流流流流过pnpn结，空，空间电荷区不再荷区不再扩展，称展，称为平衡平衡pnpn结。漂移运漂移运漂移运漂移运动动P P 型型半半导导体体N N 型型半半导导体体+分散运分散运分散运分散运动动内电场内电场 三

14、、平衡三、平衡pnpn结 1. pn 1. pn结结的能的能带带 由于由于 p p 区与区与 n n 区各自区各自有不同的有不同的费米能米能级，因此，因此两者相接触两者相接触时处于非平衡于非平衡形状，形状，n n 区的区的电子向子向 p p 区区分散，而分散，而 p p 区空穴那么向区空穴那么向 n n 区分散。区分散。 当分散当分散电流与反向漂移流与反向漂移电流相等流相等时，p p区与区与n n区的区的费米能米能级重合，重合，pnpn结具有具有一致的一致的费米能米能级，如下，如下图。 pn 由于自建由于自建电场由由 n n区指向区指向 p p区，区，阐明明p p区区电势低于低于n n区，如下

15、区，如下图。 eVD 由于能由于能带图反映的反映的是是电子能子能级，因此由，因此由电势分布可知，分布可知，n n区区静静电势能比能比 p p区低，区低，从而使从而使结两两边的能的能带产生相生相对挪挪动，直到，直到费米能米能级处处相等相等为止。止。 所以，所以，pnpn结平衡平衡时能能带是弯曲的，是弯曲的，n n区相区相对于于p p区能区能带降低降低 eVD eVD。 其中，其中，n n区与区与 p p区的区的电势差差VD VD 称称为内建内建电势差。差。 eVD 显然，空然，空间电荷区荷区内能内能带的弯曲是的弯曲是电子子电势能能变化的化的结果。果。由于能由于能带弯曲，弯曲，电子子从从势能低的能

16、低的n n区向区向势能高的能高的p p区运区运动时，必需抑制必需抑制这个个势能差能差势垒，才干到达，才干到达p p区；区； 同理，同理，p p区空穴也必需抑制区空穴也必需抑制这个个势垒才干从才干从p p区到区到达达n n区，故通常称区，故通常称eVDeVD为pnpn结的分散的分散势垒，空，空间电荷荷区也称区也称为势垒区。区。 平衡平衡时 pn 结的的载流子流子浓度分布如下度分布如下图。 2. 2. 载载流子分布流子分布+ 在空在空间电荷区荷区p p区区势垒边处的的电子子浓度等于度等于p p区平衡区平衡少子少子浓度，空穴度，空穴浓度等于度等于p p区平衡多区平衡多子子浓度；而在度；而在n n区区

17、势垒边处，空穴，空穴浓度等于度等于n n区少子区少子浓度，度，电子子浓度等于度等于n n区多子区多子浓度。度。 上述分析上述分析阐明，平衡明，平衡时在在 pn 结处构成一个高阻区构成一个高阻区域域势垒区又称区又称为耗尽区，其典型耗尽区，其典型宽度在度在10 m量量级。 3. 3. 接触接触电势电势差差 对于突于突变结，p p区和区和n n区都可区都可视为均匀均匀掺杂。设杂质浓度分度分别为NaNa和和NdNd，那么由，那么由载流子数密度公式可流子数密度公式可得得n n区区电子子浓度与度与 p p区空穴区空穴浓度分度分别为 即得即得 在室温附近，本征激在室温附近，本征激发不明不明显，但，但杂质根本

18、上已根本上已全部全部电离，近似有离，近似有 从平衡从平衡pnpn结的能的能带图可知，可知，势垒高度正好高度正好补偿了了n n 区和区和p p 区区费米能米能级之差，因此有之差，因此有 所以所以 因此得到内建因此得到内建电势差差为 上式上式阐明，接触明，接触电势差与差与pnpn结两两测的的掺杂浓度和度和温度，以及温度，以及资料的禁料的禁带宽度有关。度有关。 对于突于突变结，在一定温度下，在一定温度下，pnpn结两两测的的掺杂浓度越高，接触度越高，接触电势差越大；禁差越大；禁带宽度越大，本征度越大，本征载流子流子浓度越小，接触度越小，接触电势差也越大。差也越大。 由于硅的禁由于硅的禁带宽度比度比锗

19、的禁的禁带宽度大，因此，硅度大，因此，硅pnpn的接触的接触电势差比硅差比硅pnpn的接触的接触电势差大。差大。 对于典型半于典型半导体，当体，当Na=1017cm-3、Nd=1015cm-3时，在室温下，在室温下计算得算得第第2 2节 pn pn结的的电流特性流特性上段上段上段上段下段下段下段下段目目目目录录 当当pn结无外加无外加电压时，空，空间电荷区内的分散荷区内的分散电流流等于漂移等于漂移电流，所以流，所以经过pn结的的净电流流为零。零。 当在当在pn结上施加偏置上施加偏置电压时，空，空间电荷区的荷区的电势分布和能分布和能带将将发生生变化，从而化，从而导致分散和漂移的平致分散和漂移的平

20、衡被突破，衡被突破，pn 结处于非平衡形状，称于非平衡形状，称为非平衡非平衡pn结。 本本节讨论非平衡非平衡 pn 结物理特性的物理特性的变化，如能化，如能带图、少子、少子浓度分布、度分布、电流的流的传输和和转换，以及，以及电流流-电压特性伏安特性。特性伏安特性。 在施加正向在施加正向电压V VDV VD条件下，外条件下，外电压在在势垒区区中中产生了与内建生了与内建电场方向方向相反的相反的电场，因此减弱了，因此减弱了内建内建电场，使空，使空间电荷减荷减少。故少。故势垒区的区的宽度将减度将减小，同小，同时势垒高度由高度由eVDeVD下降下降为e(VD-V )e(VD-V )，如下，如下图。 1

21、1非平衡少子的非平衡少子的电注入注入 1. 1. 非平衡少子的注入与抽取非平衡少子的注入与抽取p neVD 一、外加一、外加电压下的下的pnpn结 势垒的降低减弱了漂移运的降低减弱了漂移运动 ，使分散流大于漂移，使分散流大于漂移流，流，产生了生了净分散流，构成了分散流，构成了pn结的正向的正向电流。流。 电子子经过势垒分散到分散到p区，使区，使p区区势垒边的的电子数子数密度比平衡密度比平衡值高，即构成了非平衡少数高，即构成了非平衡少数载流子。流子。 同理，空穴同理，空穴经过势垒分散到分散到n区，使区，使n区区势垒边的的空穴数密度比平衡空穴数密度比平衡值高，也构成了非平衡少数高，也构成了非平衡少

22、数载流流子。子。 这种外加正向偏种外加正向偏压作用使非平衡少子作用使非平衡少子进入半入半导体体的的过程，称程，称为非平衡少子的非平衡少子的电注入。注入。 在施加反向在施加反向电压V 条件条件下，外下，外电压在在势垒区中区中产生了与内建生了与内建电场方向一方向一样的的电场，因此加，因此加强了内建了内建电场，使空，使空间电荷增多。荷增多。故故势垒区的区的宽度将度将变宽，同同时势垒高度增大，如下高度增大，如下图。 2 2非平衡少子的抽取非平衡少子的抽取p neVD 势垒的增大加的增大加强了漂移了漂移运运动，使分散流小于漂移，使分散流小于漂移流。流。 此此时，n区区势垒边的空穴，被的空穴，被势垒区的区

23、的强电场驱向向p区，而区，而p区区势垒边的的电子被子被驱向向n区。区。 当当这些少数些少数载流子被流子被电场驱走后，内部的少子前走后，内部的少子前来来补充，从而构成了反向充，从而构成了反向偏偏压下的下的电子分散子分散电流和流和空穴分散空穴分散电流。流。 这种情况好像少数种情况好像少数载流子不断地被抽出来，所以流子不断地被抽出来，所以将将这种反向偏种反向偏压作用下非平衡少子的运作用下非平衡少子的运动过程，称程，称为非平衡少子的抽取或吸出。非平衡少子的抽取或吸出。p n 2. 2. 非平衡少子分布非平衡少子分布1 1非平衡少子非平衡少子浓度分布度分布eVD 在正向偏在正向偏压下，下，pnpn结的平

24、的平衡被破坏，衡被破坏，n n区能区能带相相对p p区区被抬高被抬高eVeV，此，此时n n区和区和p p区的区的费米能米能级之差之差为 由于在由于在电注入下，注入下，p p区和区和n n区区势垒边出出现较高高浓度的非度的非平衡少子，并各自向体内分平衡少子，并各自向体内分散。因此，在散。因此，在势垒区和分散区和分散区没有一致的区没有一致的费米能米能级，必，必需用准需用准费米能米能级表示。表示。 在在p p区，由于空穴区，由于空穴浓浓度很高，且度很高，且势垒势垒区很窄，区很窄，费费米米能能级级和和变变化可以忽略，因此空穴的化可以忽略，因此空穴的费费米能米能级级从从p p区到区到势垒势垒区不断区不

25、断坚坚持持EFpEFpeVD 但在空穴分散区，由于空但在空穴分散区，由于空穴穴浓度度远小于小于n n区区电子子浓度度且且变化化显著，此著，此时n n区中空区中空穴的穴的费米能米能级用空穴准用空穴准费米米能能级表示。表示。 同理，在同理，在p p区区电子的子的费米能米能级用用电子准子准费米能米能级表示，表示，而在而在n n区和区和势垒区，区，电子的子的费米能米能级坚持持EFnEFn不不变。 在在p p区区势垒边处势垒边处，电电子准子准费费米能米能级级等于等于EFnEFn，那么，那么电电子和空穴的子和空穴的浓浓度分度分别为别为eVD即得即得 所以有所以有 由于由于 所以得所以得p p区区势垒边的的

26、电子子浓度度 同理得同理得n n区区势垒边的空穴的空穴浓度度 注入的非平衡少子向体内注入的非平衡少子向体内边分散分散边复合，构成一复合，构成一个个稳态分布，根据分散分布，根据分散实际和和边境条件，可得境条件，可得 式中非平衡少子的分散式中非平衡少子的分散长度可写成度可写成 2 2反向反向pnpn结少子分布少子分布 在反向偏在反向偏压下，下，pnpn结的平的平衡被破坏，衡被破坏，p p区能区能带相相对n n区区被抬高被抬高eVeV，此，此时p p区和区和n n区的区的费米能米能级之差之差为 在在p p区和区和n n区区势垒边处势垒边处的少子的少子浓浓度分度分别为别为 在反向抽取下，在反向抽取下，

27、p p区和区和n n区区势垒边的非平衡少子的非平衡少子浓度度远低于平衡少子低于平衡少子浓度，因此，同平衡少子相比，度，因此，同平衡少子相比，势垒边的少子的少子浓度近似度近似为零。反向偏零。反向偏压下少子分布下少子分布如下如下图。 此此时平衡少子向平衡少子向势垒边分分散，根据分散散，根据分散实际和和边境条境条件可得件可得 3. 3. 电电流流转换转换和和传输传输1 1正向正向pnpn结的的电流流转换 在正向偏在正向偏压下，注下，注入的非平衡少子在分入的非平衡少子在分散区内根本上被复合散区内根本上被复合掉，因此流掉，因此流过n n区和区和p p区区( (分散区以外分散区以外) )的少的少子分散子分

28、散电流流为零，其零，其电流主要是多子的漂流主要是多子的漂移移电流。流。 在分散区，注入的少子分散在分散区，注入的少子分散电流与多子漂移流与多子漂移电流流将相互将相互转换：少子不断地与多子复合而：少子不断地与多子复合而转换成多子成多子漂移漂移电流，直到分散区流，直到分散区边处的注入少子全部复合。的注入少子全部复合。 2 2反向反向pnpn结的的电流流转换 在反向抽取下，分在反向抽取下，分散区内的非平衡少子散区内的非平衡少子低于平衡少子低于平衡少子浓度，度，因此因此产生大于复合，生大于复合，有有电子空穴子空穴对产生。生。其中少子向其中少子向势垒边分分散并被散并被电场扫过势垒区，构成反向漂移区，构成

29、反向漂移电流。流。 分散区中分散区中产生的非平衡多子，在生的非平衡多子，在电场作用下作漂作用下作漂移运移运动流出分散区，构成反向漂移流出分散区，构成反向漂移电流。流。 二、二、pnpn结电流流电压方程方程 符合以下假符合以下假设条件的条件的 pn 结，称，称为理想理想pn结。 1. 1. 理想理想pnpn结结模型模型1 1小注入条件小注入条件 在小注入条件下，注入的少子在小注入条件下，注入的少子浓度度远小于平衡多小于平衡多子子浓度，因此度，因此p区的区的载流子流子浓度可写成度可写成 n区的区的载载流子流子浓浓度度为为 在在势垒区内自在区内自在载流子全部耗尽，空流子全部耗尽，空间电荷密度荷密度等

30、于等于电离离杂质的的电荷密度，即荷密度，即2 2势垒区耗尽近似区耗尽近似 在在势垒区以外的区以外的p区和区和n区没有空区没有空间电荷，呈荷，呈现电中性，其平衡多子中性，其平衡多子浓度密度等于度密度等于电离离杂质浓度，即度，即3 3电中性近似中性近似 在耗尽近似和在耗尽近似和电中性近似情况下，外加中性近似情况下，外加电压和接和接触触电势差都作用在耗尽差都作用在耗尽层上，耗尽上，耗尽层外的半外的半导体体为电中性，没有中性，没有电压降。降。4 4恒恒电流近似流近似5 5非非简并近似并近似 经过耗尽耗尽层的的电子子电流和空穴流和空穴电流流为常数，不思常数，不思索耗尽索耗尽层中中载流子的流子的产生及复生

31、及复协作用。作用。 非平衡少子的非平衡少子的浓度度远小于小于-3-3，即非，即非简并条件，并条件，因此因此满足玻足玻尔兹曼曼统计分布。分布。 2. 2. 肖克莱方程式肖克莱方程式 在在p-np-n结上加偏上加偏压V V，此，此时在在p p区区势垒边少子少子电子的子的浓度度为 由于非平衡少子的由于非平衡少子的电注入，在注入，在势垒边处的非平衡的非平衡少子少子浓度度为 同理同理 ，在，在n区区势垒边少子少子空穴的空穴的浓度度为 在在n区区势垒边注入的非平衡少子的注入的非平衡少子的浓度度为 在在势垒边积累的少子必各向累的少子必各向p p区与区与n n区内部分散，区内部分散，根据恒根据恒电流条件，其分

32、散流分流条件，其分散流分别为 因此，流因此，流过 pn 结的的电流密度流密度为 上式就是理想上式就是理想pn pn 结模型的模型的电流流电压方程式，又方程式，又称称为肖克莱方程式。肖克莱方程式。 即即式中式中 三、三、pnpn结的伏安特性的伏安特性 pn结伏安特性曲伏安特性曲线如下如下图。 1. pn 1. pn结结伏安特性曲伏安特性曲线线VI 由由图可知，可知，pn结具有具有单导游游电性：性：外加正向偏外加正向偏压时，有正向有正向电流流流流过；而在外加反向偏而在外加反向偏压时，反向，反向电流很小流很小并迅速并迅速趋于于饱和。和。1 1单导游游电性性 pn结伏安特性伏安特性曲曲线具有以下特具有

33、以下特征：征：VI死区电压死区电压Si=0.6VGe=0.2V 在外加正向偏在外加正向偏压较小小时，正向，正向电流很小，几乎流很小，几乎为零。通常将零。通常将这个个电压范范围称称为死区死区电压，硅管，硅管是是00.6V，而，而锗管那么管那么为00.2V。2 2曲曲线特征特征l l死区死区死区死区电压电压 VI死区电压死区电压Si=0.6VGe=0.2V导通电压导通电压Si=0.60.7VGe=0.20.3V 随着外加正向偏随着外加正向偏压的添加，正向的添加，正向电流流缓慢增大，只需慢增大，只需当大于某个当大于某个值时，正向正向电流才明流才明显添添加。通常加。通常规定正向定正向电流到达某一明流到

34、达某一明显数数值时所需求的外所需求的外加正向加正向电压，称，称为pn结的的导通通电压，或或门槛电压。l l导导通通通通电压电压 VI死区电压死区电压Si=0.6VGe=0.2V导通电压导通电压Si=0.60.7VGe=0.20.3V反向击穿反向击穿电压电压VB 在外加反向偏在外加反向偏压情况下，随着情况下，随着电压的添加，反向的添加，反向电流流迅速到达迅速到达饱和。此和。此时，继续添加反向添加反向电压，反向，反向电流几流几乎不乎不变。但当。但当电压增大到某个增大到某个值时，反向反向电流迅速地添流迅速地添加。加。这个个电压称称为pn结的反向的反向击穿穿电压。l l反向反向反向反向击击穿穿穿穿电压

35、电压 由肖克莱方程式，可知：由肖克莱方程式，可知： 2. 2. 理想理想pnpn结结的的电电流流电压电压特性特性1 1pnpn结正向偏正向偏压 在室温下在室温下普通外加正向普通外加正向电压约零点几伏，故零点几伏，故所以正向所以正向电流密度可以写成流密度可以写成 即：在正向偏即：在正向偏压下，正向下，正向电流密度随正向偏流密度随正向偏压呈指呈指数关系迅速增大。数关系迅速增大。 在反向偏在反向偏压下，下，VkT 时2 2pnpn结反向偏反向偏压所以得反向所以得反向电流密度流密度 即：在反向偏即：在反向偏压下，反向下，反向电流密度流密度为常数，与外加常数，与外加电压无关。无关。 当施加反向当施加反向

36、电压时，外加，外加电压与内建与内建电压极性极性一一样，从而添加了，从而添加了结区的漂移区的漂移电流，使之超越分散流，使之超越分散电流，其差流，其差值构成反向构成反向电流。流。 显然，随着反向然，随着反向电压由零开由零开场添加添加 ，反向，反向电流流迅速迅速饱和，其数和，其数值为 反向漂移反向漂移电流由少子构成，因此数流由少子构成，因此数值很小。很小。现实上，当施加反向上，当施加反向电压时势垒增高，任何增高，任何处于于势垒边境的少子均被境的少子均被势垒区高区高电场扫入入对方，从而使方，从而使势垒区区边境少子数密度几乎境少子数密度几乎为零。零。式中，式中， 都是平衡少子数密度，都是平衡少子数密度，

37、数值很低，因此反向饱和电流数值极小。数值很低，因此反向饱和电流数值极小。 pn结结的的这这种正种正导导游通、反向阻断特性，称游通、反向阻断特性，称为单导为单导游游电电性，或称性，或称为为整流效整流效应应。 综上所述，除非极小的外加上所述，除非极小的外加电压，在正、反向，在正、反向电压下流下流过pnpn结二极管的二极管的电流数流数值差差别悬殊：正向殊：正向表表现为低阻低阻导通通态，而反向那么表，而反向那么表现为高阻阻断高阻阻断态。 由于由于饱和和电流数流数值极小，因此，反向极小，因此，反向 pn pn 结可可以看作是一个高阻阻断以看作是一个高阻阻断层。 pn pn结结的的单导单导游游电电性是晶体

38、管任性是晶体管任务务的根本原理，在的根本原理，在检检波与整流方面得到广泛运用。波与整流方面得到广泛运用。 VI 比比较pn结伏安特性的伏安特性的实际结果与果与实验曲曲线，可以，可以发现： 3. 3. 实际实际与与实验实验曲曲线线比比较较1 1正向偏正向偏压情况情况 实际计算与算与实验丈量丈量结果之果之间的偏的偏向表向表现为： * * 在正向在正向电压较小小时，实际计算算值比比实验值小。小。* * 正向正向电电流流较较大大时时，电电流流电压电压关系符合关系符合 * * 正向正向电电流大流大时时，电电流流电压电压呈呈现线现线性关系，而不是性关系，而不是指数关系。指数关系。 而不是理想而不是理想pn

39、pn结的的电流流电压关系。关系。 在反向偏在反向偏压时，实践丈量的反向践丈量的反向电流比流比实际计算算值大得多，而且反向大得多，而且反向电流不流不饱和，随反向偏和，随反向偏压的的增大而略有添加。增大而略有添加。 2 2反向偏反向偏压情况情况 实验阐明，理想明，理想pnpn结的的电流流电压方程式同小注入方程式同小注入下下Ge-pnGe-pn结符合的很好，与符合的很好，与Si-pnSi-pn结那么偏向那么偏向较大。大。影响影响pnpn结伏安特性的主要伏安特性的主要缘由：由： * * 外表效外表效应 * * 势垒区中的区中的产生和复合生和复合 * * 大注入条件大注入条件 * * 串串联电阻效阻效应

40、 四、影响四、影响pnpn结伏安特性的要素伏安特性的要素 1. 1. 空空间电间电荷区的荷区的产产生与复合生与复合电电流流1 1正向偏正向偏压下的复合下的复合电流流 在正向在正向电压下，下，p p区的空穴和区的空穴和n n区的区的电子子进入入势垒区，使区，使载流子流子浓度高于平衡度高于平衡值，从而，从而导致复合率致复合率大于大于产生率。因此，一部分生率。因此，一部分电子子- -空穴空穴发生复合，构生复合，构成复合成复合电流，而不流流，而不流过pnpn结。 设电子和空穴的寿命均子和空穴的寿命均为，复合中心分布均匀且，复合中心分布均匀且具有具有单一有效能一有效能级，那么由半，那么由半导体复合体复合

41、实际可得可得势垒区的区的净复合率复合率为思索到正向偏思索到正向偏压下，下，V kBT/e，那么，那么势垒区区净复复合率可合率可简化化为假假设势垒区的区的宽度度为xd，那么，那么势垒区的复合区的复合电流密流密度度为 思索思索势垒区复合区复合电流后，流后，pn结正向正向电流密度流密度为* * 仅当正向偏当正向偏压比比较低、或低、或电流比流比较小小时，复合，复合电流才起重要作用。当外加流才起重要作用。当外加电压大于大于0.5V0.5V时，复合，复合电流的影响很小。流的影响很小。 * * 本征本征载流子流子浓度越大，复合度越大，复合电流的影响就越小。流的影响就越小。由于由于GeGe的本征的本征载流子流

42、子浓度大，因此复合度大，因此复合电流的影响流的影响可以忽略；而可以忽略；而SiSi的本征的本征载流子流子浓度度较小，因此在校小，因此在校电流范流范围内复合内复合电流的影响就必需思索。流的影响就必需思索。 2 2反向偏反向偏压下的下的产生生电流流 理想理想pn结的反向的反向电流密度由流密度由p区和区和n区区势垒边产生生的少子构成，的少子构成，实践上它并不代表践上它并不代表pn结反向反向电流的全流的全部，而只是反向部，而只是反向电流的一部分，常称流的一部分，常称为体内分散体内分散电流。流。 在反向在反向电压下，由于下，由于势垒区区对载流子的抽取，流子的抽取，空空间电荷区内荷区内载流子流子浓度低于平

43、衡度低于平衡值，故，故电子子- -空穴空穴对的的产生率大于复合率，因此生率大于复合率，因此势垒区存在区存在产生生电流。流。 势垒区区产生生电流是反向分散流是反向分散电流之外的一个附流之外的一个附加反向加反向电流，因此流，因此实践践pnpn结反向反向电流流还应该加上加上产生生电流。流。 在反向偏在反向偏压且且V kBT/e，势垒区复合率区复合率为所以所以势垒区区净产生率生率为假假设势垒区的区的宽度度为xd，那么，那么势垒区的复合区的复合电流密流密度度为 思索思索势垒区区产生生电流后，流后，pn结反向反向电流密度流密度为 2. pn 2. pn结结外表的复合与外表的复合与产产生生电电流流1 1外表

44、外表电荷引起的荷引起的势垒区区 在二氧化硅在二氧化硅层中，普通都含有一定数量的正中，普通都含有一定数量的正电荷如荷如NaNa离子等，它离子等，它们将吸引或排斥半将吸引或排斥半导体内的体内的载流子，从而构成外表空流子，从而构成外表空间电荷区。荷区。+ + + + + + + + + +- - - - - - - - - -+- 如下如下图，在二氧，在二氧化硅化硅层中正中正电荷作用荷作用下，在半下，在半导体外表将体外表将构成构成负的空的空间电荷分荷分布，布，对于于pnpn结而言，而言，相当于空相当于空间电荷区延荷区延展、展、扩展。展。 外表空外表空间电荷区中的复合中心将引起附加的正向荷区中的复合中

45、心将引起附加的正向复合复合电流和反向流和反向产生生电流。流。 在在这里，外表空里，外表空间电荷区越大，所引荷区越大，所引进的附加的附加电流也越大，并且在外表流也越大，并且在外表电荷足荷足够多的情况下，外表多的情况下，外表空空间电荷区的荷区的宽度随反向偏度随反向偏压添加而增大，直到外添加而增大，直到外表空表空间电荷与氧化荷与氧化层中中电荷相等荷相等时为止。止。+ + + + + + + + + +- - - - - - - - - -+-2 2硅硅- -二氧化硅的界面二氧化硅的界面态 在二氧化硅在二氧化硅层与硅的交界面与硅的交界面处，往往存在相等，往往存在相等数量的、位于禁数量的、位于禁带的能的

46、能级，称，称为界面界面态外表外表态，它它们与半与半导体内的体内的杂质能能级类似，可以起到复合中似，可以起到复合中心的作用。心的作用。 外表外表态的复合中心也将引起附加的正向复合的复合中心也将引起附加的正向复合电流流和反向和反向产生生电流。流。3 3外表沟道外表沟道电流流 当当衬底底杂质浓度度较低且低且SiO2膜中正膜中正电荷荷较多多时，衬底外表底外表将出将出现反型反型层，并与分散，并与分散层相相连，使，使pn结面面积增大，因此反增大，因此反向向电流增大。流增大。+ + + +- - - - -4 4外表漏外表漏导电流流 当当pnpn结外表由于外表由于资料料缘由，或吸附水气、金属由，或吸附水气、

47、金属离子等而引起外表离子等而引起外表污染染时，好像在，好像在pnpn结外表并外表并联了了一个附加一个附加电导，因此将引起外表漏，因此将引起外表漏电，使反向，使反向电流流添加，如下添加，如下图。 3. 3. 串串联电联电阻的影响阻的影响 在制造工在制造工艺中，中，为了保了保证硅片的机械硅片的机械强度，度，对其其厚度有一定的要求。同厚度有一定的要求。同时，为了了满足足pn结击穿穿电压的要求，低的要求，低掺杂区的区的电阻率又不能太低。所以，阻率又不能太低。所以，pn结的串的串联电阻阻较大。大。 当当电流流流流过串串联电阻阻时，pn结上的上的实践践电压应为即，串即，串联电阻将阻将导致致pn结上上实践践

48、电压降低，从而使降低，从而使电流随流随电压的上升的的上升的趋势变慢。慢。 由于由于结电压与与电流成流成对数关系，在大数关系，在大电流下，流下，电压主要添加在串主要添加在串联电阻上，使阻上，使电流流电压近似近似为线性性关系。关系。 4. 4. 大注入的影响大注入的影响 在大注入情况下、由于自建在大注入情况下、由于自建场的作用，的作用，pn结正向正向电流密度流密度应修正修正为 同校注入情况下相比：同校注入情况下相比：* * 大注入大注入时，空穴，空穴电流密度与流密度与p p区的区的杂质浓度度NaNa无关。无关。这是由于注入是由于注入p p区的非平衡少子区的非平衡少子浓度比度比p p区区杂质浓度度高

49、得多，从而减弱了高得多，从而减弱了杂质浓度度对正向正向电流的影响。流的影响。 * * 大注入大注入时，相当于少子分散系数大了一倍。，相当于少子分散系数大了一倍。这是是由于小注入由于小注入时忽略了忽略了p p区区电场作用，但在大注入情况作用，但在大注入情况下，下，电场的漂移作用不能忽略。假的漂移作用不能忽略。假设将漂移作用等将漂移作用等效成分散作用，就相当于加速了效成分散作用，就相当于加速了电子分散，使等效子分散，使等效分散系数增大了一倍。分散系数增大了一倍。 * * 大注入大注入时，正向，正向电流随外加流随外加电压添加上升添加上升缓慢。慢。这是由于小注入是由于小注入时以以为外加外加电压全部降落

50、在全部降落在势垒区区上，但在大注入情况下，外加上，但在大注入情况下，外加电压有一部分降落在有一部分降落在p p区，以建立区，以建立p p区自建区自建电场，从而，从而维持多子的持多子的积累，保累，保证电中性条件。中性条件。 5. 5. 温度的影响温度的影响1 1对正、反向正、反向电流的影响流的影响 对于正向于正向电流密度，那么有流密度，那么有l l正向正向正向正向电电流流流流 即，正向即，正向电流密度随温度升高加流密度随温度升高加强。 对于反向于反向电流密度，可以表示流密度，可以表示为l l反向偏反向偏反向偏反向偏压压 式中，式中， 随温度变化较缓慢，故电流随温度的随温度变化较缓慢，故电流随温度

51、的变化主要由指数项决议。变化主要由指数项决议。 显然，然，饱和和电流随温度升高而迅速增大，并且禁流随温度升高而迅速增大，并且禁带越大的半越大的半导体，体，变化越快。化越快。2 2对pnpn结正正导游通游通电压的影响的影响 随着温度的升高，随着温度的升高，js 将迅速增大；随着外加中向将迅速增大；随着外加中向电压的添加，正向的添加，正向电流也会指数增大。因此，流也会指数增大。因此，对于于某一个特定某一个特定电流流值，随着温度升高，外加，随着温度升高，外加电压将会将会减小，即减小，即pn结正正导游通游通电压VF随着温度的升高而下随着温度的升高而下降。降。 在室温附近，普通地，温度每升高在室温附近，

52、普通地，温度每升高1度，度，对于于Ge-pn结，正，正导游通游通电压VF下降下降2mV；而；而对Si-pn结，正正导游通游通电压VF将下降将下降1mV。第第3 3节 pn pn结的的电容特性容特性上段上段上段上段下段下段下段下段目目目目录录 pn结空空间电荷区的荷区的电荷量随着外加偏荷量随着外加偏压变化，化，阐明明pn结具有具有电容效容效应。 pn结的的电容效容效应是是pn结的根本性的根本性质之一，它是之一，它是研研讨半半导体器件体器件频率特性的根底。利用率特性的根底。利用pn结电容效容效应可制造可制造变容二极管和集成容二极管和集成电路中所需求的路中所需求的电容器。容器。 本本节首先引首先引见

53、pn结电容效容效应及其及其产生的生的缘由，然由，然后后给出突出突变结和和缓变结势垒电容的容的实际公式，最后公式，最后给出分散出分散电容的表达式。容的表达式。 pn pn结具有具有电容特性，它主要包括容特性，它主要包括势垒电容和分容和分散散电容两部分。容两部分。 当当pn结加正向偏加正向偏压时，势垒区区宽度度变窄，空窄，空间电荷数量减少。此荷数量减少。此时，n区区电子和子和p区空穴区空穴进入入势垒区，区，并中和了一部分并中和了一部分电离施主离施主杂质和和电离受主离受主杂质。这 一、一、pnpn结电容效容效应 1. pn 1. pn结电结电容效容效应应的来源的来源1 1势垒电容容相当于有一定数量的

54、相当于有一定数量的电子和空穴子和空穴“存入存入势垒区。区。 当减小正向偏当减小正向偏压时，势垒区区宽度度变宽，空，空间电荷荷数量添加。此数量添加。此时，势垒区区中的部分中的部分电子和空穴被自子和空穴被自建建电场扫出出势垒区，并分区，并分别进入入n n区和区和p p区。区。这相当于有一定数量的相当于有一定数量的电子和空子和空穴从穴从势垒区区“取出。取出。 在反向偏在反向偏压下，随着下，随着电压的增大，的增大，势垒区区宽度度变窄，空窄，空间电荷数量减少，荷数量减少，导致有一定数量的致有一定数量的电子子和空穴和空穴“存入存入势垒区。区。 随着随着电压减小，减小，势垒区厚度区厚度变宽，空，空间电荷数量

55、荷数量增多，增多，导致一定数量的致一定数量的电子和空穴从子和空穴从势垒区区释放。放。 从上述分析可知：当从上述分析可知：当pnpn结上外加上外加电压变化化时，自，自建建电场的的变化将引起化将引起势垒区区宽度和空度和空间电荷数量的荷数量的改改动，从而，从而导致致载流子在流子在势垒区的区的“存入和存入和“取出取出作用，作用，这种景象同种景象同电容器的容器的“充充电和和“放放电作作用用类似。似。这阐明明pnpn结具有具有电容效容效应。 通常，我通常，我们将将pn结势垒区空区空间电荷量随外加荷量随外加电压变化的化的电容效容效应称称为势垒电容，用容，用CT 表示。表示。 当当pn结加正向偏加正向偏压时，

56、有，有电子从子从n区注入区注入p区并在区并在势垒边p区一个分散区一个分散长度内，构成非平衡度内，构成非平衡电子和空子和空穴的穴的积累；累；2 2分散分散电容容 随着正向偏随着正向偏压的添加，的添加，在在n n区和区和p p区内分散区区内分散区积累累的非平衡少子添加；而随的非平衡少子添加；而随着正向偏着正向偏压的减小，分散的减小，分散区区积累的非平衡少子也减累的非平衡少子也减少。少。 同同样，在，在n区也存在非平衡空穴和区也存在非平衡空穴和电子的子的积累。累。 当当pn结加反向偏加反向偏压时，在，在“抽取作用，分散区抽取作用，分散区内非平衡内非平衡载流子的流子的积累也随累也随电压变化；但由于少子

57、化；但由于少子浓度低于平衡度低于平衡值，载流子流子电量随量随电压的的变化很小。化很小。 这种由于分散区种由于分散区电荷数量随外加荷数量随外加电压变化所化所产生的生的电容效容效应，称，称为pnpn结的分散的分散电容，用容，用CDCD表示。表示。 当当pnpn结在一个固定直流偏在一个固定直流偏压V V作用下，叠加一个作用下，叠加一个微小的交流微小的交流电压dVdV时，由微小，由微小电压变化所引起的化所引起的电荷荷变化化dQdQ，称，称为这个直流偏个直流偏压下的微分下的微分电容。即容。即 微分微分电容有容有赖于于pn结的直流偏的直流偏压，因此在不同偏，因此在不同偏压下，微分下，微分电容也不一容也不一

58、样。 2. 2. 微分微分电电容容 实验发现实验发现：pn结电结电容随外加容随外加电压电压而而变变化，即它化，即它们们是可是可变电变电容。容。为为此，引入微分此，引入微分电电容。容。 对于突于突变结，势垒区的区的电荷密度分布荷密度分布为 根据高斯定理，根据高斯定理，势垒区区电场满足足 二、二、pnpn结结的的势垒电势垒电容容 1. 1.突突变结变结的的势垒电势垒电容容 - - - - - + + - - - - - + +xpxn- - - - - - - - -+ + + + +NdNaN(x)(x)1 1电场分布分布 根据耗尽近似和根据耗尽近似和电中性近似，中性近似，势垒边处场强为零，零，

59、于是可得于是可得势垒区的区的电场分布分布xpxn- - - - - - - - -+ + + + +NdNaN(x)(x)E(x) 势垒区区电场分布如下分布如下图，电场方向由方向由n n区指向区指向p p区，在区，在结处电场最最强，为 2 2空空间电荷分布荷分布 根据根据电电中性条件，可得中性条件，可得 上式也可以由最大上式也可以由最大电场强度公式度公式获得。得。这阐明，明，势垒区内正区内正负空空间电荷区的荷区的宽度与度与杂质浓度成反比。所以，度成反比。所以，当外加当外加电压变化化时，势垒区区主要向主要向杂质浓度低的一度低的一侧扩展。展。xpxn- - - - - - - - -+ + + +

60、 +NdNaN(x)(x)E(x)3 3电势分布分布 势垒区的泊松方程可写成区的泊松方程可写成 由于两个由于两个势垒边的的电势差差为VD，所以平衡，所以平衡pn结势垒区的区的电势分布可写成分布可写成 利用利用电势电势在在x = 0处处延延续续的条件，由上式可得的条件，由上式可得 由于由于和和 4 4势垒宽度度 所以得所以得于是，得于是，得势垒宽度度 当当pn结结上加偏上加偏压压V时时，势垒势垒区上区上总电压为总电压为VD-V，那么那么势垒宽势垒宽度可推行度可推行为为 上式上式阐明：突明：突变结的的势垒宽度随外加偏度随外加偏压的的变化化而而变化。在偏化。在偏压一定一定时，随，随结两两侧的的杂质浓

61、度的度的变化而化而变化。化。 对单边突突变结，势垒区主要向区主要向轻掺杂一一侧扩展。展。 势垒势垒区内区内单单位面位面积积上的上的总电总电量量为为 利用利用即得即得 5 5 5 5势垒电势垒电容容容容 假假设pn结面面积为S，那么，那么pn结的的势垒电容容为 根据微分根据微分电容定容定义，得，得单位面位面积势垒电容容为 同突同突变结处变结处置相置相类类似，假似，假设设在在x = 0x = 0处处也采用耗尽也采用耗尽近似，那么近似，那么势垒势垒区的空区的空间电间电荷密度荷密度为为式中式中j 为杂质浓度梯度。度梯度。 耗尽区的泊松方程可写成耗尽区的泊松方程可写成 2. 2.线线性性缓变结缓变结的的

62、势垒电势垒电容容 (1) (1)电场电场分布分布 采用耗尽近似和中性近似，采用耗尽近似和中性近似，电场电场只分布在只分布在势垒势垒，因此因此势垒边势垒边的的电场电场强强度度为为零，即零，即那么那么势垒区的区的电场分布分布为 势垒区的区的电场呈呈现抛物抛物线外形，如下外形，如下图。其最。其最大大电场在在结处，为 根据根据电场分布，可得分布，可得线性性缓变结的的电势 (2) (2)电势电势分布分布 利用利用势垒区的接触区的接触电势差差VDVD可得可得 那么那么线性性缓变结的的电势分布分布 利用利用电势电势在在x = xD/2处对处对称性称性质质，由上式可得，由上式可得势势垒宽垒宽度度 在在pn结外

63、加偏外加偏压时，可以写成，可以写成 (3) (3)势垒宽势垒宽度度 势垒势垒区正空区正空间电间电荷荷为为即即 (4) (4)势垒电势垒电容容 根据微分根据微分电电容定容定义义，可得，可得线线性性缓变结缓变结的的势垒电势垒电容容 显然，然，pn结的的势垒电容又可以写成容又可以写成即，即，pn结势垒电容可以等效容可以等效为一个一个电容容变化的平行化的平行板板电容器。容器。 上述分析上述分析阐阐明，无明，无论论是突是突变结还变结还是是线线性性缓变结缓变结，其其势垒电势垒电容均与外加容均与外加电压电压有关。有关。 对于于p+-n结或或n+-p结，由，由势垒电容公式可得容公式可得 在在实践运用中，一方面

64、可以制造践运用中，一方面可以制造变容器件，另一容器件，另一方面，可以用来丈量方面，可以用来丈量结附近的附近的杂质情况。例如：情况。例如：* * 丈量丈量单边突突变结的的杂质浓度度 式中，式中，N0为轻掺杂一一侧的的杂质浓度。度。由上式得由上式得假假设经过实验作出关系曲作出关系曲线那么由斜率可以求得那么由斜率可以求得N0。 对于于线性性缓变结，由，由势垒电容公式可得容公式可得* * 丈量丈量线性性缓变结的的杂质浓度梯度度梯度 由由实验作出关系曲作出关系曲线是不断是不断线，从其斜率和截距可以求出，从其斜率和截距可以求出杂质浓度梯度度梯度和接触和接触电势差。差。 无无论论突突变结还变结还是是线线性性

65、缓变结缓变结，势垒电势垒电容公式都是容公式都是在耗尽在耗尽层层近似根底上近似根底上获获得的。得的。 当当pnpn结反偏反偏电压较高高时，耗尽，耗尽层近似是合理的，近似是合理的，势垒电容的容的实际计算算值与与实验结果根本一致。果根本一致。 但是在反向偏但是在反向偏压较低，特低，特别是施加正向偏是施加正向偏压时，空空间电荷区内有大量荷区内有大量载流子流子经过，载流子流子电荷随外荷随外加加电压变化而改化而改动的的电容效容效应增大，因此，利用上增大，因此，利用上述公式述公式计算正向偏算正向偏压的的pnpn结势垒电容将容将产生生较大的大的误差，差，势垒电容公式容公式应进展适当的修正。展适当的修正。 3.

66、 3.势垒电势垒电容公式的修正容公式的修正 对对于不于不对对称突称突变结变结，在反向偏，在反向偏压较压较低低时时，势垒电势垒电容可修正容可修正为为式中式中j 为杂质浓度梯度。度梯度。 对于于对称突称突变结 (1) (1)突突变结变结 对对于于线线性性缓变结缓变结，应该应该修正修正为为式中式中 (2) (2)线线性性缓变结缓变结 另外，在正向偏另外，在正向偏压较大大时，普通需用下式，普通需用下式计算：算： 实实践分散践分散结结的的杂质杂质分布通常分布通常为为余余误误差函数或高斯差函数或高斯函数，因此函数，因此势垒势垒的的计计算非常复算非常复杂杂。 求分散求分散结势垒电容的方法：容的方法： 4.

67、4.实实践分散践分散结势垒电结势垒电容容计计算算 (1) (1)将分散将分散结结近似近似为为突突变结变结或或线线性性缓变结计缓变结计算算 当当pn结两两侧杂质浓度相差很大、度相差很大、衬底底掺杂浓度很度很小，或小，或杂质浓度梯度很大、度梯度很大、结深很小深很小时，可近似，可近似为单边突突变结，采用突，采用突变结势垒电容公式容公式计算。算。 当当pn结两两侧杂质浓度相差不大、度相差不大、衬底底掺杂浓度度较高、高、杂质浓度梯度很小、度梯度很小、结深深较大大时，可近似，可近似为线性性缓变结。首先。首先获得得杂质浓度梯度，然后利用度梯度，然后利用线性性缓变结势垒电容公式容公式计算。算。 (2) (2)

68、查查表法表法 例如，知硅例如，知硅pn结的分散的分散层外表外表杂质浓度度NS=1018cm-3、衬底底杂质浓度度N0=1015cm-3、结深深Xj= 2*10-4cm，求反偏，求反偏电压V=-5.3V时，pn结的的势垒电容容CT、势垒宽度度Xm和分散和分散侧势垒宽度度X1。 根据根据计算算* * 确定确定图表表 确定确定对应的的图。 根据根据计算算结果果* * 求求势垒电容和容和结深深 在在图找出找出对应点，然后沿左上斜点，然后沿左上斜线找出与找出与结深深Xj =2 m 曲曲线的交点，再由交点沿程度的交点，再由交点沿程度线对应的坐的坐标数数值，可得可得 根据根据计算算结果果* * 求分散求分散

69、侧势垒宽度度 与与结深曲深曲线的交点，由交点沿程度的交点，由交点沿程度线可得可得对应的坐的坐标值 pn pn结加外加外电压时，由于少子注入，而在分散区，由于少子注入，而在分散区积累的少子按照指数方式分布，可写成累的少子按照指数方式分布，可写成 将上式在分散区内将上式在分散区内积分，可以得到分，可以得到单位面位面积的分的分散区内所散区内所积累的累的总电荷。荷。 三、三、pnpn结结的分散的分散电电容容即即由此可得分散区由此可得分散区单位面位面积的微分的微分电容容 设pnpn结面面积为S S，那么正向偏，那么正向偏压下，下，总的微分分散的微分分散电容容为对于于p+n结，那么，那么为 由于上述所用的

70、由于上述所用的浓度分布采用度分布采用稳态方式，因此，方式，因此，上式只近似运用于低上式只近似运用于低频情况。情况。 进一步的分析一步的分析阐明：随着明：随着频率的添加，分散率的添加，分散电容容减小。减小。 由于分散由于分散电容随正向偏容随正向偏压按照指数添加，所以，按照指数添加，所以，在大的正向偏在大的正向偏压时，分散，分散电容起主要作用。容起主要作用。第第4 4节 pn pn结的开关特性的开关特性上段上段上段上段下段下段下段下段目目目目录录 pn结二极管具有二极管具有单导游游电性，所以可以当作开关性，所以可以当作开关运用，即：当二极管运用，即：当二极管处于正于正导游通形状游通形状时，相当于，

71、相当于开封开封锁合，称合，称为“开开态；当二极管；当二极管处于反向截止形于反向截止形状状时，相当于开关断开，称，相当于开关断开，称为“关关态。 同同传统的机械开关和的机械开关和电器开关器开关( (如如继电器器) )相比，相比，pnpn结二极管的开关速度极快，因此在二极管的开关速度极快，因此在电子子设备中广中广泛运用。泛运用。 本本节着重引着重引见影响影响pn结开关特性的要素，开关特性的要素，进而而给出提高二极管开关速度的途径。出提高二极管开关速度的途径。 一、一、pnpn结的开关特性分析的开关特性分析 1. 1. 等效等效电电路路 pn pn结二极管的等效二极管的等效电路如下路如下图。CfCp

72、CjRjLs Rs 在在pnpn结二极管的等效二极管的等效电路中：路中：* Ls* Ls* Ls* Ls是是是是电电极引极引极引极引线电线电感感感感* Rs* Rs* Rs* Rs是串是串是串是串联电联电阻阻阻阻* Cp* Cp* Cp* Cp是管壳寄生是管壳寄生是管壳寄生是管壳寄生电电容容容容* Cf* Cf* Cf* Cf是引是引是引是引线线和底座之和底座之和底座之和底座之间间的寄生的寄生的寄生的寄生电电容容容容* Cj* Cj* Cj* Cj是是是是势垒电势垒电容，在正向偏容，在正向偏容，在正向偏容，在正向偏压压下，下，下，下，还还要并要并要并要并联联一个分一个分一个分一个分散散散散电电

73、容容容容CdCdCdCd* Rj* Rj* Rj* Rj是是是是势垒电势垒电阻阻阻阻1 1正向偏正向偏压等效等效电路路 pn pn结二极管的等效二极管的等效电路要分正向偏路要分正向偏压和反向偏和反向偏压两种情况，下面是在两种情况下的等效两种情况，下面是在两种情况下的等效电路：路：CpLs Rf 在正偏下在正偏下pnpn结处于于导通形状。此通形状。此时结电阻很小，阻很小，并且并且结电容的容抗容的容抗远大于大于结电阻，因此阻，因此pnpn结可以等可以等效效为一个由一个由结电阻和串阻和串联电阻构成的阻构成的电阻，其等效阻，其等效电路如以下路如以下图所示。所示。2 2反向偏反向偏压等效等效电路路 在反

74、偏下在反偏下pnpn结处于未于未导通形状。此通形状。此时，结电阻阻远大于大于结电容的容抗，可以忽略。因此容的容抗，可以忽略。因此pnpn结可以等效可以等效为结电容和串容和串联电阻构成的阻构成的电阻，其等效阻，其等效电路如以路如以下下图所示。所示。CpLS RS Cj 2. 2. 静静态态开关特性开关特性 pn pn结结二极管并不是一个理想开关。由于理想开关二极管并不是一个理想开关。由于理想开关在在“开开态时电态时电阻阻为为零、零、电压电压降也降也为为零，而零，而实实践践pnpn结结二极管在正二极管在正导导游通游通时时，总总有一个有一个电压电压降降VDVD，对对SiSi二极管其数二极管其数值为值

75、为0.7V0.7V。 由于存在由于存在“正向正向电压电压降，因此在降，因此在“开开态时态时，负载负载上的上的电压电压并不等于外加并不等于外加电压电压，而，而V-VD VV-VD V。 同同样样，理想开关在，理想开关在“关关态时电态时电阻阻应该应该是无是无穷穷大、大、电电流流为为零，然而零，然而实实践践pnpn结结二极管在反向截止二极管在反向截止时时，有，有一个反向一个反向饱饱和和电电流流反向漏反向漏电电流。流。 3. 3. 瞬瞬态态开关特性开关特性 在矩形脉冲在矩形脉冲电压电压作用下，作用下，实实践践pnpn结结二极管的呼二极管的呼应应电电流波形如下流波形如下图图。uVrVft 在正向在正向电

76、压Vf 作用下，二极管作用下，二极管处于于导通形状，流通形状，流过pn结的正向的正向电流流为If 。itftsIfIr 当外加偏当外加偏压阶跃为反向反向电压Vr 时，流，流过pn结的反的反向向电流并没有立刻流并没有立刻变为反向反向饱和和电流流I0，而是，而是经过一段一段时间后才恢复到反向后才恢复到反向饱和和电流形状。流形状。 在反向在反向电压Vr 作用下，流作用下，流过pn结电流从正向流从正向变为反向反向饱和形状和形状阅历的的时间，称，称为反向恢复反向恢复时间。这一一过程，称程，称为反向恢复反向恢复过程。程。uVrVftitftsIfIr 现实现实上，当脉冲上，当脉冲电压电压从从负阶跃负阶跃到

77、正到正时时，流，流过过pnpn结结的的电电流也需求一个流也需求一个变变化化过过程才到达正向程才到达正向电电流流If If 值值。但相比于反向恢复但相比于反向恢复过过程，程，这这一上升一上升过过程程阅历阅历的的时间时间较较小，因此影响开关速度的主要要素是反向恢复小，因此影响开关速度的主要要素是反向恢复时时间间。 由于存在由于存在“反向恢复反向恢复过过程，因此二极管在快速程，因此二极管在快速延延续续的脉冲作用下的开关特性遭到限制。假的脉冲作用下的开关特性遭到限制。假设设反向反向脉冲的脉冲的继续时间继续时间比反向恢复比反向恢复时间时间短，那么二极管在短，那么二极管在正、反向下都将正、反向下都将处处于

78、于导导通形状，此通形状，此时时起不到开关作起不到开关作用。用。 二、二、pnpn结的反向恢复的反向恢复过程程 1. 1. 正向正向储储存存过过程程 以以p+n结为例，当正向偏例，当正向偏压加在加在pn结上上时，二极，二极管管处于于导通形状，通形状，p+区空穴将注入区空穴将注入n区，其区，其浓度度为空穴将向空穴将向n 区内部分散，根据分散方程，其分散区内部分散，根据分散方程，其分散电流可表示流可表示为 当当仅思索分散运思索分散运动时，注入空穴在，注入空穴在n区的区的浓度度为 但是，由于内建但是，由于内建电场的妨碍作用，在的妨碍作用，在这一一过程中程中n 层中将中将储存大量的空穴，其存大量的空穴，

79、其电荷荷为 pn结在正向偏在正向偏压下存下存储了大量了大量电荷的荷的过程称程称为电荷存荷存储过程。程。 显然，然，储存的空穴与正向存的空穴与正向电流之流之间的关系的关系满足足 2. 2.反向恢复反向恢复过过程程 当外加偏当外加偏压从正向从正向阶跃改改动到反向到反向时，二极管内，二极管内的的势垒电场将将n区存区存储的空穴抽回的空穴抽回p+区，区，产生很大生很大的反向的反向电流，如下流，如下图。 当存当存储的空穴耗尽的空穴耗尽时，经过pn结二极管二极管的反向的反向电流迅速下降流迅速下降到反向到反向饱和和电流，构流，构成成电流流阶跃。 在反向在反向电流曲流曲线中，中，ts 称称为存存储时间，tf 称

80、称为下下降降时间，tr= ts +tf 那么称那么称为反向恢复反向恢复时间。 itftsIfIr 从物理概念上看，反向恢复从物理概念上看，反向恢复时间就是正向注入就是正向注入时储存在分散区的非平衡少子消逝的存在分散区的非平衡少子消逝的时间。1 1复复协作用作用 根据复合根据复合实际，载流子的复合率与流子的复合率与载流子数目成流子数目成正比，与正比，与载流子的寿命成反比。因此，在复流子的寿命成反比。因此，在复协作用作用下，存下，存储电荷随荷随时间的的变化可以表示成化可以表示成 去除存去除存储电荷的主要机制有两个：一是荷的主要机制有两个：一是经过复复协作用，二是作用，二是经过反向反向电流的抽取作用

81、。流的抽取作用。 由于由于t = 0t = 0时，储存存电荷荷为那么上式的解那么上式的解为 这阐明，明，储存存电荷在复荷在复协作用下将按照指数作用下将按照指数规律律衰减，其衰减衰减，其衰减时间与本征区中与本征区中载流子寿命流子寿命 、正向、正向电流流If 有关。有关。载流子寿命越流子寿命越长，正向，正向电流越大，反流越大，反向向过程中的程中的储存存时间越越长。2 2抽取作用抽取作用 在外加反向偏在外加反向偏压下，下，势垒边的非平衡少子遭到的非平衡少子遭到强电场的抽取，被抽取的的抽取，被抽取的载流子构成反向流子构成反向电流。根据流。根据电荷守恒定律，可得荷守恒定律，可得设t = 0时，Q = I

82、f，那么得抽取，那么得抽取时间 显然，加大反向然，加大反向电流，可以流，可以缩短抽取短抽取时间。 3. 3.反向恢复反向恢复时间时间1 1存存储时间 根据延根据延续性方程，存性方程，存储电荷的荷的时间变化率可以写化率可以写成成由于由于t = 0时，Q = If，那么由上式可得，那么由上式可得 在注入和抽取共同作用下，非平衡少子的分布如在注入和抽取共同作用下，非平衡少子的分布如下下图。 由于反向由于反向电流是由流是由n n区少区少子子( (空穴空穴) )向向势垒区方向分散区方向分散引起的，所以有引起的，所以有 在在储存存时间内，反向内，反向电流不流不变，空，空穴在穴在势垒区区边的斜率也一直不的斜

83、率也一直不变，如，如下下图。 但是，在复合与抽取的作用下，但是，在复合与抽取的作用下，储存存电荷逐荷逐渐减少，其减少，其变化如下化如下图。 储存存时间是是势垒边处非平衡少子非平衡少子浓度到达零度到达零时所所阅历的的时间，由如，由如图可知，当当可知，当当势垒边少子少子浓度度为零零时，剩余，剩余储存存电荷荷为代入延代入延续性方程的解公式，可得性方程的解公式，可得 这阐明：存明：存储时间主要由非平衡主要由非平衡载流子寿命、正流子寿命、正向向电流和反向流和反向电流确定。流确定。2 2下降下降时间 假假设在反向恢复在反向恢复过程中，反向程中，反向电流流坚持不持不变，那，那么由延么由延续性方程的解公式可得

84、反向恢复性方程的解公式可得反向恢复时间于是可得下降于是可得下降时间 实践的下降践的下降时间比上式比上式计算算值大，大，这是由于下降是由于下降时间普通比寿命短几个数量普通比寿命短几个数量级，所以可以以，所以可以以为残存残存少数少数载流子主要是流子主要是经过反向反向电流抽走的，此流抽走的，此时复合复合还来不及起作用。另外，反向来不及起作用。另外，反向电流是逐流是逐渐减小的。减小的。 思索到上述要素后，下降思索到上述要素后，下降时间近似近似为式中：式中：l l 残存残存残存残存电电荷荷荷荷 残存残存电荷荷总量由反向量由反向电流的衰减流的衰减时间tT tT 确定，确定，为l l 双极分散系数双极分散系

85、数双极分散系数双极分散系数 n n区向两区向两侧分散分散载流子的分散系数用双极分散系数流子的分散系数用双极分散系数等效，可写成等效，可写成l l 杂质浓杂质浓度梯度度梯度度梯度度梯度 结附近的附近的杂质浓度梯度度梯度为 三、提高三、提高pnpn结开关速度的途径开关速度的途径 1. 1. 影响影响pnpn结结开关速度的要素开关速度的要素 影响影响pn结开关速度的关开关速度的关键是反向恢复是反向恢复时间，而影，而影响反向恢复响反向恢复时间的主要有：的主要有：1 1非平衡少数非平衡少数载流子的流子的储存量存量 反向恢复由反向恢复由储存存时间和下降和下降时间构成，其中构成，其中储存存电荷量越大，荷量越

86、大，储存存时间越越长。储存存电荷是在正荷是在正导游游经过程中注入的，它可以表示程中注入的，它可以表示为即即电荷荷储存量与正向存量与正向电流和非平衡少数流和非平衡少数载流子寿命流子寿命有关。有关。 正向正向电流流对电荷荷储存量的影响如下存量的影响如下图，电流越大，流越大，储存存电荷越多。荷越多。 非平衡少子寿命非平衡少子寿命对电荷荷储存量的影响如下存量的影响如下图。载流子复合概率越小，流子复合概率越小，少子寿命越少子寿命越长，其分散，其分散长度越大，那么度越大，那么储存的存的电荷也就越多。荷也就越多。2 2储存存电荷的消逝荷的消逝 消除消除储存存电荷量的机荷量的机制有两个：即复制有两个：即复协作

87、用作用和抽取作用，其中复合和抽取作用，其中复合概率越大概率越大载流子寿命越短，反向流子寿命越短，反向电流越大那么抽取作流越大那么抽取作用越用越强。 综上所述，影响上所述，影响pnpn结开关速度的主要要素是：正开关速度的主要要素是：正向向电流、反向流、反向电流和非平衡少数流和非平衡少数载流子的寿命。因流子的寿命。因此，提高此，提高pnpn结开关速度开关速度应从以下几个方面思索。从以下几个方面思索。 2. 2. 提高提高pnpn结结开关速度的途径开关速度的途径1 1电路方面路方面 减小正向减小正向电流和增大初始反向流和增大初始反向电流。正向流。正向电流越流越小，那么小，那么储存存电荷越少；初始反向

88、荷越少；初始反向电流越大，那么流越大，那么对储存存电荷的抽取就越快。荷的抽取就越快。2 2器件构造方面器件构造方面 非平衡少子非平衡少子电荷主要荷主要储存在存在轻掺杂区，因此，减区，因此，减薄薄轻掺杂区厚度可以减少区厚度可以减少储存存电荷。同荷。同时，在其它，在其它条件一条件一样时，薄基区二极管的反向抽取，薄基区二极管的反向抽取电流比厚基流比厚基区大。区大。3 3器件器件资料与工料与工艺方面方面 降低少数降低少数载流子的寿命，流子的寿命，这是提高是提高pnpn结开关速度开关速度的最主要方法。的最主要方法。 在注入和抽取在注入和抽取电流相等的条件下，反向恢复流相等的条件下，反向恢复时间与寿命之与

89、寿命之间满足下面的足下面的阅历公式公式 在半在半导体体资料中引入复合中心可以降低少数料中引入复合中心可以降低少数载流流子寿命，通常采用子寿命，通常采用掺金、金、掺铂、电子子辐射、中子射、中子辐射等工射等工艺实现。 金在硅中是有效的复合中心，因此在开关二极管金在硅中是有效的复合中心，因此在开关二极管中常采用中常采用掺金的方法来提高其开关速度。在工金的方法来提高其开关速度。在工艺上上普通采用高温分散、快速冷却的方法，使高温下普通采用高温分散、快速冷却的方法，使高温下进入硅中的金入硅中的金冻结在在资料中。料中。 半半导体体资料中金的料中金的浓度与反向恢复度与反向恢复时间满足下面足下面的的阅历公式公式

90、第第5 5节 pn pn结的的击穿特性穿特性上段上段上段上段下段下段下段下段目目目目录录 当施加在当施加在p-np-n结上的反向偏上的反向偏压增大到某一个数增大到某一个数值时，反向反向电流密度忽然开流密度忽然开场迅速增大的景象，称迅速增大的景象，称为pnpn结击穿。穿。 在在击穿景象中，穿景象中，电流增大的根本流增大的根本缘由不是由于迁由不是由于迁移率的增大，而是由于移率的增大，而是由于载流子数目的添加。流子数目的添加。 pn结结的的击击穿有两种情况，即穿有两种情况，即电击电击穿和穿和热击热击穿。其穿。其中中电击电击穿又分穿又分为为两种两种类类型：雪崩型：雪崩击击穿和隧道穿和隧道击击穿。穿。

91、下面下面对这三种三种击穿的机理穿的机理给予予简单阐明。明。 一、一、pnpn结的雪崩的雪崩击穿穿 流流过pn结的反向的反向电流，主要由分散到流，主要由分散到势垒区的少区的少子子电流流组成。成。 1. 1. 雪崩雪崩击击穿机理穿机理1 1碰撞碰撞电离离 当反向偏当反向偏压很大很大时，势垒区的区的电场很很强。此。此时，进入到入到势垒区的少子将被区的少子将被强电场加速。随着加速。随着载流子流子速度的加大，其速度的加大，其动能越来越大。具有很大能越来越大。具有很大动能的能的载流子在与流子在与势垒区晶格原子区晶格原子发生碰撞生碰撞时，将能把价，将能把价键上的上的电子碰撞出来，成子碰撞出来，成为导带电子，

92、同子，同时产生一个生一个空穴。空穴。这种种载流子碰撞晶格流子碰撞晶格产生生电子子空穴空穴对的的过程，称程，称为碰撞碰撞电离。离。 为了定量描画碰撞了定量描画碰撞电离景象，通常把每个离景象，通常把每个载流子流子在在单位位间隔内隔内经过碰撞碰撞电离而离而产生的生的电子子- -空穴数目空穴数目称称为碰撞碰撞电离率，可近似地表示离率，可近似地表示为式中，式中，E E为势垒区区电场强度，度，ci ci 和和n n 均均为常数。常数。对于硅和于硅和锗pnpn结，常数，常数为对于硅和于硅和锗pnpn结，有效，有效电离率可写成离率可写成 显然，碰撞然，碰撞电离率主要集中在离率主要集中在电场最大最大处附近。附近

93、。在在势垒宽度内度内积分，可得一个分，可得一个载流子流子经过势垒区区时，由碰撞由碰撞电离离产生的生的电子子- -空穴数空穴数为2 2雪崩倍增效雪崩倍增效应 碰撞碰撞电离离产生的生的电子和空穴在子和空穴在电场中也将被中也将被电场加速，并加速，并获得足得足够的能量。它的能量。它们也将同晶格也将同晶格发生碰生碰撞，从而撞，从而产生更多的生更多的电子子- -空穴空穴对，使碰撞，使碰撞电离离过程程继续下去。下去。 这种使种使载流子不断增殖的方式，称流子不断增殖的方式，称为载流子的倍流子的倍增效增效应。 由于由于这种种载流子倍增效流子倍增效应与雪崩与雪崩过程程类似，故称似，故称为雪崩倍增效雪崩倍增效应。

94、为了表示雪崩倍增的程度，引入一个参数，称了表示雪崩倍增的程度，引入一个参数，称为雪崩倍增因子，其定雪崩倍增因子，其定义为流出流出势垒区的区的电流与流入流与流入 势垒区的区的电流之比。即流之比。即式中，式中，I0I0为pnpn结的反向的反向饱和和电流，流，I I为发生雪崩倍增生雪崩倍增后的反向后的反向电流。流。 由于雪崩倍增效由于雪崩倍增效应，使，使势垒区区单位位时间内内产生大生大量量载流子，迅速增大了反向流子，迅速增大了反向电流，从而使流，从而使pn pn 结发生生雪崩雪崩击穿，穿，对应的的电压称称为雪崩雪崩击穿穿电压。 根据碰撞根据碰撞电离率和雪崩倍增因子的定离率和雪崩倍增因子的定义，利用，

95、利用pnpn结电流关系，可得流关系，可得p+np+n结空穴空穴电流雪崩倍增因子与碰流雪崩倍增因子与碰撞撞电离的关系。即离的关系。即3 3雪崩雪崩击穿条件穿条件 同理可得同理可得pn+pn+结电子子电流雪崩倍增因子与碰撞流雪崩倍增因子与碰撞电离离的关系的关系 在忽略在忽略电子与空穴子与空穴电离率差离率差别时，引入有效，引入有效电离离率率此此时，雪崩倍增因子与碰撞，雪崩倍增因子与碰撞电离率的关系可离率的关系可简化化为 由上式可知，由上式可知，pnpn结发生雪崩生雪崩击穿的条件穿的条件为 此外，由此外，由实验可知，雪崩倍增因子可知，雪崩倍增因子还随外加偏随外加偏压变化，其化，其规律律为式中式中m m

96、为常数，其数常数，其数值根据半根据半导体体资料低料低掺杂浓度一度一侧的的导电类型而定。型而定。 显然，雪崩然，雪崩击穿除与穿除与势垒区区电场强度有关外，度有关外，还与与势垒宽度有关。度有关。 2. 2.雪崩雪崩击击穿穿电压电压1 1单边突突变结l l 临临界界界界电场电场 对于于单边突突变结，空，空间电荷区几乎全部荷区几乎全部扩展在低展在低掺杂区一区一侧。根据突。根据突变结电场分布公式，有分布公式，有进展展积分分变换，得，得代入雪崩代入雪崩击穿条件穿条件即即根据根据边境条件，雪崩境条件，雪崩击穿的穿的临界界电场为l l 击击穿穿穿穿电压电压 由由单边突突变结空空间电荷区荷区宽度公式度公式和最大

97、和最大电场公式公式单边突突变结最大最大电场与与电压关系关系当最大当最大电场到达雪崩到达雪崩击穿穿临界界电场时，pn结发生生击穿，此穿，此时的外加的外加电压就是就是击穿穿电压。由于。由于击穿穿电压远大于大于VD，那么由，那么由临界界电场公式可得公式可得 单边突突变结雪崩雪崩击穿穿电压还可以用可以用阅历公式公式计算，算，这个公式适宜各种半个公式适宜各种半导体体资料。料。2 2线性性缓变结l l 临临界界界界电场电场 对于于线性性缓变结，电场分布分布为在在x=0处，电场强度最大，度最大，为在在x=xD/2处，电场强度度为零。零。进展展积分分变换，得，得代入雪崩代入雪崩击穿条件穿条件即即解上述解上述积

98、分，并利用分，并利用边境条件，得雪崩境条件，得雪崩击穿的穿的临界界电场为l l 击击穿穿穿穿电压电压 由由线性性缓变结空空间电荷区荷区宽度公式度公式可得可得线性性缓变结最大最大电场与与电压关系关系由由临界界电场公式可得公式可得线性性缓变结的的击穿穿电压 线性性缓变结雪崩雪崩击穿穿电压还可以用可以用阅历公式公式计算，算，这个公式适宜各种半个公式适宜各种半导体体资料。料。3 3实践分散践分散结的雪崩的雪崩击穿穿电压 对于于实践的分散践的分散结，在分散，在分散层外表外表杂质浓度度NS比比较高、高、结深比深比较浅浅时，可用突，可用突变结公式公式计算。而算。而NS较低且低且结深深较深深时，采用，采用线性

99、性缓变结公式公式计算；算； 普通地，由于分散普通地，由于分散结的的杂质分布分布为高斯函数或余高斯函数或余误差函数，雪崩差函数，雪崩击穿穿电压的的计算比算比较复复杂，需求用，需求用计算机算机进展展计算，或利用数据表算，或利用数据表计算。算。 3. 3.影响雪崩影响雪崩击击穿穿电压电压的要素的要素1 1资料参数的影响料参数的影响 由由pn结雪崩雪崩击穿穿电压阅历公式公式 上式上式阐明，影响明，影响pn结雪崩雪崩击穿穿电压的主要的主要资料参料参数是禁数是禁带宽度和低度和低掺杂区的区的杂质浓度或度或杂质浓度梯度梯度。度。 由上式可知，由上式可知，选用禁用禁带宽度大的半度大的半导体体资料，可料，可以提高

100、以提高pn结的雪崩的雪崩击穿穿电压，在三种典型半，在三种典型半导体体资料中，料中，GaAs、Si、Ge的禁的禁带宽度依次减小。度依次减小。 此外，要此外，要经过pn结的雪崩的雪崩击穿穿电压可可选用低用低掺杂的高的高电阻阻资料做料做衬底，或底，或经过深分散以降低深分散以降低杂质浓度梯度。度梯度。2 2构造参数的影响构造参数的影响 pn结的构造参数的构造参数对雪崩雪崩击穿穿电压有有较大的影响，大的影响，主要表达在以下几个方面：主要表达在以下几个方面：l l 外延外延外延外延层层的厚度的厚度的厚度的厚度 为了减小串了减小串联电阻，阻，pnpn结通常做在高通常做在高掺杂衬底上底上面的低面的低掺杂外延外

101、延层内。外延内。外延层的厚度限制，的厚度限制，对pnpn结的的击穿穿电压有直接的影响。有直接的影响。 单边突突变结的的电场分布如下分布如下图，当最大，当最大电场到达到达Ec时，pn结将将发生雪崩生雪崩击穿。穿。 假假设pnpn结外延外延层足足够厚，厚，以致以致发生雪崩生雪崩击穿穿时势垒区区仍在外延仍在外延层内，那么雪崩内，那么雪崩击穿穿电压即即为图中三角形面中三角形面积。 假假设pnpn结外延外延层比比较薄，薄，以致以致发生雪崩生雪崩击穿穿时势垒区已穿通外延区已穿通外延层，此，此时势垒区区宽度遭到限制，那么雪崩度遭到限制，那么雪崩击穿穿电压即即为图中梯中梯形面形面积。 经过对面面积的的计算，得

102、算，得这阐明，在外延明，在外延层厚度小于雪崩厚度小于雪崩击穿穿时的的势垒厚度厚度时，雪崩，雪崩击穿穿电压下降。并且，外延下降。并且，外延层厚度越小，厚度越小，雪崩雪崩击穿穿电压也越小。也越小。 为了防止外延了防止外延层出出现穿通以致于使雪崩穿通以致于使雪崩击穿穿电压下降，外延下降，外延层厚度必需大于雪崩厚度必需大于雪崩击穿穿时势垒区区宽度度和和结深之和。即深之和。即l l 分散分散分散分散结结的的的的结结深深深深 采用平面工采用平面工艺制造的制造的pnpn结，在，在杂质经过二氧化硅二氧化硅窗口向体内分散同窗口向体内分散同时，也沿外表方向横向分散，其，也沿外表方向横向分散，其分散深度与分散深度与

103、纵向近似一向近似一样。 因此，分散因此，分散结的底部是一个平面，而其的底部是一个平面，而其侧面那么面那么近似近似为1/41/4圆柱形曲面，柱形曲面，这部分称部分称为柱面柱面结；假；假设二二氧化硅窗口中有氧化硅窗口中有锋利的角，那么尖角附近的外形近利的角，那么尖角附近的外形近似似为1/81/8球面，称球面，称为球面球面结。球面结球面结平面结平面结柱面结柱面结 在在杂质浓度、度、结深和反深和反向偏向偏压一一样条件下，平面条件下，平面结，柱面，柱面结和球面和球面结空空间电荷区的荷区的电场分布如下分布如下图。球面结球面结平面结平面结柱面结柱面结 由于反向偏由于反向偏压一一样，平面，平面结，柱面，柱面结

104、和球面和球面结电场分布曲分布曲线下面的面下面的面积相等，但是空相等，但是空间电荷区的厚荷区的厚度不同，球面度不同，球面结最小而平面最小而平面结最大，因此球面最大，因此球面结的的最大最大电场大于柱面大于柱面结、大于平面、大于平面结。又由于碰撞。又由于碰撞电离率随离率随电场强度的添加而快速增大，因此球面度的添加而快速增大，因此球面结的的击穿穿电压小于柱面小于柱面结、柱面、柱面结击穿穿电压小于平面小于平面结击穿穿电压。 对于浅分散于浅分散结，相，相应的的柱面柱面结和球面和球面结曲率半径曲率半径较小，引起的小，引起的电场集中效集中效应比比较明明显，因此，因此，击穿穿电压下降的特下降的特别显著。著。 为

105、了减小了减小结深深对pnpn结击穿穿电压的影响，可采用以的影响，可采用以下措施：下措施：* * * * 深深深深结结分散分散分散分散 经过添加分散添加分散结深度，使柱面和球面的曲率半径深度，使柱面和球面的曲率半径最大，最大，导致致电场集中效集中效应减弱，从而提高雪崩减弱，从而提高雪崩击穿穿电压。* * * * 磨角法磨角法磨角法磨角法 将将电场集中的柱面集中的柱面结和球面和球面结磨去，构成台面磨去，构成台面pnpn结。* * * * 采用分采用分采用分采用分压环压环 在在pnpn结( (主主结) )周周围添加添加环状状pnpn结( (环结) )，二者同，二者同时分散且分散且间距距较小。当反向偏

106、小。当反向偏压低于低于击穿穿电压时，主，主结与与环结空空间电荷区相荷区相连，假，假设进一步添加反向偏一步添加反向偏压，所添加的，所添加的电压将由将由环结承当，故称承当，故称为分分压环。3 3外表形状的影响外表形状的影响 在二氧化硅在二氧化硅层中，普通都含有一定数量的正中，普通都含有一定数量的正电荷如荷如NaNa离子等，它离子等，它们产生的外表生的外表电场作用于半作用于半导体外表，从而改体外表，从而改动pnpn结在外表附近的在外表附近的电场分布，分布，影响影响pnpn结的的击穿穿电压。 对于于p+np+n结，氧化，氧化层中的正中的正电荷将会在荷将会在n n型半型半导体外表感体外表感应出出负电荷，

107、从而使外表荷，从而使外表处n n区区势垒宽度度变薄，薄，导致致击穿穿电压下降。下降。 对于于pn+pn+结，氧化，氧化层中中的正的正电荷将会在荷将会在p p型半型半导体体外表感外表感应出出n n型型层。分散的。分散的n+n+与外表反型与外表反型层相相连，呵，呵斥沟道漏斥沟道漏电。+ + + +- - - - -4 4温度的影响温度的影响 pn pn结雪崩雪崩击穿穿电压的的阅历公式只适宜于室温。公式只适宜于室温。普通地，雪崩普通地，雪崩击穿穿电压与温度有关。随着温度添加，与温度有关。随着温度添加，半半导体的晶格振体的晶格振动加加强，载流子与晶格碰撞流子与晶格碰撞损失的失的能量也添加，从能量也添加

108、，从电场积累能量的速率就会累能量的速率就会变慢，因慢，因此，要到达此，要到达发生能碰撞生能碰撞电离的离的动能就需求更能就需求更强的的电场。 所以，雪崩所以，雪崩击穿穿电压随着温度的升高而增大，通随着温度的升高而增大，通常用温度系数表示常用温度系数表示 根据量子根据量子实际实际，能量低于，能量低于势垒势垒高度的高度的电电子可以一子可以一定概率穿定概率穿过势垒过势垒，这这种景象称种景象称为为隧道效隧道效应应。隧道。隧道击击穿是在穿是在强强电场电场作用下，由隧道效作用下，由隧道效应应，使大量，使大量电电子从子从价价带带穿穿过过禁禁带带而而进进入入导带导带所引起的一种所引起的一种击击穿景象。穿景象。

109、大反向偏大反向偏压下，下，pnpn结的的能能带构造如下构造如下图。 二、二、pnpn结结的隧道的隧道击击穿穿e(VD-V)XD dEgEg 由于隧道由于隧道击击穿最初是由穿最初是由齐纳齐纳在解在解释电释电介介质击质击穿穿时时提出的，故又称提出的，故又称为齐纳击为齐纳击穿。穿。 1. 1.隧道隧道击击穿穿 随着反向偏随着反向偏压压增大，增大，势垒势垒区能区能带带的的倾倾斜越大，斜越大，导导带带与价与价带带的程度的程度间间隔隔变变窄。窄。 普通地，普通地，p p区的价区的价带电子必需具有子必需具有EgEg能量能量才干从才干从A A点被激点被激发到到C C点，然后漂移到点，然后漂移到B B点如点如下

110、下图。 但是，根据量子但是，根据量子实际，当，当xx足足够小小时，e(VD-V)XD dEgEgABCA点的点的电电子子经过经过隧道效隧道效应应直接到达直接到达B点，其概率点，其概率为为式中式中 发生隧道生隧道击穿穿时的反向偏的反向偏压，称，称为隧道隧道击穿穿电压齐纳击穿穿电压。 上式上式阐明：明：对一定的半一定的半导体体资料，料，势垒区的区的电场E E越大，或隧道越大，或隧道长度度xx越，那么越，那么电子穿子穿过隧道的概率隧道的概率越大。当越大。当电场大到一定程度，或隧道大到一定程度，或隧道长度短到一定度短到一定程度程度时，将使，将使p p区价区价带中大量中大量电子穿子穿过势垒而到达而到达n

111、 n区区导带中，使反向中，使反向电流急流急剧增大，于是增大，于是pnpn结发生隧生隧道道击穿。穿。可知，当可知，当势垒区区较宽时，或，或杂质浓度、度、杂质浓度梯度梯度度较小小时，容易，容易发生雪崩生雪崩击穿。反之，重穿。反之，重掺杂那么那么容易容易发生生齐纳击穿。穿。 2. 2.隧道隧道击击穿与雪崩穿与雪崩击击穿穿1 1势垒区区宽度度 由雪崩由雪崩击穿和隧道穿和隧道击穿条件穿条件 实验阐明：明：对于重于重掺杂的的锗、硅、硅pnpn结，有，有2 2禁禁带宽度与度与击穿穿电压 根据隧道概率和根据隧道概率和齐纳击穿条件可知，穿条件可知，齐纳击穿的穿的反向反向电流随反向流随反向电压增大而添加。增大而添

112、加。 pn pn结的两种的两种电击穿特穿特许曲曲线如下如下图。IV3 3禁禁带宽度与度与击穿穿电压 齐纳击穿穿电压主要取决于隧道主要取决于隧道长度，度，对于多数半于多数半导体体资料，禁料，禁带宽度随温度提高而减小。因此度随温度提高而减小。因此齐纳击穿穿电压随温度的升高而下降，呈随温度的升高而下降，呈现负温度系数。温度系数。 雪崩雪崩击穿穿电压主要与碰撞主要与碰撞电离有关，随着温度的离有关，随着温度的升高，升高，击穿穿电压也增大，即呈也增大，即呈现正温度系数。正温度系数。4 4击穿穿电压与温度的关系与温度的关系 当当pnpn结上施加反向上施加反向电压时，流，流过pnpn结的反向的反向电流流要引起

113、要引起热损耗，从而使耗，从而使结温升高。温升高。 随着随着结温的上升，反向温的上升，反向饱和和电流密度按指数流密度按指数规律律迅速增大，迅速增大，产生的生的热能也迅速增大，能也迅速增大，进而又而又导致致结温温进一步上升，使反向一步上升，使反向饱和和电流密度也流密度也进一步地增一步地增大。大。 三、三、pnpn结结的的热击热击穿穿 如此反复循如此反复循环，最后将使反向，最后将使反向饱和和电流密度无限流密度无限增大而增大而发生生击穿。穿。 这种由种由热不不稳定性引起的定性引起的击穿，称穿，称为热击穿。穿。 热击穿往往穿往往导致致pnpn结永久性永久性损坏。坏。 1. 1.热击热击穿穿 设pnpn结

114、上施加的反向上施加的反向电压为V V，流，流过pnpn结的反向的反向电流流为I0I0，那么引起，那么引起热损耗功率耗功率为 2. 2.热击热击穿特性穿特性该耗散功率使耗散功率使pn结温度温度Tj升高，当超越升高，当超越环境温度境温度Ta时，结区的区的热量将向外量将向外传送，其功率送，其功率为其中其中RT 称称为热阻，阻，热阻越小，散阻越小，散热身手越大。身手越大。热阻取决于物体的阻取决于物体的热导率和几何外形。率和几何外形。对于一定外形的均匀物于一定外形的均匀物质，热阻可以表示阻可以表示为其中其中物物质的的热导率，它率，它仅与物与物质的本征性的本征性质有关有关而与外形无关。而与外形无关。显然，

115、然，热耗散曲耗散曲线是伏安特性中的一族双曲是伏安特性中的一族双曲线。 当当结温不温不变时，有，有 此外，根据反向此外，根据反向电压和反向和反向电流关系流关系而反向而反向饱和和电流流于是可得不同于是可得不同结温下的反向温下的反向电压- -电流关系流关系VEOI0 热击穿的反向伏安特性曲穿的反向伏安特性曲线如下如下图。IVO第第6 6节 典型二极管引典型二极管引见 一、肖特基势垒二极管 1. 1.点接触型点接触型 肖特基肖特基势垒二极管有两种根本构造：二极管有两种根本构造： 点接触型点接触型势垒二极管的二极管的根本构造是，用一根金属根本构造是，用一根金属丝压在半在半导体外延体外延层上，上，并在外表

116、构成的金属半并在外表构成的金属半导体接触。体接触。 点接触型点接触型势垒二极管构二极管构造如下造如下图。 2. 2.面面结结合型合型 面面结合型肖特基合型肖特基势垒二极管构造如下二极管构造如下图。* * * * 在在在在n+n+n+n+型半型半型半型半导导体外表生成体外表生成体外表生成体外表生成n n n n型外延型外延型外延型外延层层。* * * * 在外延在外延在外延在外延层层外表生成二氧化外表生成二氧化外表生成二氧化外表生成二氧化硅硅硅硅维护层维护层。* * * * 利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐蚀蚀，在，在，在，在维护维护层层上上上上显显露露露露进进展金属半展金属半展

117、金属半展金属半导导体体体体接触的外表。接触的外表。接触的外表。接触的外表。 * * * * 将将将将钼钼或或或或钛钛淀淀淀淀积积在外表，构成金属半在外表，构成金属半在外表，构成金属半在外表，构成金属半导导体接触。体接触。体接触。体接触。 * * * * 在在在在衬衬底和底和底和底和势垒势垒金属外表各金属外表各金属外表各金属外表各镀镀一一一一层层金属，并构成欧金属，并构成欧金属，并构成欧金属，并构成欧姆接触作姆接触作姆接触作姆接触作为电为电极。极。极。极。 由于平面工由于平面工艺的开展，目前的肖特基的开展，目前的肖特基势垒二极管二极管大多数采用面大多数采用面结合型构造。合型构造。 普通的面普通的

118、面结合型肖特基合型肖特基势垒二极管的反向二极管的反向电流流较大，大，击穿穿电压较低，低，这主要是由金属半主要是由金属半导体突体突变接接触的触的边缘效效应引起的。引起的。 假假设设在构造上加在构造上加p p型型维护环维护环，并使，并使pnpn结结的的击击穿穿电压电压高于金属半高于金属半导导体体结结的的击击穿穿电压电压，那么可以，那么可以显显著地改著地改善二极管的伏安特性。善二极管的伏安特性。P型维护环型维护环有有有有维护环维护环 无无无无维护环维护环 二、变容管的构造 1. 1.平面型平面型 变容二极管又称容二极管又称为变容管，有两种根本构造：容管，有两种根本构造：* * * * 在在在在n+n

119、+n+n+型半型半型半型半导导体外表生成体外表生成体外表生成体外表生成n n n n型外延型外延型外延型外延层层。* * * * 在外延在外延在外延在外延层层外表生成二氧化外表生成二氧化外表生成二氧化外表生成二氧化硅硅硅硅维护层维护层。* * * * 利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐蚀蚀，在，在，在，在维护层维护层上上上上显显露露露露n n n n型外表。型外表。型外表。型外表。 * * * * 利用分散工利用分散工利用分散工利用分散工艺艺，在，在，在，在n n n n型半型半型半型半导导体外表构成体外表构成体外表构成体外表构成p+p+p+p+型区。型区。型区。型区。 * *

120、* * 在在在在衬衬底和底和底和底和p+p+p+p+外表各外表各外表各外表各镀镀一一一一层层金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触作作作作为电为电极。极。极。极。 2. 2.台面型台面型 台面型台面型变容二极管工容二极管工艺与平面型与平面型类似，似，详细如下如下图。* * * * 在在在在n+n+n+n+型半型半型半型半导导体体体体衬衬底外表生底外表生底外表生底外表生成氧化成氧化成氧化成氧化层层。* * * * 在在在在显显露的露的露的露的n+n+n+n+外表构成外表构成外表构成外表构成n n n n型型型型外延外延外延外延层层。* * * * 利用腐

121、利用腐利用腐利用腐蚀蚀工工工工艺艺，在，在，在，在维护层维护层上上上上显显露露露露n+n+n+n+型外表。型外表。型外表。型外表。 * * * * 利用分散工利用分散工利用分散工利用分散工艺艺，在，在，在，在n n n n型半型半型半型半导导体外表构成体外表构成体外表构成体外表构成p+p+p+p+型区。型区。型区。型区。 * * * * 在在在在衬衬底和底和底和底和p+p+p+p+外表各外表各外表各外表各镀镀一一一一层层金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触作作作作为电为电极。极。极。极。 由于平面型由于平面型pnpn结在光刻在光刻图形形边缘处发生弯曲

122、，生弯曲，将使雪崩将使雪崩击穿穿电压下降。下降。 假假设将平面型构造改将平面型构造改为台面型构造，那么可以使台面型构造，那么可以使雪崩雪崩电压在在80100V80100V之之间的的产品明品明显添加。添加。 台面型台面型变容二极管工容二极管工艺与平面型与平面型类似，两种构造似，两种构造各有各有优点：点： 另外，由于平面型的另外，由于平面型的pnpn结被被SiO2SiO2膜膜维护，因此，因此性能很性能很稳定，而且定，而且总废品率比台面型构造的高。品率比台面型构造的高。 台面型和平面型是台面型和平面型是变容二极管的两种根本构造，容二极管的两种根本构造，根据运用的不同，它根据运用的不同，它们还有相有相

123、应的构造的构造变型。型。 三、三、pinpin二极管的构造二极管的构造 1. 1. 平面型平面型1 1构造与工构造与工艺 pin pin二极管有以下三种构造：平面型、台面型和外二极管有以下三种构造：平面型、台面型和外表表趋向型。向型。* * * * 在在在在n+n+n+n+型半型半型半型半导导体外表生成一体外表生成一体外表生成一体外表生成一个本征外延个本征外延个本征外延个本征外延层层i i i i 层层。* * * * 在外延在外延在外延在外延层层外表生成二氧化硅外表生成二氧化硅外表生成二氧化硅外表生成二氧化硅维护层维护层。* * * * 利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐蚀蚀，

124、在，在，在，在维护层维护层上上上上显显露本征露本征露本征露本征层层外表。外表。外表。外表。 * * * * 利用分散工利用分散工利用分散工利用分散工艺艺，在本征半，在本征半，在本征半，在本征半导导体外表构成体外表构成体外表构成体外表构成p+p+p+p+型区。型区。型区。型区。 * * * * 在在在在衬衬底和底和底和底和p+p+p+p+外表各外表各外表各外表各镀镀一一一一层层金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触作作作作为电为电极。极。极。极。 或者采用双分散工或者采用双分散工艺：* * * * 选选取一个本征半取一个本征半取一个本征半取一个本征半导导

125、体基片体基片体基片体基片i i i i层层。* * * * 在本征在本征在本征在本征层层另一另一另一另一侧侧外表生成二氧化硅外表生成二氧化硅外表生成二氧化硅外表生成二氧化硅维护层维护层。* * * * 利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐蚀蚀，在，在，在，在维护层维护层上上上上显显露本征露本征露本征露本征层层外表。外表。外表。外表。 * * * * 利用分散工利用分散工利用分散工利用分散工艺艺，在本征半，在本征半，在本征半，在本征半导导体外表构成体外表构成体外表构成体外表构成p+p+p+p+型区。型区。型区。型区。 * * * * 在在在在衬衬底和底和底和底和p+p+p+p+外表各

126、外表各外表各外表各镀镀一一一一层层金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触作作作作为电为电极。极。极。极。 * * * * 在本征半在本征半在本征半在本征半导导体一体一体一体一侧侧分散高分散高分散高分散高浓浓度磷，构成度磷，构成度磷，构成度磷，构成n+ n+ n+ n+ 型半型半型半型半导导体体体体层层。2 2构造参数构造参数n+n+型区型区型区型区本征区本征区本征区本征区p+p+型区型区型区型区厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度130130162016201.51.5 pin pin二极管通

127、常采用半二极管通常采用半导导体体资资料料SiSi制造，制造，对对于平面于平面构造，各构造，各层浓层浓度和厚度如表所示。度和厚度如表所示。 电电极采用极采用AlAl金属欧姆接触，金属欧姆接触，对对于小功率管，普通于小功率管，普通击击穿穿电压为电压为20100V20100V，开关，开关时间时间在在100ns100ns左右。假左右。假设设在分散在分散p+p+时时同同时时分散分散AuAu，那么开关，那么开关时间时间可到达可到达2550 2550 nsns。1 1构造与工构造与工艺 台面型台面型pinpin二极管工二极管工艺与平面型与平面型类似，似，详细如下如下图。* * * * 在在在在n+n+n+n

128、+型半型半型半型半导导体体体体衬衬底外表生底外表生底外表生底外表生成氧化成氧化成氧化成氧化层层。* * * * 在在在在显显露的露的露的露的n+n+n+n+外表形本外表形本外表形本外表形本钱钱征外延征外延征外延征外延层层。* * * * 利用腐利用腐利用腐利用腐蚀蚀工工工工艺艺，在，在，在，在维护层维护层上上上上显显露露露露n+n+n+n+型外表。型外表。型外表。型外表。 * * * * 利用分散工利用分散工利用分散工利用分散工艺艺，在本征半，在本征半，在本征半，在本征半导导体外表构成体外表构成体外表构成体外表构成p+p+p+p+型区。型区。型区。型区。 * * * * 在在在在衬衬底和底和底

129、和底和p+p+p+p+外表各外表各外表各外表各镀镀一一一一层层金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触作作作作为电为电极。极。极。极。 2. 2. 台面型台面型2 2构造参数构造参数n+n+型区型区型区型区本征区本征区本征区本征区p+p+型区型区型区型区厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度70705 51.51.5 对对于台面构造的小功率开关于台面构造的小功率开关pinpin二极管，各二极管，各层浓层浓度度和厚度如表所示。和厚度如表所示。 电电极通常采用极通常采用Cr-AuCr-Au合金。合金。

130、1 1构造与工构造与工艺 外表外表趋向型向型pinpin二极管采用平面分散工二极管采用平面分散工艺，详细如如下下图。* * * * 在本征半在本征半在本征半在本征半导导体硅基片外表体硅基片外表体硅基片外表体硅基片外表，氧化构成，氧化构成，氧化构成，氧化构成维护层维护层。* * * * 利用分散工利用分散工利用分散工利用分散工艺艺，在本征半，在本征半，在本征半，在本征半导导体的一个坑分散高体的一个坑分散高体的一个坑分散高体的一个坑分散高浓浓度硼，构成度硼，构成度硼，构成度硼，构成p+p+p+p+型区。型区。型区。型区。 * * * * 利用腐利用腐利用腐利用腐蚀蚀工工工工艺艺，在本征半，在本征半

131、，在本征半，在本征半导导体硅基片腐体硅基片腐体硅基片腐体硅基片腐蚀蚀出两个出两个出两个出两个长长方形坑。方形坑。方形坑。方形坑。* * * * 在另一个坑内分散高在另一个坑内分散高在另一个坑内分散高在另一个坑内分散高浓浓度磷，构成度磷，构成度磷，构成度磷，构成n+n+n+n+型区。型区。型区。型区。 3. 3. 外表外表趋趋向型向型* * * * 电电极采用梁式引极采用梁式引极采用梁式引极采用梁式引线线。* * * * 在两个坑内在两个坑内在两个坑内在两个坑内镀镀一一一一层层金属金属金属金属层层，并构成欧姆接触作，并构成欧姆接触作，并构成欧姆接触作，并构成欧姆接触作为电为电极。极。极。极。2

132、2构造参数构造参数 这这种构造中，腐种构造中，腐蚀蚀出来的两个坑的尺寸分出来的两个坑的尺寸分别为别为：* * * * 长长度度度度250m250m250m250m* * * * 宽宽度度度度 50m 50m 50m 50m* * * * 深度深度深度深度 10m 10m 10m 10m 这这种构造的种构造的优优点：点：电电容可以很小、容可以很小、击击穿穿电压电压可以可以很高，适用于微波集成很高，适用于微波集成电电路。路。 设计一个一个pinpin二极管，需求确定各二极管，需求确定各层的厚度、的厚度、结面面积、各、各层的的电阻率或阻率或掺杂浓度，以及度，以及i i 层的少子寿的少子寿命。命。 假

133、假设作作为开关来用，那么反向偏开关来用，那么反向偏压下的串下的串联电阻和阻和势垒电容，正向偏容，正向偏压下的串下的串联电阻、开关速度阻、开关速度及其功率容量等参数均要思索。及其功率容量等参数均要思索。 普通的，普通的，i i 层电阻率越高越好，阻率越高越好，p p区和区和n n区的区的电阻阻率越低越好，并且希望尽能率越低越好，并且希望尽能够薄。薄。 另一方面，二极管面另一方面，二极管面积和和i i 层厚度确厚度确实定，需求定，需求兼管串兼管串联电阻和阻和势垒电容两者都要低的要求。容两者都要低的要求。 对于少子寿命，需求在正向于少子寿命，需求在正向电阻小和开关速度阻小和开关速度快之快之间综合思索

134、。合思索。 四、阶跃管的构造 1. pn 1. pn阶跃阶跃二极管二极管 阶跃恢复二极管普通都采用台面型构造，恢复二极管普通都采用台面型构造，详细那那么有么有pnpn型和型和pinpin型两种管芯。型两种管芯。1 1构造与工构造与工艺* * * * 在在在在1180C1180C1180C1180C下，外延生下，外延生下，外延生下，外延生长长30min30min30min30min，从而在，从而在，从而在，从而在n+n+n+n+型半型半型半型半导导体体体体外表生成一外表生成一外表生成一外表生成一层层n n n n型型型型层层。* * * * 在在在在1200C1200C1200C1200C下，下

135、，下，下，经过经过深分散深分散深分散深分散30min30min30min30min，构成重，构成重，构成重，构成重掺杂掺杂p+p+p+p+区。区。区。区。* * * * 在在在在1150C1150C1150C1150C下，氧化下，氧化下，氧化下，氧化30min30min30min30min，在，在，在，在p+p+p+p+型半型半型半型半导导体外表生成体外表生成体外表生成体外表生成二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅维护层维护层。* * * * 利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐蚀蚀工工工工艺艺，在，在，在，在维护层维护层上上上上显显露露露露环环形外表。形外表。形外表。形外表。 * *

136、 * * 利用腐利用腐利用腐利用腐蚀蚀工工工工艺艺，在，在，在，在pnpnpnpn结结上上上上构成构成构成构成环环形深槽，构成台面形深槽，构成台面形深槽，构成台面形深槽，构成台面型构造。型构造。型构造。型构造。 * * * * 在在在在1150C1150C1150C1150C下，氧化下，氧化下，氧化下，氧化30min30min30min30min，使，使，使，使环环形深槽外表生成致形深槽外表生成致形深槽外表生成致形深槽外表生成致密二氧化硅密二氧化硅密二氧化硅密二氧化硅维护层维护层，将，将，将，将pnpnpnpn结维护结维护起来，以防止起来，以防止起来，以防止起来，以防止pnpnpnpn结结的弯

137、曲。的弯曲。的弯曲。的弯曲。* * * * 利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐利用光刻、腐蚀蚀工工工工艺艺，在，在，在，在维护层维护层上上上上显显露露露露p+p+p+p+型区外表。型区外表。型区外表。型区外表。 * * * * 利用利用利用利用镀镀膜工膜工膜工膜工艺艺，在，在，在，在pnpnpnpn结结两两两两侧镀侧镀AlAlAlAl，构成欧姆接触，构成欧姆接触，构成欧姆接触，构成欧姆接触电电极。极。极。极。 2 2构造参数构造参数 这这种构造可以防止种构造可以防止pnpn结结的弯曲，同的弯曲，同时时又提高了二又提高了二极管的消极管的消费废费废品率和参数品率和参数稳稳定性。下面是定性。下面是

138、这这种构造种构造的典型参数：的典型参数：* * * * 衬衬底厚度底厚度底厚度底厚度180m180m180m180m* * * * 外延外延外延外延层层厚度厚度厚度厚度8m8m8m8m* * * * 结结深深深深4.44.8m4.44.8m4.44.8m4.44.8m* * * * 结结直径直径直径直径220m220m220m220m* * * * 环环形槽深形槽深形槽深形槽深18m18m18m18m* * * * 维护层维护层厚度厚度厚度厚度0.3m0.3m0.3m0.3m* * * * 金属膜厚度金属膜厚度金属膜厚度金属膜厚度2m2m2m2m 薄本征薄本征层的台面型的台面型pinpin构造

139、是一种很好的构造是一种很好的阶跃二极二极管，工管，工艺如下如下图。 2. pin 2. pin阶跃阶跃二极管二极管1 1构造与工构造与工艺* * * * 在在在在n+n+n+n+型半型半型半型半导导体体体体衬衬底外表生底外表生底外表生底外表生成氧化成氧化成氧化成氧化层层。* * * * 在在在在显显露的露的露的露的n+n+n+n+外表形本外表形本外表形本外表形本钱钱征外延征外延征外延征外延层层。* * * * 利用腐利用腐利用腐利用腐蚀蚀工工工工艺艺，在，在，在，在维护层维护层上上上上显显露露露露n+n+n+n+型外表。型外表。型外表。型外表。 * * * * 利用分散工利用分散工利用分散工利

140、用分散工艺艺，在本征半，在本征半，在本征半，在本征半导导体外表构成体外表构成体外表构成体外表构成p+p+p+p+型深型深型深型深结结区。区。区。区。 * * * * 在在在在衬衬底和底和底和底和p+p+p+p+外表各外表各外表各外表各镀镀一一一一层层金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触金属，并构成欧姆接触作作作作为电为电极。极。极。极。 2 2构造参数构造参数n+n+型区型区型区型区本征区本征区本征区本征区p+p+型区型区型区型区厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度厚度厚度厚度厚度浓度浓度浓度浓度1001000.540.544 4 作作为结跃

141、为结跃二极管的二极管的pinpin台面构造，各台面构造，各层浓层浓度和厚度度和厚度如表所示。如表所示。 pin pin阶跃阶跃二极管的二极管的杂质浓杂质浓度分布如下度分布如下图图。p+n+n 显显然，然，pinpin阶跃阶跃二极管是二极管是一种一种缓变结缓变结。 五、雪崩二极管的构造五、雪崩二极管的构造 1. 1.根本构造根本构造 雪崩渡越雪崩渡越时间二极管模型最初是由二极管模型最初是由贝尔实验室的室的里德里德(W.T.Read)(W.T.Read)在在19581958年提出的，是一个年提出的，是一个n+pip+n+pip+多多层构造，又称构造，又称为里德二极管。里德二极管。 目前，广泛采用的

142、雪崩二极管构造目前，广泛采用的雪崩二极管构造还有有p+nn+p+nn+、n+pp+n+pp+、p+nin+p+nin+和和p+pnn+p+pnn+等等类型。型。 为了了阐明雪崩二极管的根本作用原理，下面以里明雪崩二极管的根本作用原理，下面以里德二极管德二极管为例，引例，引见雪崩管的根本构造。雪崩管的根本构造。 1 1里德二极管模型里德二极管模型 里德二极管的根本构造如下里德二极管的根本构造如下图。n+pi或或p+n+ni或或vp+其中，其中，p+nin+型构造的型构造的里德二极管的里德二极管的杂质分布分布如下如下图。 在构造上，低在构造上，低掺杂的的n型区很薄，而本征区型区很薄，而本征区i 层

143、比比较厚。厚。 对于如下于如下图的里德二极管模型，当外加足的里德二极管模型，当外加足够大的大的反向偏反向偏压时耗尽区范耗尽区范围如如图中表示。中表示。 在反向偏在反向偏压下，里德下，里德二极管的二极管的电场分布如下分布如下图。 显然，然，电场在在p+n结处最最强。当外加偏。当外加偏压近近似似为击穿穿电压时，在，在该结附近附近发生碰撞生碰撞电离，离，构成雪崩区。构成雪崩区。 耗尽区分耗尽区分为两部分，两部分，雪崩区以外的部分称雪崩区以外的部分称为漂移区。漂移区。n+nip+耗尽区耗尽区雪崩区雪崩区漂移区漂移区2 2双漂移二极管模型双漂移二极管模型 雪崩二极管的另一种构造是双漂移区模型，其构雪崩二

144、极管的另一种构造是双漂移区模型，其构造如下造如下图。 n+np+p 其中，其中，p+pnn+型构造的双漂移型构造的双漂移区二极管的区二极管的杂质分布如下分布如下图。 在构造上，高在构造上，高掺杂的的p+和和n+型型区厚度区厚度较薄，而薄，而而低而低掺杂的的p和和n型区那么比型区那么比较厚。厚。 双漂移区模型雪崩二极管的双漂移区模型雪崩二极管的电场分布如下分布如下图。 n+np+p雪崩区雪崩区EB 在双漂移区二在双漂移区二极管，雪崩将极管，雪崩将发生在生在pn结处。 雪崩雪崩产生的生的电子和空穴子和空穴经过n区区和和p区漂移到区漂移到电源源的正极和的正极和负极，极，因此有两个漂移因此有两个漂移区

145、，外加区，外加电压可可以加倍，从而提以加倍，从而提高高输出功率和效出功率和效率。率。n+np+p雪崩区雪崩区EB 另外，另外，对于双于双漂移区构造，管漂移区构造，管单位面位面积的等效的等效电容减小，从而容减小，从而使同等阻抗条件使同等阻抗条件下的下的结面面积比比单漂移管大一倍。漂移管大一倍。因此，二极管允因此，二极管允许流流过的的电流添流添加，也提高了加，也提高了输出效率。出效率。 进一步的一步的实验证明，双漂移区构造二极管的噪声明，双漂移区构造二极管的噪声随功率添加随功率添加较缓慢，而且任慢，而且任务频带较宽。n+np+p雪崩区雪崩区EB 但是，但是，对于双于双漂移区构造，漂移区构造，产生生

146、热量量较多的雪多的雪崩区崩区处于两个漂于两个漂移区之移区之间，而且，而且频率率较低低时整个整个有源区有源区较长，二，二极管散极管散热性能性能较差。因此，双漂差。因此，双漂移构造模型比移构造模型比较适宜在适宜在较高高频率率下下获得大功率得大功率输出。出。 2. 2.构造参数与性能构造参数与性能 雪崩渡越雪崩渡越时间二极管的典型构造二极管的典型构造为p+nn+p+nn+单边突突变结，主要以下两个管芯构造：，主要以下两个管芯构造： 倒装台面构造的雪崩二极管如下倒装台面构造的雪崩二极管如下图。 l l 倒装台面构造倒装台面构造热沉热沉Ti-AuTi-Aun+np+ 先从先从p+p+一一边腐腐蚀出台出台

147、面，划片之后，将各个面，划片之后，将各个雪崩二极管雪崩二极管热压倒装倒装焊在在热沉上。沉上。 这种构造，在理想条种构造，在理想条件下，散件下，散热情况良好。情况良好。 1 1管芯构造管芯构造 采用采用电镀热沉法制造的台面构造的雪崩二极管如沉法制造的台面构造的雪崩二极管如下下图。 l l 电镀热沉台面构造沉台面构造热沉热沉热沉热沉Cr-Aun+np+ 先从先从p+p+一一边真空蒸真空蒸发CrCr和和AuAu，然后，然后电镀CuCu或或AuAu。 硅片硅片经过机械和化学机械和化学减薄厚至几十微米后，减薄厚至几十微米后，在在n+n+一一边也蒸也蒸发镀上金上金属。属。 上述台面构造雪崩二极管是在上述台

148、面构造雪崩二极管是在电镀熱沉基底上构熱沉基底上构成的，将各个管芯分开，然后成的，将各个管芯分开，然后焊接到微波管壳或微接到微波管壳或微波波电路上。路上。 2 2构造参数构造参数 现以以8mm8mm波段台面型雪崩二极管波段台面型雪崩二极管为例，例，阐明构造参明构造参数及其性能。数及其性能。 n+ n+型型衬衬底底为掺为掺SbSb的硅的硅单单晶，晶，掺杂浓掺杂浓度度为为减薄后，在减薄后，在衬底外表蒸底外表蒸发Ti-AuTi-Au。 为了减小串了减小串联电阻，阻，衬底需求厚度减薄到底需求厚度减薄到* n+* n+* n+* n+型型型型衬衬底底底底 n n型外延型外延层掺杂浓层掺杂浓度度为为厚度厚度为 p+ p+层由硼分散构成，其外表由硼分散构成，其外表掺杂浓度大于度大于结深深为* n* n* n* n型外延型外延型外延型外延层层* p+* p+* p+* p+型型型型层层* * * * 电电极极极极蒸蒸发Au，其厚度，其厚度为 然后蒸然后蒸发一薄一薄层Cu，再，再电镀Cu层，其厚度，其厚度为 用光刻和化学腐用光刻和化学腐蚀方法，制成台面构造，其方法，制成台面构造，其结直直径径为 在在p+p+层外表蒸外表蒸发TiTi，其厚度，其厚度为