合工大5第二章21平衡PN結(jié)

1、Physics of Semiconductor Devices第二章第二章 PNPN結(jié)結(jié)如果將如果將P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界處就型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界處就形成了形成了PNPN結(jié)。結(jié)。PNPN結(jié)是構(gòu)成各類(lèi)半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，如雙極型晶結(jié)是構(gòu)成各類(lèi)半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，如雙極型晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管等，都是由體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管等，都是由PNPN結(jié)構(gòu)成的。結(jié)構(gòu)成的。PNPN結(jié)的性質(zhì)結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的特點(diǎn)。集中反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的特點(diǎn)。前言前言An interface lying between a P-type region

2、and an N-type region in a semiconductor single crystal is termed a PN junction.Physics of Semiconductor Devices1 1、分析、分析PNPN結(jié)形成的物理過(guò)程和結(jié)形成的物理過(guò)程和PNPN結(jié)的物理特性結(jié)的物理特性2 2、電流電壓特性、電流電壓特性3 3、擊穿特性、擊穿特性4 4、電容效應(yīng)、電容效應(yīng)5 5、開(kāi)關(guān)特性等、開(kāi)關(guān)特性等PNPN結(jié)的主要講解內(nèi)容：結(jié)的主要講解內(nèi)容：Physics of Semiconductor Devices封裝好的集成電路Physics of Semiconduct

3、or Devices硅單晶片與加工好的硅片Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)2.12.1Physics of Semiconductor DevicesPN結(jié)的制備工藝PN結(jié)的形成機(jī)理接觸電勢(shì)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)與寬度平衡PN結(jié)的載流子分布OutlinePhysics of Semiconductor Devices制造業(yè)制造業(yè)芯片制造過(guò)程一 制備方法與工藝過(guò)程Physics of Semiconductor DevicesP型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)，在P型半導(dǎo)體一邊，空穴是

4、多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子；在N型半導(dǎo)體一邊，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。在一片純凈的半導(dǎo)體樣品上，通過(guò)控制施主濃度和受主濃度的方法可以使得樣品一邊成為施主占優(yōu)勢(shì)的N型半導(dǎo)體，另一邊稱為受主占優(yōu)勢(shì)的P型半導(dǎo)體。P型區(qū)和N型區(qū)之間的冶金學(xué)邊界稱為PN結(jié)PN結(jié)Physics of Semiconductor Devices1 1、合金法、合金法把一小顆銦球（In）放在N型鍺單晶片上，加熱到一定溫度，形成銦鍺共熔體，然后降低溫度，在降溫的過(guò)程中，鍺便從共熔體中析出，沿著鍺片的晶向再結(jié)晶。在再結(jié)晶的鍺區(qū)中，將含有大量的P型雜質(zhì)銦，使得該區(qū)變成P區(qū)，從而形成PN結(jié)。Physics of Sem

5、iconductor Devices雜質(zhì)分布雜質(zhì)分布N區(qū)中施主雜質(zhì)濃度為ND，而且均勻分布；P區(qū)中受主雜質(zhì)濃度為NA，也是均勻分布。在交界處，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)兩邊的雜質(zhì)濃度相差很多，通常把這種結(jié)稱為單邊突變結(jié)。對(duì)于單邊突變結(jié)。如果NA ND，記為：PN結(jié)； 如果ND NA，記為：PN結(jié)。Physics of Semiconductor Devices2 2、擴(kuò)散法、擴(kuò)散法在N型或P型單晶硅片上，通過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得的PN結(jié)，其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過(guò)程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。在這種PN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

6、緩變結(jié)。Physics of Semiconductor DevicesPN結(jié)的結(jié)深結(jié)的結(jié)深雜質(zhì)分布雜質(zhì)分布ADjDAjNNXxNNXx,)(jjADXxaNN稱為雜質(zhì)濃度梯度，它決定于擴(kuò)散雜質(zhì)的實(shí)際分布。對(duì)于高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)，其斜率很大，這時(shí)擴(kuò)散結(jié)可用突變結(jié)來(lái)近似，如圖c。在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用 x =Xj 處的切線近似表示，則稱為線性緩變結(jié)。其雜質(zhì)分布可表示為：Physics of Semiconductor Devices3 3、離子注入法、離子注入法在掩模板窗口附近的橫向分布為余誤差分布，縱向近似為高斯分布。Physics of Semiconductor Devices小小

7、結(jié)結(jié)1、制造工藝不同，雜質(zhì)分布不同。2、通常將PN結(jié)的雜質(zhì)分布 分為突變結(jié)和緩變結(jié)。合金法和表面濃度高的淺擴(kuò)散結(jié)可認(rèn)為是突變結(jié)，而表面濃度低的深擴(kuò)散結(jié)，可認(rèn)為是線性緩變結(jié)。Physics of Semiconductor Devices工藝過(guò)程Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices硅基PN結(jié)制作工藝過(guò)程在在N型或型或P型單晶硅片上，通過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得的型單晶硅片上，通過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得的PN結(jié)，結(jié)，其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過(guò)程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。在這種其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過(guò)程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。在這種P

8、N結(jié)中，雜質(zhì)濃度從結(jié)中，雜質(zhì)濃度從P區(qū)到區(qū)到N區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)。區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)。Physics of Semiconductor Devices分析一當(dāng)P型材料和N型材料被連接在一起時(shí)，費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)必定恒等，否則就有電流通過(guò)(?)。恒定費(fèi)米能級(jí)的條件是電子從N型半導(dǎo)體一邊轉(zhuǎn)移至P型半導(dǎo)體一邊，空穴則沿相反方向轉(zhuǎn)移。Physics of Semiconductor Devices一維電場(chǎng)電勢(shì)一維電場(chǎng)電勢(shì)相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì)相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì)思考題：費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)必定恒等，否則就有電流通過(guò)半導(dǎo)體的熱電勢(shì)？Physics of Semiconductor Devices

9、當(dāng)這兩部分半導(dǎo)體靠得很近，甚至相互接觸時(shí)，由于交界面存在著電子當(dāng)這兩部分半導(dǎo)體靠得很近，甚至相互接觸時(shí)，由于交界面存在著電子和空穴得濃度差，和空穴得濃度差，N區(qū)中的電子要向區(qū)中的電子要向P區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)中的空穴要向區(qū)中的空穴要向N 區(qū)擴(kuò)區(qū)擴(kuò)散。這樣，對(duì)于散。這樣，對(duì)于P區(qū)，空穴離開(kāi)后，留下了不可動(dòng)的帶負(fù)電的電離受主區(qū)，空穴離開(kāi)后，留下了不可動(dòng)的帶負(fù)電的電離受主這些電離受主在這些電離受主在PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)側(cè)形成了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)；同樣的，在區(qū)側(cè)形成了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)；同樣的，在N區(qū)由區(qū)由出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的正電荷區(qū)，這個(gè)交界區(qū)域就是出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的正電荷區(qū)，這個(gè)交界區(qū)域就是PN結(jié)。通常把

10、結(jié)。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，它們所在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。所在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。分析分析二二Physics of Semiconductor Devices由于電場(chǎng)的存在使得電子和空穴產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，與它們的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)正好相由于電場(chǎng)的存在使得電子和空穴產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，與它們的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)正好相反，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)到使載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵消時(shí)（大小相等、方反，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)到使載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵消時(shí)（大小相等、方向相反），此時(shí)的向相反），此時(shí)的PNPN結(jié)達(dá)到了平衡態(tài)，這就是平衡結(jié)達(dá)到了平衡態(tài)，這就

11、是平衡PNPN結(jié)。結(jié)。出現(xiàn)空間電荷區(qū)后，在空間電荷出現(xiàn)空間電荷區(qū)后，在空間電荷區(qū)中形成一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)的方向區(qū)中形成一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)的方向由帶正電的由帶正電的N N區(qū)指向帶負(fù)電的區(qū)指向帶負(fù)電的P P區(qū)，區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱為自建電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)稱為自建電場(chǎng)。Physics of Semiconductor Devices平衡平衡PNPN結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖由圖可知：由圖可知：N N半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EFN位于本征費(fèi)米能級(jí)位于本征費(fèi)米能級(jí)Ei之上，之上，P P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EFP位于本征費(fèi)米能級(jí)位于本征費(fèi)米能級(jí)Ei之下。當(dāng)之下。當(dāng)N N型和型和P P型半導(dǎo)體結(jié)合成型半導(dǎo)體

12、結(jié)合成PNPN結(jié)時(shí)，若沒(méi)有外加電壓，結(jié)時(shí)，若沒(méi)有外加電壓，則有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)則有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EF ，即費(fèi)米能級(jí)處處相等。也就是說(shuō)，即費(fèi)米能級(jí)處處相等。也就是說(shuō)，N N區(qū)的能帶相對(duì)于區(qū)的能帶相對(duì)于P P區(qū)下區(qū)下移（或者說(shuō)移（或者說(shuō)P P區(qū)的能帶相對(duì)區(qū)的能帶相對(duì)N N區(qū)上移），從而使得兩個(gè)區(qū)的費(fèi)米能級(jí)拉平。區(qū)上移），從而使得兩個(gè)區(qū)的費(fèi)米能級(jí)拉平。Physics of Semiconductor Devices能帶的相對(duì)位移是能帶的相對(duì)位移是PNPN結(jié)空間電荷區(qū)存在自建電場(chǎng)的結(jié)果，由于自建電場(chǎng)的方向是由結(jié)空間電荷區(qū)存在自建電場(chǎng)的結(jié)果，由于自建電場(chǎng)的方向是由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)的，表明區(qū)的，表

13、明P P區(qū)的電勢(shì)比區(qū)的電勢(shì)比N N區(qū)的電勢(shì)低。而能帶圖是按電子能量的高低畫(huà)的，區(qū)的電勢(shì)低。而能帶圖是按電子能量的高低畫(huà)的，所以所以P P區(qū)電子的勢(shì)能比區(qū)電子的勢(shì)能比N N區(qū)的勢(shì)能高，也就是電子的電勢(shì)能區(qū)的勢(shì)能高，也就是電子的電勢(shì)能-qU(x)由由N N區(qū)向區(qū)向P P區(qū)不斷升區(qū)不斷升高。高。*平衡PN結(jié)具有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，恰好體現(xiàn)了每一種載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)電流相互抵消，從而沒(méi)有凈電流通過(guò)PN結(jié)。DFPFNqUEE接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差電勢(shì)變化量電勢(shì)變化量Physics of Semiconductor Devices自建勢(shì)場(chǎng)由自建勢(shì)場(chǎng)由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)，表明區(qū)，表明P P區(qū)的電勢(shì)（

14、電位）比區(qū)的電勢(shì)（電位）比N N區(qū)的電勢(shì)區(qū)的電勢(shì)低低平衡平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)能帶發(fā)生彎曲，它反映了空間結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)能帶發(fā)生彎曲，它反映了空間電荷區(qū)內(nèi)電子勢(shì)能的變化。電子從勢(shì)能低的電荷區(qū)內(nèi)電子勢(shì)能的變化。電子從勢(shì)能低的N區(qū)向勢(shì)能區(qū)向勢(shì)能高的高的P區(qū)運(yùn)動(dòng)，必須克服這個(gè)勢(shì)能區(qū)運(yùn)動(dòng)，必須克服這個(gè)勢(shì)能“高坡高坡” ；同理，空；同理，空穴必須克服這個(gè)勢(shì)能穴必須克服這個(gè)勢(shì)能“勢(shì)壘勢(shì)壘”才能從才能從P區(qū)到達(dá)區(qū)到達(dá)N區(qū)，這區(qū)，這個(gè)勢(shì)能個(gè)勢(shì)能“高坡高坡”通常稱為通常稱為PN結(jié)的結(jié)的“勢(shì)壘勢(shì)壘”，所以空間，所以空間電荷區(qū)也叫勢(shì)壘區(qū)。電荷區(qū)也叫勢(shì)壘區(qū)。Physics of Semiconductor Device

15、s因濃度差因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散形成形成PN結(jié)結(jié)Physics of Semiconductor DevicesCarrier profiles through a junctionPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices四四 空間電荷區(qū)的電場(chǎng)與寬度空間電荷區(qū)的電場(chǎng)與寬度對(duì)于突變結(jié)的邊界層，難以得到解析解，利用數(shù)值法進(jìn)行求解?？傻眠吔鐚?duì)

16、于突變結(jié)的邊界層，難以得到解析解，利用數(shù)值法進(jìn)行求解?？傻眠吔鐚拥脤挾燃s為一特征長(zhǎng)度的層得寬度約為一特征長(zhǎng)度的3倍，此特征長(zhǎng)度稱為非本征德拜倍，此特征長(zhǎng)度稱為非本征德拜(Debye)長(zhǎng)度：長(zhǎng)度：通常情況下，它遠(yuǎn)小于耗盡區(qū)德寬度，因此邊界層可以忽略不計(jì)通常情況下，它遠(yuǎn)小于耗盡區(qū)德寬度，因此邊界層可以忽略不計(jì)因此：因此：可簡(jiǎn)單的將可簡(jiǎn)單的將PN結(jié)化分為中性區(qū)和耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）結(jié)化分為中性區(qū)和耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）Physics of Semiconductor Devices忽略邊界層的突變結(jié)的空間電荷區(qū)分布圖在載流子完全耗盡的區(qū)域，有：在載流子完全耗盡的區(qū)域，有：Physics of Semi

17、conductor Devices對(duì)于對(duì)于N側(cè)側(cè)P側(cè)的泊松方程可簡(jiǎn)化為：側(cè)的泊松方程可簡(jiǎn)化為：對(duì)于整個(gè)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，空間電荷區(qū)的電中性要求對(duì)于整個(gè)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，空間電荷區(qū)的電中性要求PN結(jié)兩邊的電荷相等，即：結(jié)兩邊的電荷相等，即：整個(gè)空間電荷區(qū)的寬度為：整個(gè)空間電荷區(qū)的寬度為：Physics of Semiconductor Devices式中：式中：PN結(jié)的最大電場(chǎng)Physics of Semiconductor Devices由于正負(fù)電荷分布在一定體積中，電力線是從正電荷出發(fā)，終止由于正負(fù)電荷分布在一定體積中，電力線是從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷。因此電場(chǎng)強(qiáng)度在空間電荷區(qū)的各處是不想等的。界面于

18、負(fù)電荷。因此電場(chǎng)強(qiáng)度在空間電荷區(qū)的各處是不想等的。界面處最大，而在邊界處電場(chǎng)強(qiáng)度為零。處最大，而在邊界處電場(chǎng)強(qiáng)度為零。由于電荷密度是均勻的，所以平行結(jié)面方向上電場(chǎng)強(qiáng)度不變。在交由于電荷密度是均勻的，所以平行結(jié)面方向上電場(chǎng)強(qiáng)度不變。在交界面上具有最大的電場(chǎng)強(qiáng)度。界面上具有最大的電場(chǎng)強(qiáng)度。Physics of Semiconductor Devices空間電荷區(qū)的內(nèi)建電勢(shì)差為：空間電荷區(qū)的內(nèi)建電勢(shì)差為：由電勢(shì)連續(xù)性：由電勢(shì)連續(xù)性：則有：則有：即：即：2Physics of Semiconductor Devices根據(jù)上式，可得耗盡層的寬度為：根據(jù)上式，可得耗盡層的寬度為：Physics of S

19、emiconductor DevicesDqNdxdEExxDdxqNdE02110)2()(0XxqNxED200XqNEDMPoissons equationIntegrateElectric field profiles (left-hand) PeakElectric-field profiles Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesQAdD321sss) 0()(1 xxNxxqxnDns)0 ()(1pApsxxNxxqx ) 0(maxxNqxNqxEApDnsPhysics of Sem

20、iconductor DevicesElectrostatic-potential profileNxxDdxXxqNd210110)2()48()22(202002XXxXxqNDN8222002XxXxqNDN820XqNDN)(2)(02xXxqNxDPhysics of Semiconductor DevicesContact potential42200qNXNqNX/200Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices五五 平衡平衡PNP

21、N結(jié)的載流子分布結(jié)的載流子分布在空間電荷區(qū)靠近在空間電荷區(qū)靠近P區(qū)邊界區(qū)邊界Xp處，電子濃度等于處，電子濃度等于P區(qū)的平衡少子濃度區(qū)的平衡少子濃度np0，空穴濃度等于空穴濃度等于P區(qū)平衡多子濃度區(qū)平衡多子濃度pp0 ；在靠近；在靠近N區(qū)邊界區(qū)邊界Xn處，空穴濃度等于處，空穴濃度等于N區(qū)的平衡少子濃度區(qū)的平衡少子濃度pN0 ，電子濃度等于，電子濃度等于N區(qū)的平衡多子濃度區(qū)的平衡多子濃度nN0 。在空間。在空間電荷區(qū)，空穴濃度從電荷區(qū)，空穴濃度從Xp處的處的pp0減小到減小到Xn的的pN0 ，電子濃度從，電子濃度從Xn處的處的nN0減減小到小到Xp處的處的np0 。Physics of Semic

22、onductor Devices在在PN結(jié)形成過(guò)程中，電子從結(jié)形成過(guò)程中，電子從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，從而在結(jié)面的區(qū)擴(kuò)散，從而在結(jié)面的N區(qū)側(cè)留下不能區(qū)側(cè)留下不能移動(dòng)的電離施主；空穴自移動(dòng)的電離施主；空穴自P區(qū)向區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，留下了不能移動(dòng)的電離受主（負(fù)區(qū)擴(kuò)散，留下了不能移動(dòng)的電離受主（負(fù)電中心）。在空間電荷區(qū)內(nèi)可移動(dòng)載流子的分布是按指數(shù)規(guī)律變化的，變化電中心）。在空間電荷區(qū)內(nèi)可移動(dòng)載流子的分布是按指數(shù)規(guī)律變化的，變化顯著，絕大部分區(qū)域的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中性區(qū)域，即在空間電荷區(qū)的載顯著，絕大部分區(qū)域的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中性區(qū)域，即在空間電荷區(qū)的載流子基本已被耗盡，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或耗盡層。流子基本已被耗盡，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或耗盡層。Physics of Semiconductor Devices=5104(V/cm)Physics of Semiconductor Devices對(duì)于線性緩變結(jié)，耗盡層內(nèi)空間