半導體物理第六章復習_北郵

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

2、j處的切線近似表示，則稱為線性緩變結。4.結深：5.擴散結：用擴散法制造的PN結稱為擴散結。6.平衡PN結:流過PN結的凈電流為零，空間電荷區(qū)電荷數恒定，空間電荷區(qū)不再擴展，保持一定寬度時的熱平衡狀態(tài)下的PN結稱為平衡PN結。7.PN結空間電荷區(qū): 兩塊半導體結合形成PN結時，由于它們之間存在著載流子濃度梯度，導致了空穴從P區(qū)到N區(qū)、電子從N區(qū)到P區(qū)的擴散運動。對于P區(qū)，空穴離開后，留下了不可動的帶負電荷的電離受主，形成一個負電荷區(qū)。同理，在N區(qū)形成一個正電荷區(qū)。通常把PN結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)由于內部載流子濃度比起N區(qū)和P區(qū)多數載流子的濃度都少得多，好像已經耗盡的緣被稱為耗盡層。）8.PN結接觸電勢差: 平衡PN結的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差VD稱為PN結的接觸電勢差，或內建電勢差。9.PN結勢壘高度: 平衡PN結的空間電荷區(qū)兩端間的的電子電勢能之差即能帶的彎曲量qVD稱為PN結的勢壘高度。10.PN結勢壘寬度: 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濃度，稱為耗盡層近似，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。12.PN結正偏（正向偏壓）: PN結加正向偏壓V(即P區(qū)接電源正

4、極，N區(qū)接負極時)，則PN結正偏。13.PN結反偏（反向偏壓）: PN結加反向偏壓V(即P區(qū)接電源負極，N區(qū)接負正時)，則PN結反偏。理想PN結模型: 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)復合；載流子服從玻耳茲曼計分布；結論：PN結具有單向導電性；溫度對電流密度的影響很大正向電流密度由PN結兩側雜質濃度比值決定擴散長度越短、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，導致勢壘區(qū)的空間電荷數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結的電容效應稱為勢壘電容，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結主要電容。15 .擴散電容: 由于擴散區(qū)的電荷數量隨外加電壓的變化所產生的電容效應，稱為PN結的擴散電容，用符號CD表示。擴散電容是少子變化引起的電容，是反向偏壓下PN結主要電容。16.PN結雪崩擊穿: 反向偏壓增大到一定值時，反向電流突然無窮大，稱為PN結擊穿。當反向偏壓很大時，勢壘區(qū)中的電場很強，在勢壘區(qū)內的電子和空穴由于受到強電場的漂移作用，具有很大的動能，它們與勢壘區(qū)內的晶格原子發(fā)生碰撞時，能把價鍵上的電子碰撞出來，

6、成為導帶電子，同時產生一個空穴。由于倍增效應，使勢壘區(qū)單位時間內產生大量載流子，迅速增大了反向電流，從而發(fā)生PN結擊穿。這就是PN結雪崩擊穿。雪崩擊穿的特點: 不僅與勢壘區(qū)電場強度有關，還與勢壘寬度有關。若勢壘很薄，即使電場強度高，載流子的加速距離很短，也不產生雪崩擊穿。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。17.PN結隧道擊穿: 反偏壓使勢壘區(qū)能帶傾斜、導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)導帶底，價帶電子隧穿到導帶空量子態(tài)成為N區(qū)自由電子，稱為隧道效應。由于隧道效應，使大量電子從價帶穿過禁帶而進入到導帶所引起的一種擊穿現象。P

7、N結隧道擊穿的特點:PN結兩側摻雜濃度很高，容易發(fā)生隧道擊穿；擊穿電壓隨溫度升高而降低（負溫度系數）；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結產生的功耗如不能及時散發(fā)，則PN結溫度上升，反向電流增加，如此反復，功耗不斷增加導致熱電擊穿。19.隧道結: 由重摻雜的P區(qū)和N區(qū)形成的PN結通常稱為隧道結。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: 由于簡并半導體帶尾，電壓達到谷電壓時，N區(qū)導帶和P區(qū)價帶仍有量子態(tài)對應，N區(qū)導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結能帶圖 2.正

8、向偏壓下，PN結能帶圖 3.PN結電流-電壓關系曲線 4.突變PN結電場分布圖 5.隧道二極管電流-電壓曲線三、論述1.平衡PN結的形成原理當P型半導體和N型半導體結合形成半導體時，由于他們之間存在著載流子濃度梯度，導致了空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴散運動。P區(qū)的空穴離開留下帶負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結附近p區(qū)一側出現了由電離受主構成的負電荷區(qū)，n區(qū)一側出現了電離施主構成的正電荷區(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)的內建電場。隨載流子不斷擴散，電離施主、受主增多，空間電荷區(qū)擴展，內建電場強度增強，載流子在內

9、建電場下的漂移加強。最終，載流子擴散和漂移動態(tài)平衡，流過PN結凈電流密度為零，空間電荷區(qū)電荷量和寬度不再改變，電場強度穩(wěn)定，中性P、中性N區(qū)之間形成穩(wěn)定的內建（接觸）電勢差，形成平衡PN結。2.平衡PN結的性質和特點（1）擴散流等于漂移流。（2）PN結的內建電勢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結兩邊的摻雜濃度決定，與半導體材料的特性相關。（3）PN結載流子濃度分布：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.載流子擴散和漂移動態(tài)平衡；2.流過PN結凈電

10、流密度為零；3.中間電荷區(qū)電荷量和寬度不再改變；4.電場強度穩(wěn)定；5.中性P、中性N區(qū)之間形成穩(wěn)定的內建（接觸）電勢差；6.平衡PN結費米能級等于常數；3.PN結勢壘電容式如何形成的？勢壘電容與雜質濃度和雜質分布的關系？當PN結加正向偏壓時，勢壘區(qū)的電場隨正向偏壓的增強而減弱，勢壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數目變少。因為空間電荷是由不能移動的雜質離子組成的，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，導致勢壘區(qū)的空間電荷數目隨外加電壓而變化的電容效應即為勢壘電容。4.PN結擴散電容形成的原因正向偏壓（p區(qū)接正極，n區(qū)接負極）時，有空穴從p區(qū)注入n區(qū)，于是在勢壘區(qū)與n區(qū)邊界一側的一個擴散長度內，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，注入的空穴一部分擴散走了，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)擴散區(qū)內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)擴散區(qū)內積累的非平衡電子和與它保持電中性的空穴也

12、要增加。這種由于擴散區(qū)電荷數量隨外加電壓的變化所產生的電容效應即擴散電容。5.用能帶圖說明隧道二極管電流-電壓關系的對應機理（15分的簡要論述+能帶圖）在簡并化的重摻雜半導體中，N型半導體的費米能級進入導帶，P型半導體的費米能級進入價帶。兩者形成隧道結后，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。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態(tài)對準，N區(qū)

13、導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)導帶電子占據態(tài)對準越來越多，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。當達到峰值電壓時，P區(qū)費米能級與N區(qū)導帶底相等，N區(qū)導帶電子穿過隧道到P區(qū)的電子濃度最大，隧道電流最大即達峰值電流。 當正偏壓繼續(xù)增大時，P區(qū)空量子態(tài)與N區(qū)電子占據態(tài)對準開始逐漸減少，使得N區(qū)導帶中可能穿透隧道的電子數以及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(負阻效應)。正偏壓增大到谷值電壓時，N區(qū)導帶底與P區(qū)價帶頂相等，此時P區(qū)價帶和N區(qū)導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體帶尾，電壓達到谷值電壓時，N區(qū)導帶和P區(qū)價帶仍有量子態(tài)對應，N區(qū)導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。當正偏壓超過谷值電壓后，PN電流為