半導(dǎo)體物理第六章復(fù)習(xí)_北郵

1、第六章一、基本概念1.突變結(jié): 雜質(zhì)分布如下圖所示，N型區(qū)中施主雜質(zhì)濃度為ND，而且均勻分布；P型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度為NA，也是均勻分布。在交界面處，雜質(zhì)濃度由NA(p型)突變?yōu)镹D(n型)，具有這種雜質(zhì)分布的PN結(jié)稱為突變結(jié)。(突變結(jié)是由合金法得到的)2.單邊突變結(jié): 實際的突變結(jié)，兩邊的雜質(zhì)濃度相差很多，通常稱這種結(jié)為單邊突變結(jié)。3.緩變結(jié): 用下圖表示用擴(kuò)散法制造PN結(jié)(也稱擴(kuò)散結(jié))的過程，它是在N型單晶硅片上，通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制的PN結(jié)。其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。在這種結(jié)中，雜質(zhì)濃度從P區(qū)到N區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)。線性緩變結(jié)：在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用X=X

2、j處的切線近似表示，則稱為線性緩變結(jié)。4.結(jié)深：5.擴(kuò)散結(jié)：用擴(kuò)散法制造的PN結(jié)稱為擴(kuò)散結(jié)。6.平衡PN結(jié):流過PN結(jié)的凈電流為零，空間電荷區(qū)電荷數(shù)恒定，空間電荷區(qū)不再擴(kuò)展，保持一定寬度時的熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)稱為平衡PN結(jié)。7.PN結(jié)空間電荷區(qū): 兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成PN結(jié)時，由于它們之間存在著載流子濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從P區(qū)到N區(qū)、電子從N區(qū)到P區(qū)的擴(kuò)散運動。對于P區(qū)，空穴離開后，留下了不可動的帶負(fù)電荷的電離受主，形成一個負(fù)電荷區(qū)。同理，在N區(qū)形成一個正電荷區(qū)。通常把PN結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶的電荷稱為空間電荷。它們所存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。（空間電荷區(qū)由于其能帶圖中的存在勢壘

3、的緣故被稱為勢壘區(qū)；空間電荷區(qū)由于內(nèi)部載流子濃度比起N區(qū)和P區(qū)多數(shù)載流子的濃度都少得多，好像已經(jīng)耗盡的緣被稱為耗盡層。）8.PN結(jié)接觸電勢差: 平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差VD稱為PN結(jié)的接觸電勢差，或內(nèi)建電勢差。9.PN結(jié)勢壘高度: 平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的的電子電勢能之差即能帶的彎曲量qVD稱為PN結(jié)的勢壘高度。10.PN結(jié)勢壘寬度: 勢壘區(qū)在X上的寬度，即空間電荷區(qū)的寬度。XD=XP+XN11.耗盡層近似: 忽略空間電荷區(qū)載流子濃度，空間電荷區(qū)電荷密度等于電離雜質(zhì)濃度，稱為耗盡層近似，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。12.PN結(jié)正偏（正向偏壓）: PN結(jié)加正向偏壓V(即P區(qū)接電源正

4、極，N區(qū)接負(fù)極時)，則PN結(jié)正偏。13.PN結(jié)反偏（反向偏壓）: PN結(jié)加反向偏壓V(即P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接負(fù)正時)，則PN結(jié)反偏。理想PN結(jié)模型: 小注入-注入非平衡少子濃度比平衡多子濃度低得多；耗盡層近似-空間電荷由電離施主、電離受主構(gòu)成；忽略N、P區(qū)體電阻和歐姆接觸電阻外加電壓全部降落在空間電荷區(qū)； 忽略空間電荷區(qū)復(fù)合；載流子服從玻耳茲曼計分布；結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?；溫度對電流密度的影響很大正向電流密度由PN結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)濃度比值決定擴(kuò)散長度越短、壽命越短，正向電流密度越大禁帶寬度越小，正向電流越大。14.勢壘電容: PN結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的”存入”和”取出

5、”作用，導(dǎo)致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和電容器的充放電作用相似。這種PN結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢壘電容，以CT表示。勢壘電容是多子變化引起的電容，是正向偏壓下PN結(jié)主要電容。15 .擴(kuò)散電容: 由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為PN結(jié)的擴(kuò)散電容，用符號CD表示。擴(kuò)散電容是少子變化引起的電容，是反向偏壓下PN結(jié)主要電容。16.PN結(jié)雪崩擊穿: 反向偏壓增大到一定值時，反向電流突然無窮大，稱為PN結(jié)擊穿。當(dāng)反向偏壓很大時，勢壘區(qū)中的電場很強(qiáng)，在勢壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴由于受到強(qiáng)電場的漂移作用，具有很大的動能，它們與勢壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時，能把價鍵上的電子碰撞出來，

6、成為導(dǎo)帶電子，同時產(chǎn)生一個空穴。由于倍增效應(yīng)，使勢壘區(qū)單位時間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子，迅速增大了反向電流，從而發(fā)生PN結(jié)擊穿。這就是PN結(jié)雪崩擊穿。雪崩擊穿的特點: 不僅與勢壘區(qū)電場強(qiáng)度有關(guān)，還與勢壘寬度有關(guān)。若勢壘很薄，即使電場強(qiáng)度高，載流子的加速距離很短，也不產(chǎn)生雪崩擊穿。溫度提高，晶格散射增加，載流子平均自由程縮短，擊穿電壓提高，具有正溫度系數(shù)。17.PN結(jié)隧道擊穿: 反偏壓使勢壘區(qū)能帶傾斜、導(dǎo)帶到價帶的水平距離變小。反偏壓很大時，P區(qū)價帶電子能量高于N區(qū)導(dǎo)帶底，價帶電子隧穿到導(dǎo)帶空量子態(tài)成為N區(qū)自由電子，稱為隧道效應(yīng)。由于隧道效應(yīng)，使大量電子從價帶穿過禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。P

7、N結(jié)隧道擊穿的特點:PN結(jié)兩側(cè)摻雜濃度很高，容易發(fā)生隧道擊穿；擊穿電壓隨溫度升高而降低（負(fù)溫度系數(shù)）；禁帶寬度隨溫度升高而減小，隧道長度隨溫度升高而縮短。18.熱擊穿: 反向漏電流在PN結(jié)產(chǎn)生的功耗如不能及時散發(fā)，則PN結(jié)溫度上升，反向電流增加，如此反復(fù)，功耗不斷增加導(dǎo)致熱電擊穿。19.隧道結(jié): 由重?fù)诫s的P區(qū)和N區(qū)形成的PN結(jié)通常稱為隧道結(jié)。20.隧道二極管峰值電流、峰值電壓、谷值電流、谷值電壓: 21.隧道二極管過量電流: 由于簡并半導(dǎo)體帶尾，電壓達(dá)到谷電壓時，N區(qū)導(dǎo)帶和P區(qū)價帶仍有量子態(tài)對應(yīng)，N區(qū)導(dǎo)帶帶尾上的電子隧穿到P區(qū)帶尾空量子態(tài)，形成過量電流。 二、圖像1.平衡PN結(jié)能帶圖 2.正

8、向偏壓下，PN結(jié)能帶圖 3.PN結(jié)電流-電壓關(guān)系曲線 4.突變PN結(jié)電場分布圖 5.隧道二極管電流-電壓曲線三、論述1.平衡PN結(jié)的形成原理當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合形成半導(dǎo)體時，由于他們之間存在著載流子濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴(kuò)散運動。P區(qū)的空穴離開留下帶負(fù)電的不可移動的電離受主，n區(qū)的電子離開留下了帶正電的不可移動的電離施主。于是在PN結(jié)附近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離受主構(gòu)成的負(fù)電荷區(qū)，n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了電離施主構(gòu)成的正電荷區(qū)，他們共同形成了空間電荷區(qū)，同時形成了從n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場。隨載流子不斷擴(kuò)散，電離施主、受主增多，空間電荷區(qū)擴(kuò)展，內(nèi)建電場強(qiáng)度增強(qiáng)，載流子在內(nèi)

9、建電場下的漂移加強(qiáng)。最終，載流子擴(kuò)散和漂移動態(tài)平衡，流過PN結(jié)凈電流密度為零，空間電荷區(qū)電荷量和寬度不再改變，電場強(qiáng)度穩(wěn)定，中性P、中性N區(qū)之間形成穩(wěn)定的內(nèi)建（接觸）電勢差，形成平衡PN結(jié)。2.平衡PN結(jié)的性質(zhì)和特點（1）擴(kuò)散流等于漂移流。（2）PN結(jié)的內(nèi)建電勢VD (N型區(qū)到P型區(qū)的電勢差)（接觸電勢差） ：接觸電勢差，由PN結(jié)兩邊的摻雜濃度決定，與半導(dǎo)體材料的特性相關(guān)。（3）PN結(jié)載流子濃度分布：在空間電荷區(qū)邊界（xp)處的載流子濃度分別等于p區(qū)平衡少子濃度和多子濃度；在空間電荷區(qū)邊界（xn)處的載流子濃度分別等于n區(qū)平衡少子濃度和多子濃度。1.載流子擴(kuò)散和漂移動態(tài)平衡；2.流過PN結(jié)凈電

10、流密度為零；3.中間電荷區(qū)電荷量和寬度不再改變；4.電場強(qiáng)度穩(wěn)定；5.中性P、中性N區(qū)之間形成穩(wěn)定的內(nèi)建（接觸）電勢差；6.平衡PN結(jié)費米能級等于常數(shù)；3.PN結(jié)勢壘電容式如何形成的？勢壘電容與雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)分布的關(guān)系？當(dāng)PN結(jié)加正向偏壓時，勢壘區(qū)的電場隨正向偏壓的增強(qiáng)而減弱，勢壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)目變少。因為空間電荷是由不能移動的雜質(zhì)離子組成的，所以空間電荷的減少是由于n區(qū)電子和p區(qū)空穴中和了勢壘區(qū)中的一部分電離施主和電離受主。即在外加正向偏壓的增加的時候，將有一部分電子和空穴“存入”勢壘區(qū)。反之，在外加正向偏壓減少時，勢壘區(qū)寬度增加，空間電荷增多，有一部分電子和空穴從勢壘區(qū)中“取出”。

11、PN結(jié)上外加電壓的變化引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導(dǎo)致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)目隨外加電壓而變化的電容效應(yīng)即為勢壘電容。4.PN結(jié)擴(kuò)散電容形成的原因正向偏壓（p區(qū)接正極，n區(qū)接負(fù)極）時，有空穴從p區(qū)注入n區(qū)，于是在勢壘區(qū)與n區(qū)邊界一側(cè)的一個擴(kuò)散長度內(nèi)，便形成了非平衡空穴和電子的積累。同樣在p區(qū)也有非平衡電子和空穴的積累。當(dāng)正向偏壓增加時，由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴增加，注入的空穴一部分?jǐn)U散走了，一部分則增加了n區(qū)的空穴積累，增加了濃度梯度。所以外加電壓增加時，n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴也增加，與它保持電中性的電子也要增加。同樣，p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與它保持電中性的空穴也

12、要增加。這種由于擴(kuò)散區(qū)電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)即擴(kuò)散電容。5.用能帶圖說明隧道二極管電流-電壓關(guān)系的對應(yīng)機(jī)理（15分的簡要論述+能帶圖）在簡并化的重?fù)诫s半導(dǎo)體中，N型半導(dǎo)體的費米能級進(jìn)入導(dǎo)帶，P型半導(dǎo)體的費米能級進(jìn)入價帶。兩者形成隧道結(jié)后，在外加電壓等于零時N區(qū)和P區(qū)的費米能級相等。此時P區(qū)價帶和N區(qū)導(dǎo)帶雖然有相同能量的量子態(tài)，但是由于N區(qū)和P區(qū)的費米能級相等，在隧道結(jié)的兩邊，費米能級以下都沒有空的量子態(tài)，費米能級以上的量子態(tài)都沒有電子占據(jù)。所以，隧道電流為零。加很小的正向電壓V，N區(qū)能帶相對P區(qū)將升高qV，此時出現(xiàn)P區(qū)費米能級以上空量子態(tài)與N區(qū)費米能級以下電子占據(jù)態(tài)對準(zhǔn)，N區(qū)

13、導(dǎo)帶電子則可能穿過隧道到P區(qū)價帶，形成從P流向N的正向電流。當(dāng)正向電壓逐漸加到峰值Vp時，P區(qū)空量子態(tài)與N區(qū)導(dǎo)帶電子占據(jù)態(tài)對準(zhǔn)越來越多，勢壘高度也不斷下降，更多的電子從N區(qū)穿過隧道到P區(qū)的空量子態(tài)中，隧道電流不斷增大。當(dāng)達(dá)到峰值電壓時，P區(qū)費米能級與N區(qū)導(dǎo)帶底相等，N區(qū)導(dǎo)帶電子穿過隧道到P區(qū)的電子濃度最大，隧道電流最大即達(dá)峰值電流。 當(dāng)正偏壓繼續(xù)增大時，P區(qū)空量子態(tài)與N區(qū)電子占據(jù)態(tài)對準(zhǔn)開始逐漸減少，使得N區(qū)導(dǎo)帶中可能穿透隧道的電子數(shù)以及P區(qū)價帶中可以接受穿過隧道的電子的空量子態(tài)均減少，隧道電流減小(負(fù)阻效應(yīng))。正偏壓增大到谷值電壓時，N區(qū)導(dǎo)帶底與P區(qū)價帶頂相等，此時P區(qū)價帶和N區(qū)導(dǎo)帶中沒有相同的量子態(tài)，不發(fā)生隧道穿透，隧道電流減少到零。但實際上由于簡并半導(dǎo)體帶尾，電壓達(dá)到谷值電壓時，N區(qū)導(dǎo)帶和P區(qū)價帶仍有量子態(tài)對應(yīng)，N區(qū)導(dǎo)帶帶尾上的電子隧穿到P區(qū)帶尾空的量子態(tài)上，形成過量電流。當(dāng)正偏壓超過谷值電壓后，PN電流為