半導(dǎo)體器件物理 課件 第二章

1、第二章第二章 P-N結(jié)結(jié)1 引言引言nPN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除金屬半導(dǎo)體接觸器件外，所有結(jié)型器件都由金屬半導(dǎo)體接觸器件外，所有結(jié)型器件都由PN結(jié)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)成。PN結(jié)本身也是一種器件整流器。結(jié)本身也是一種器件整流器。PN結(jié)含有豐富的物理知識(shí)，掌握結(jié)含有豐富的物理知識(shí)，掌握PN結(jié)的物理結(jié)的物理原理是學(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件物理的基礎(chǔ)原理是學(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件物理的基礎(chǔ)。n由由P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)接觸型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)接觸（原子級(jí)接觸）所形成的結(jié)構(gòu)叫做（原子級(jí)接觸）所形成的結(jié)構(gòu)叫做PN結(jié)。結(jié)。n任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金

2、學(xué)接觸都任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學(xué)接觸都稱為結(jié)（稱為結(jié)（junction）,有時(shí)也叫做接觸有時(shí)也叫做接觸（contact）。）。2 引言引言n由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)（如硅），由不（如硅），由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)（如硅和鍺）。由（如硅和鍺）。由同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同型結(jié)同型結(jié)（如（如P-硅和硅和P-型硅、型硅、P-硅和硅和P-型鍺），由不同種導(dǎo)電類型鍺），由不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異型結(jié)異型結(jié)（如（如P-硅和硅和N-硅、硅、P-硅和硅和N鍺）。鍺）。n因

3、此因此PN結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)、異型同質(zhì)結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)、異型同質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)之分。廣義地說(shuō)，金屬和半導(dǎo)體結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)之分。廣義地說(shuō)，金屬和半導(dǎo)體接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過(guò)為了意義更明確，把它們接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過(guò)為了意義更明確，把它們叫做金屬半導(dǎo)體接觸或金屬半導(dǎo)體結(jié)（叫做金屬半導(dǎo)體接觸或金屬半導(dǎo)體結(jié)（M-S結(jié)）。結(jié)）。3 引言引言n70年代以來(lái)，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅年代以來(lái)，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅平面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)：平面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)：n1950年美國(guó)人奧爾（年美國(guó)人奧爾（R.Ohl）和肖克萊）和肖克萊(Shockley)發(fā)明的離子

4、注入工藝。發(fā)明的離子注入工藝。n1956年美國(guó)人富勒（年美國(guó)人富勒（C.S.Fuller）發(fā)明的擴(kuò)散工藝。）發(fā)明的擴(kuò)散工藝。n1960年盧爾（年盧爾（H.H.Loor）和克里斯坦森）和克里斯坦森(Christenson)發(fā)明的外延工藝。發(fā)明的外延工藝。n1970年斯皮勒（年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特蘭尼）和卡斯特蘭尼(E.Castellani)發(fā)明的光刻工藝。正是光刻工藝的發(fā)明的光刻工藝。正是光刻工藝的出現(xiàn)才使硅器件制造技術(shù)進(jìn)入平面工藝技術(shù)時(shí)代，出現(xiàn)才使硅器件制造技術(shù)進(jìn)入平面工藝技術(shù)時(shí)代，才有大規(guī)模集成電路和微電子學(xué)飛速發(fā)展的今天。才有大規(guī)模集成電路和微電子學(xué)飛速發(fā)展的今天。n上述工

5、藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測(cè)試，封上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測(cè)試，封裝工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。裝工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。4 氧化工藝氧化工藝：1957年人們發(fā)現(xiàn)硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質(zhì)向硅年人們發(fā)現(xiàn)硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質(zhì)向硅內(nèi)擴(kuò)散的作用。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了硅平面工藝技術(shù)的內(nèi)擴(kuò)散的作用。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了硅平面工藝技術(shù)的出現(xiàn)。出現(xiàn)。 5在集成電路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五條：在集成電路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五條：（1）對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用；）對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用；（2）作為）作為MOS器件的絕緣柵材料；器件的絕緣柵材料；（3）器件表面鈍化作用

6、；）器件表面鈍化作用；（4）集成電路中的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)；）集成電路中的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)；（5）集成電路中電容器元件的絕緣介質(zhì)。）集成電路中電容器元件的絕緣介質(zhì)。硅表面二氧化硅薄膜的生長(zhǎng)方法：硅表面二氧化硅薄膜的生長(zhǎng)方法： 熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。 擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝：6由于熱運(yùn)動(dòng)，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低由于熱運(yùn)動(dòng)，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運(yùn)動(dòng)，使其趨于均勻的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。處運(yùn)動(dòng)，使其趨于均勻的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。常用擴(kuò)散工藝：液態(tài)源擴(kuò)散、片狀源擴(kuò)散、固常用擴(kuò)散工藝：液態(tài)源擴(kuò)散、片狀源擴(kuò)散、固-固擴(kuò)散、固擴(kuò)散、雙溫區(qū)銻擴(kuò)散。雙

7、溫區(qū)銻擴(kuò)散。液態(tài)源擴(kuò)散工藝：使保護(hù)氣體（如氮?dú)猓┩ㄟ^(guò)含有擴(kuò)液態(tài)源擴(kuò)散工藝：使保護(hù)氣體（如氮?dú)猓┩ㄟ^(guò)含有擴(kuò)散雜質(zhì)的液態(tài)源，從而攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)散爐中。散雜質(zhì)的液態(tài)源，從而攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)散爐中。在高溫下雜質(zhì)蒸汽分解，在硅片四周形成飽和蒸汽壓，在高溫下雜質(zhì)蒸汽分解，在硅片四周形成飽和蒸汽壓，雜質(zhì)原子通過(guò)硅片表面向內(nèi)部擴(kuò)散。雜質(zhì)原子通過(guò)硅片表面向內(nèi)部擴(kuò)散。 離子注入技術(shù)離子注入技術(shù)：將雜質(zhì)元素的原子離化變成帶電的雜質(zhì)離子，在強(qiáng)電將雜質(zhì)元素的原子離化變成帶電的雜質(zhì)離子，在強(qiáng)電場(chǎng)下加速，獲得較高的能量（場(chǎng)下加速，獲得較高的能量（1萬(wàn)萬(wàn)-100萬(wàn)萬(wàn)eV）后直接）后直接轟擊到半導(dǎo)體基片（靶片）中

8、，再經(jīng)過(guò)退火使雜質(zhì)激轟擊到半導(dǎo)體基片（靶片）中，再經(jīng)過(guò)退火使雜質(zhì)激活，在半導(dǎo)體片中形成一定的雜質(zhì)分布?；睿诎雽?dǎo)體片中形成一定的雜質(zhì)分布。7 離子注入技術(shù)的特點(diǎn)：離子注入技術(shù)的特點(diǎn)：（1）低溫；）低溫；（2）可精確控制濃度和結(jié)深；）可精確控制濃度和結(jié)深；（3）可選出一種元素注入，避免混入其它雜質(zhì)；）可選出一種元素注入，避免混入其它雜質(zhì)；（4）可在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；）可在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；（5）控制離子束的掃描區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)選擇注入，不需掩）控制離子束的掃描區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)選擇注入，不需掩膜技術(shù)；膜技術(shù)；（6）設(shè)備昂貴。）設(shè)備昂貴。 外延工藝：外延工藝：8外延是一種薄膜生長(zhǎng)

9、工藝，外延生長(zhǎng)是在單外延是一種薄膜生長(zhǎng)工藝，外延生長(zhǎng)是在單晶襯晶襯底上沿晶體原來(lái)晶向向外延伸生長(zhǎng)一層薄膜底上沿晶體原來(lái)晶向向外延伸生長(zhǎng)一層薄膜單晶層。單晶層。外延工藝可以在一種單晶材料上生長(zhǎng)另一種外延工藝可以在一種單晶材料上生長(zhǎng)另一種單晶材料薄膜。單晶材料薄膜。外延工藝可以方便地形成不同導(dǎo)電類型，不外延工藝可以方便地形成不同導(dǎo)電類型，不同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外延層。外延同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外延層。外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBEMBE）、熱壁外延（）、熱壁外延（HWEHWE）、原子層外延技）、原子層外延技術(shù)。術(shù)。 光刻工藝光刻工藝：

10、9光刻工藝是為實(shí)現(xiàn)選擇摻雜、形成金屬電極和布線，表面鈍化光刻工藝是為實(shí)現(xiàn)選擇摻雜、形成金屬電極和布線，表面鈍化等工藝而使用的一種工藝技術(shù)。等工藝而使用的一種工藝技術(shù)。光刻工藝的基本原理是把一種稱為光刻膠的高分子有機(jī)化合物光刻工藝的基本原理是把一種稱為光刻膠的高分子有機(jī)化合物（由光敏化合物、樹(shù)脂和有機(jī)溶劑組成）涂敷在半導(dǎo)體晶片表（由光敏化合物、樹(shù)脂和有機(jī)溶劑組成）涂敷在半導(dǎo)體晶片表面上。受特定波長(zhǎng)光線的照射后，光刻膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。面上。受特定波長(zhǎng)光線的照射后，光刻膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如果光刻膠受光照（曝光）的區(qū)域在顯影時(shí)能夠除去，稱之為如果光刻膠受光照（曝光）的區(qū)域在顯影時(shí)能夠除去，稱之

11、為正性膠；反之如果光刻膠受光照的區(qū)域在顯影時(shí)被保留，未曝正性膠；反之如果光刻膠受光照的區(qū)域在顯影時(shí)被保留，未曝光的膠被除去稱之為負(fù)性膠；光的膠被除去稱之為負(fù)性膠； 引言引言n采用硅平面工藝制備采用硅平面工藝制備PNPN結(jié)的主要工藝過(guò)程結(jié)的主要工藝過(guò)程 N Si N+ (a)(a)拋光處理后的型硅晶片拋光處理后的型硅晶片 N+ (b)(b)采用干法或濕法氧化采用干法或濕法氧化 工藝的晶片氧化層制作工藝的晶片氧化層制作 光刻膠 N Si SiO2 N+ (c)(c)光刻膠層勻膠及堅(jiān)膜光刻膠層勻膠及堅(jiān)膜 （d)d)圖形掩膜、曝光圖形掩膜、曝光 光刻膠 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+ (e)

12、(e)曝光后去掉擴(kuò)散窗口曝光后去掉擴(kuò)散窗口膠膜的晶片膠膜的晶片（f)f)腐蝕腐蝕SiOSiO2 2后的晶片后的晶片 n Si光刻膠光刻膠SiO2N+ N Si SiO2 N+10 引言 P Si N Si SiO2金屬 N+N Si P Si SiO2金屬 金 屬 N+(g)完成光刻后去膠的晶片 (h)通過(guò)擴(kuò)散（或離子注入）形成 P-N結(jié)(i)蒸發(fā)/濺射金屬 （j） P-N 結(jié)制作完成 采用硅平面工藝制備結(jié)的主要工藝過(guò)程 P SiN SiSiO2N+N Si SiO2 N+11 引言引言NaNd0 x Na-Nd xj NaNd0 x xj-ax突變結(jié)與線性緩變結(jié)突變結(jié)與線性緩變結(jié) （a a）

13、突變結(jié)近似（實(shí)線）的窄）突變結(jié)近似（實(shí)線）的窄擴(kuò)散結(jié)（虛線）擴(kuò)散結(jié)（虛線）（b b）線性緩變結(jié)近似（實(shí)）線性緩變結(jié)近似（實(shí)線）的深擴(kuò)散結(jié)（虛線）線）的深擴(kuò)散結(jié)（虛線）圖圖 2.22.212 引言引言0, ( ), ( )jajdxxN xNxxN xN 突變結(jié)：突變結(jié)： 線性緩變結(jié)：在線性區(qū)線性緩變結(jié)：在線性區(qū) ( )adN xNNax 132.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)142.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié) FE CE VE p n CE VE FE p n CE FE iE VE 0q 漂移 漂移 擴(kuò)散 擴(kuò)散 E n p （a）在接觸前分開(kāi)的P型和N型硅的能帶圖 （b）接觸

14、后的能帶圖圖2-3152.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)n 型電中性區(qū) p 型電中性區(qū) 邊界層 邊界層 耗盡區(qū) （c） 與（b）相對(duì)應(yīng)的空間電荷分布 圖2-3162.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)adNN x x x aNdN dN -aN px m 0 （a） （b） （c） 0 nx 0 圖2-4 單邊突變結(jié) （a）空間電荷分布 （b）電場(chǎng)（c）電勢(shì)圖 單邊突變結(jié)電荷分 布、電場(chǎng)分布、電 勢(shì)分布 172.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)20lniadTpnnNNV1822()dadqpnNNdx 泊松方程中性區(qū) 內(nèi)建電勢(shì)差（2-1-7） （2-1-6） 邊界區(qū) 寬度3特征長(zhǎng)

15、度（非本征德拜長(zhǎng)度）2.12.1熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)解解PoissonPoisson方程求解了方程求解了PNPN結(jié)結(jié)SCRSCR內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度： nmxx10kxqNndm20212nndxxkxqN2002dnqN xk21002dnqNkxW（2-1-16） （2-1-18） （2-1-17） （2-1-19） （2-1-20） 192.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié)202.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) n2.2.12.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖加偏壓的結(jié)的能帶圖 b + V

16、Vq0 FpE FnE qV W （E） FnE N P W FE CE （a） 能量 （E） N P 能量 （ ）q0 圖圖2.5 2.5 單邊突變結(jié)的電勢(shì)分布單邊突變結(jié)的電勢(shì)分布（a）熱平衡，耗盡層寬 度為 W （b）加正向電壓，耗盡 層寬度WW212.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié)n2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖加偏壓的結(jié)的能帶圖 P + RV RI 能量 （E） RVq0 RqV W （c ） N （c）加反向電壓，耗盡層寬度加反向電壓，耗盡層寬度WW W 圖圖2.5 2.5 單邊突變結(jié)的電勢(shì)分布單邊突變結(jié)的電勢(shì)分布222.2 加偏壓的 P-N 結(jié)n耗盡層寬度隨外加反

17、偏壓變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果耗盡層寬度隨外加反偏壓變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果 102 10 1.0 101 102 102 101 1.0 10 102 103 VVR, 1016 1018 31410cmNbc (a) 102 10 1.0 101 102 102 101 1.0 10 102 103 W m VVR, 1018 1016 31410cmNbc (b) 圖 2-6 耗盡層寬度隨外加反偏壓變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果 （a）mxj1和（b）mxj10 假設(shè)為erfc分布且3200/10cmN 232.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié)n注入注入P P+ +-N-N結(jié)的

18、結(jié)的N N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布側(cè)的空穴及其所造成的電子分布 ，圖2-7 注入NP 結(jié)的N側(cè)的空穴 及其所造成的電子分布 x nn 15010nn 312100cmn xnq x np 5010np 312100cmp xpq 242.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié)根據(jù)能帶圖分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕焊鶕?jù)能帶圖分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕?正偏壓正偏壓V V使得使得PNPN結(jié)結(jié)N N型中性區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于型中性區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于P P型中性區(qū)的升高型中性區(qū)的升高qVqV。在。在P P型型中性區(qū)中性區(qū) 。在空間電荷區(qū)由于。在空間電荷區(qū)由于n n、pnpni i，可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)

19、不變即等，可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)不變即等于于 。在。在N N型中性區(qū)型中性區(qū) 。同樣，在空間電荷區(qū)，。同樣，在空間電荷區(qū)，于是從空間電荷區(qū)兩于是從空間電荷區(qū)兩側(cè)開(kāi)始分別有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)從側(cè)開(kāi)始分別有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)從 逐漸升高到逐漸升高到 和從和從 逐漸下降到逐漸下降到 的區(qū)的區(qū)域。域。這就是這就是P P側(cè)的電子擴(kuò)散區(qū)和側(cè)的電子擴(kuò)散區(qū)和N N側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)（以上分析就是畫(huà)能帶圖的（以上分析就是畫(huà)能帶圖的根據(jù)）。根據(jù)）。 FEFPEFPEFPEFEFNEFNEFNEFPE252.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 在在電電子子擴(kuò)擴(kuò)散散區(qū)區(qū)和空穴和空穴擴(kuò)擴(kuò)散散區(qū)區(qū)， 不等于常不等

20、于常數(shù)數(shù)，必有，必有電電流流產(chǎn)產(chǎn)生，由生，由于于 ，電電流沿流沿x x軸軸正方向，即正方向，即為為正向正向電電流。又由于在空流。又由于在空間電間電荷荷區(qū)邊區(qū)邊界注入界注入的 非 平 衡 少 子的 非 平 衡 少 子 濃濃 度 很 大 ， 因 此 在 空度 很 大 ， 因 此 在 空 間 電間 電 荷荷 區(qū) 邊區(qū) 邊 界界 電電 流 密 度 也 很 大流 密 度 也 很 大 ( ( J J ) ) 離離開(kāi)開(kāi)空空間電間電荷荷區(qū)邊區(qū)邊界界隨隨著距離的增加注入的非平衡著距離的增加注入的非平衡少子少子濃濃度越度越來(lái)來(lái)越?。ㄔ叫。╡ e指指數(shù)減數(shù)減少），少），電電流密度也越流密度也越來(lái)來(lái)越小。越小。 反偏

21、反偏壓壓- - 使得使得PNPN結(jié)結(jié)N N型中性型中性區(qū)區(qū)的的費(fèi)費(fèi)米能米能級(jí)級(jí)相相對(duì)對(duì)于于P P型中性型中性區(qū)區(qū)的降低的降低q q 。擴(kuò)擴(kuò) 散散區(qū)費(fèi)區(qū)費(fèi)米能米能級(jí)級(jí)的梯度小于零，因此的梯度小于零，因此會(huì)會(huì)有反向有反向電電流流產(chǎn)產(chǎn)生。由于空生。由于空間電間電荷荷區(qū)電場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)的抽取的抽取作用，在作用，在擴(kuò)擴(kuò)散散區(qū)載區(qū)載流子很流子很少少， 很小，因此很小，因此雖雖然有很大的然有很大的 費(fèi)費(fèi)米能米能級(jí)級(jí)梯梯度，度，電電流卻很小且流卻很小且趨趨于于飽飽和。和。FE0 xEFxx)(RVPqxpxP)()(PqxpxP)()(RV262.2 加偏壓的 P-N 結(jié)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析了結(jié)的根據(jù)載流

22、子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析了結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦裕?正偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由正偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由 下降到下降到 -V-V打破了打破了PNPN結(jié)的熱平衡，使載結(jié)的熱平衡，使載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)即造成少子的正向注入且電流很大。反偏壓使空間電流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)即造成少子的正向注入且電流很大。反偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由 上升到上升到 +V+V同樣打破了同樣打破了PNPN結(jié)的熱平衡，使載流子的漂結(jié)的熱平衡，使載流子的漂移運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)這種漂移是移運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)這種漂移是N N區(qū)少子空穴向區(qū)少子空穴向P P區(qū)和區(qū)和P P區(qū)少子電子向區(qū)少子電子向N N區(qū)的漂移，因區(qū)的漂移，因

23、此電流是反向的且很小。此電流是反向的且很小。在反偏壓下，耗盡層寬度為在反偏壓下，耗盡層寬度為 000021002dRqNVkW（2-2-1） 272.2 加偏壓的 P-N 結(jié)內(nèi)建電勢(shì)差內(nèi)建電勢(shì)差 給出了結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度給出了結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度： （2-2-112-2-11） 和和 （2-2-122-2-12）在注入載流子的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足，則少數(shù)載流子由于在注入載流子的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足，則少數(shù)載流子由于被中和，不帶電，通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這稱為被中和，不帶電，通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這稱為擴(kuò)散近似擴(kuò)散近似。于。于是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散

24、方程是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程 。20lniadTpnnNNVTVVppenn0TVVnnepp0282.3 2.3 理想理想P-NP-N結(jié)的直流電流結(jié)的直流電流- -電壓特性電壓特性292.3 2.3 理想理想P-NP-N結(jié)的直流電流結(jié)的直流電流- -電壓特性電壓特性 n理想的理想的P-NP-N結(jié)的基本假設(shè)及其意義結(jié)的基本假設(shè)及其意義外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上，耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體是電中性的，這意外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上，耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體是電中性的，這意味著忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻。味著忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻。 均勻摻雜。均勻摻雜?？臻g電荷區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流?？臻g電荷

25、區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流。小注入，即小注入，即 和和 半導(dǎo)體非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體非簡(jiǎn)并 TVVnnepp00nnTVVppenn00PP302.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性n 正向偏壓情況下的的正向偏壓情況下的的P-NP-N結(jié)結(jié) x 0 載流子濃度 P型 N型 np pn 0np 0np 空間電荷層 nx px x 0 少數(shù)載流子電流 pI nI nx px x x 0 npIII pI pI nI nI nx px 圖2-8 正向偏壓情況下的的P-N結(jié)（a）少數(shù)載流子分布（b）少數(shù)載流子電流（c）電子電流和空穴電流312.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性n反向偏壓情況下的的反向偏壓情

26、況下的的P-NP-N結(jié)結(jié)x x 0 載流子濃度 P型 N型 np pn 0np 0pn 空間電荷層 nx px x x 少數(shù)載流子電流 pI nI 0 nx px x x npIII pI pI nI nI 0 nx px NP（a）少數(shù)載流子分布（b）少數(shù)載流子電流（c）電子電流和空穴電流圖2-9 反向偏壓情況下的的P-N結(jié) 322.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)PNPN結(jié)二極管中載流子分布滿足擴(kuò)散方程。結(jié)二極管中載流子分布滿足擴(kuò)散方程。 解擴(kuò)散方程求得滿足邊界條件的解解擴(kuò)散方程求得滿足邊界條件的解 （N側(cè)空穴分布）側(cè)空穴分布） pnnpnVVnnnLxWLxWepppTsin

27、hsinh100nxx （2-3-4） 對(duì)于長(zhǎng)二極管，上式簡(jiǎn)化為對(duì)于長(zhǎng)二極管，上式簡(jiǎn)化為 pnTLxxVVnnneeppp100P-NP-N結(jié)結(jié)P P側(cè)的電子分布為側(cè)的電子分布為 （2-3-5） npTLxxVVpppeennn100nxx pxx（2-3-11） 332.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性電流分布：少子注入引起的電流常稱為擴(kuò)散電流。在長(zhǎng)二極管中電流分布：少子注入引起的電流常稱為擴(kuò)散電流。在長(zhǎng)二極管中空穴電流分布為：空穴電流分布為： pnLxxnppexIInxx （2-3-9）電子電流分布為：電子電流分布為： npLxxpnnexIIpxx（2-3-11）其中其中10TVV

28、pnnpnenLqADxI10TVVnppnpepLqADxI（2-3-14）（2-3-8）342.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性電流電壓公式（電流電壓公式（ShockleyShockley公式）公式） P PN N結(jié)的典型電流結(jié)的典型電流 電壓特性電壓特性 10TVVeIInpnpnpLnqADLpqADI000（2-3-16） （2-3-1） vV mAI 0.6 5 10 0I 352.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性nPNPN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式： （1） （2-3-18） （2） （2-3-19）（3） （2-3-20）（4） （2-3-21）

29、npnpnpLnqADLpqADI00020ianndppnNLDNLDqAIKTEanndppVCgeNLDNLDNqANI0nnpppnLnLpqAI00036練習(xí)：1、施加正偏電壓時(shí)，求施加正偏電壓時(shí)，求pn結(jié)空間電荷區(qū)邊緣處的少子空穴濃度。結(jié)空間電荷區(qū)邊緣處的少子空穴濃度。 考慮考慮T=300K時(shí)的硅時(shí)的硅pn結(jié)，結(jié)，ni=1.51010cm-3。氮摻雜濃度為。氮摻雜濃度為11016cm-3。正偏電壓為。正偏電壓為Va=0.60V。計(jì)算空間電荷區(qū)邊緣的少子。計(jì)算空間電荷區(qū)邊緣的少子空穴濃度?？昭舛?。2、設(shè)計(jì)一個(gè)、設(shè)計(jì)一個(gè)pn結(jié)二極管，以在給定的正偏電壓下產(chǎn)生以下的電子結(jié)二極管，以在給

30、定的正偏電壓下產(chǎn)生以下的電子和空穴電流密度。和空穴電流密度。 Va=0.65V時(shí)，時(shí)，Jn=20A/cm2， Jp=5A/cm2 考慮考慮T=300K時(shí)的硅時(shí)的硅pn結(jié)，具體參數(shù)如下：結(jié)，具體參數(shù)如下： Na=Nd=1016cm-3 ni=1.51010cm-3 Dn=25cm2/s p0= n0=510-7s Dp=10cm2/s r=11.72.42.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流382.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流 圖2-11 襯底摻雜濃度為1016cm3的硅擴(kuò)散結(jié)的電流電壓特性 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0

31、.6 0.7 1010 109 108 107 106 105 104 103 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 串聯(lián)電阻 斜率KTq 斜率KTq2 I （A） V （V） 39n低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì)低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì) n偏壓升高：偏壓升高： 擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì) n更高偏壓：更高偏壓： 串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了 2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流n空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)復(fù)合電流復(fù)合電流與非平衡載流子注入引起的擴(kuò)散電流的比較：與非平衡載流子注入引起的擴(kuò)散電流的比較： 對(duì)于對(duì)于P P+ +-N-N結(jié)，把擴(kuò)散電流記為，結(jié)，把擴(kuò)散電流記為，

32、 TTVVipVVdpipdenqALeNLnDqAI022TTVVRVVireceIeWqAnI2202而 于是 2ec2TpVVdirdLIneIWN上式表明，若上式表明，若 越小，電壓愈低，則勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大。越小，電壓愈低，則勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大。 diNn402.42.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流概念概念 空間電荷區(qū)正偏復(fù)合電流空間電荷區(qū)正偏復(fù)合電流 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)反偏產(chǎn)生電流反偏產(chǎn)生電流 式中式中W W為空間電荷區(qū)寬度，為空間電荷區(qū)寬度，U U為空間電荷區(qū)載流子通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合的復(fù)合率，為空間電荷區(qū)載流子通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合的復(fù)合率，

33、 G G為空間電荷區(qū)載流子產(chǎn)生率。為空間電荷區(qū)載流子產(chǎn)生率。 WrecUdxqAI00WGIqAGdx412.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)載流子通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合的最大復(fù)合率條件：空間電荷區(qū)載流子通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合的最大復(fù)合率條件： 正偏復(fù)合電流和反偏產(chǎn)生電流分別為：正偏復(fù)合電流和反偏產(chǎn)生電流分別為： 2TVVinpneTVVienU20max2TTVVRVVireceIeWqAnI220202AWqnWUqAIiG由于空間電荷層的寬度隨著反向偏壓的增加而增加因而由于空間電荷層的寬度隨著反向偏壓的增加而增加因而反向電流是不飽和反向電流是不飽和的。的。最大

34、復(fù)合率為最大復(fù)合率為: :422.5 隧道電流隧道電流432.52.5隧道電流隧道電流 n產(chǎn)生隧道電流的條件產(chǎn)生隧道電流的條件（1 1）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；（2 2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；（3 3）在相同的能量水平上在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的）在相同的能量水平上在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的能帶中有空的狀態(tài)。能帶中有空的狀態(tài)。當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體時(shí)，（當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體時(shí)，（1 1）、（）、（2 2）條件滿足。條件滿足。外加偏壓可使

35、條件（外加偏壓可使條件（3 3）滿足。）滿足。 44EFnEFpEFnEFpEFnEFpEFnEFpEFnEFp2.5 pn結(jié)中的隧道電流結(jié)中的隧道電流2.5隧道電流隧道電流n簡(jiǎn)化的隧道穿透幾率是簡(jiǎn)化的隧道穿透幾率是hqmTBei328exp23（2-5-1） BW（2-5-2） 把式把式（2-5-22-5-2）代入代入（2-5-12-5-1）得到得到 21238expBeiqmhWT則隧道電流可為則隧道電流可為ithnTqAvI 式中式中 為隧道電子的速度。為隧道電子的速度。 thv47Bq I 0 x Wx 圖2-13 對(duì)應(yīng)于圖2-12正偏 壓隧道結(jié)的勢(shì)壘2.5隧道電流隧道電流n若摻雜密度

36、稍予減少，使正向隧道電流可予忽略，電流若摻雜密度稍予減少，使正向隧道電流可予忽略，電流 電壓曲線則將被改變電壓曲線則將被改變成示于圖成示于圖2-14b2-14b中的情形。這稱為反向二極管中的情形。這稱為反向二極管。 I V ）（e ）（a ）（b ）（c ）（d V I （a）江崎二極管 電流-電壓特性（b）反向二極管 電流-電壓特性圖2-14482.5隧道電流隧道電流n隧道二極管的特點(diǎn)和應(yīng)用上的局限性隧道二極管的特點(diǎn)和應(yīng)用上的局限性（1）隧道二極管是利用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)結(jié)的多數(shù)）隧道二極管是利用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)結(jié)的多數(shù) 載流子的數(shù)目起伏較小，因

37、此隧道二極管具有較低的噪聲。載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低的噪聲。（2）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體制成，由于溫度對(duì)多子的影響小，使隧道）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體制成，由于溫度對(duì)多子的影響小，使隧道二二 級(jí)管的工作溫度范圍大。級(jí)管的工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過(guò)程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過(guò)程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子 渡越時(shí)間的限制，因此可以在極高頻率下工作。這種優(yōu)越的性能，使隧道渡越時(shí)間的限制，因此可以在極高頻率下工作。這種優(yōu)越的性能，使隧道 二級(jí)管能夠應(yīng)用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電二

38、級(jí)管能夠應(yīng)用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電 路以及低噪音微波放大器。路以及低噪音微波放大器。 由于應(yīng)用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二由于應(yīng)用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二 極管的利用受到限制極管的利用受到限制 。492.5隧道電流隧道電流n小結(jié)小結(jié) 產(chǎn)生隧道電流的條件產(chǎn)生隧道電流的條件：（1 1）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；（2 2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；（3 3）在相同的能量水平上在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的

39、能帶中有空的）在相同的能量水平上在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的能帶中有空的 狀態(tài)。狀態(tài)。 當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體時(shí)，（當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體時(shí)，（1 1）、（）、（2 2）條件滿足。）條件滿足。外加偏壓可使條件（外加偏壓可使條件（3 3）滿足）滿足。 畫(huà)出了偏壓變化的能帶圖并根據(jù)能帶圖解釋了隧道二級(jí)管的畫(huà)出了偏壓變化的能帶圖并根據(jù)能帶圖解釋了隧道二級(jí)管的IV曲線。曲線。502.52.5隧道電流隧道電流n小結(jié)小結(jié)分析了隧道二級(jí)管的特點(diǎn)和局限性分析了隧道二級(jí)管的特點(diǎn)和局限性：（1）隧道二極管是利用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)結(jié)的多數(shù)）隧道二極管是利

40、用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)結(jié)的多數(shù) 載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低的噪聲較低的噪聲。 （2）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體制成，所以溫度對(duì)多子的影響小，使隧）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體制成，所以溫度對(duì)多子的影響小，使隧 二級(jí)管的二級(jí)管的工作溫度范圍大工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過(guò)程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過(guò)程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子 渡越時(shí)間的限制，因此可以渡越時(shí)間的限制，因此可以在極高頻率下工作在極高頻率下工作。這種優(yōu)越的性能，使隧道。這種優(yōu)越的性能，使隧

41、道 二級(jí)管能夠應(yīng)用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電二級(jí)管能夠應(yīng)用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電 路以及低噪聲微波放大器。路以及低噪聲微波放大器。 由于應(yīng)用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二由于應(yīng)用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二 極管的利用受到限制。極管的利用受到限制。 512.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系522.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系n當(dāng)當(dāng)P-NP-N結(jié)處于正向偏置時(shí)結(jié)處于正向偏置時(shí) 01TV VdIIe20ianndppnNLDNLD

42、qAI202TVVirecqAnWIeTVVianndpprecdenNLDNLDWII202（2-4-72-4-7）式中）式中 隨溫度的增加而迅速增加，可見(jiàn)在高于室溫時(shí)，不太大的正隨溫度的增加而迅速增加，可見(jiàn)在高于室溫時(shí)，不太大的正偏壓（偏壓（ 0.3V0.3V）就使）就使 占優(yōu)勢(shì)。占優(yōu)勢(shì)。 有有 （2-3-16） （2-3-18） （2-4-5） indI（2-4-7） 532.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系n當(dāng)當(dāng)P-NP-N結(jié)處于反向偏置時(shí)結(jié)處于反向偏置時(shí)， ， 0IIdianndpprecdnNLDNLDWII02（2-6-2） 隨著溫度增加，隨著溫度增加

43、， 增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)。增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)。 偏偏壓壓情情況況下，二下，二極極管管 特性的特性的溫溫度效度效應(yīng)應(yīng)： inVI 20ianndppnNLDNLDqAI相對(duì)來(lái)說(shuō)，括號(hào)內(nèi)的參量對(duì)溫度變化不靈敏。相對(duì)來(lái)說(shuō)，括號(hào)內(nèi)的參量對(duì)溫度變化不靈敏。 KTEigeTnI0320（2-6-3） 542.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系n式（式（2-6-32-6-3）對(duì)）對(duì)T T求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以 ，得到，得到0I20200031KTEKTETdTdIIgg（2-6-4） 在正向偏置情在正向偏置情況況下，取下，取 ，導(dǎo)導(dǎo)出出 TVVeII0d

44、TdIIVTVdTdVTI001常數(shù)TVTVVdTdIIIdTdI001常數(shù)（2-6-5） （2-6-6） 將將（2-6-42-6-4）式代入（）式代入（2-6-52-6-5）和（）和（2-6-62-6-6）式中，得到）式中，得到 TqEVdTdVg0和和201KTqVEdTdIIg（2-6-7） （2-6-8） 55n在正向偏置情況下取n又 n代入上式得n n類似地得到TVVeII00IdIdT常數(shù)/0021TTV VV VTTTdIdVdVVeIedTV dTVdT(/ )TTdVVd KT qdTdTTdTdIIVTVdTdVTI001常數(shù)TVTVVdTdIIIdTdI001常數(shù)562.

45、6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系n硅二極管正向和反向兩種偏壓下的溫度依賴關(guān)系示于圖硅二極管正向和反向兩種偏壓下的溫度依賴關(guān)系示于圖2-152-15和圖和圖2-162-16中中 I ， A 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10-4 10-3 10-2 10-1 100 10-5 20 40 60 80 100 101 102 103 100 VR=6V 150C 25C 55C T C V V 圖2-15硅平面二極管電流電 壓特性的溫度效應(yīng)圖2-16在硅PN結(jié)二極管中反 向飽和電流與溫度的關(guān)系572.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系

46、n小結(jié)小結(jié) 討論了討論了PNPN結(jié)結(jié)I IV V特性的溫度依賴關(guān)系即溫度對(duì)特性的溫度依賴關(guān)系即溫度對(duì)I IV V特性的影響特性的影響根據(jù)公式反向電流隨溫度升高而增加。根據(jù)公式反向電流隨溫度升高而增加。 給定電壓，電流隨溫度升高而迅速增加。對(duì)于硅二極管，在室溫（給定電壓，電流隨溫度升高而迅速增加。對(duì)于硅二極管，在室溫（300K300K）時(shí)，每增加時(shí)，每增加 ，電流約增加，電流約增加1 1倍。倍。 結(jié)電壓隨溫度線性地減小，對(duì)于硅二極管，系數(shù)約為結(jié)電壓隨溫度線性地減小，對(duì)于硅二極管，系數(shù)約為 。 結(jié)電壓隨溫度變化十分靈敏，這一特性被用來(lái)精確測(cè)溫和控溫。結(jié)電壓隨溫度變化十分靈敏，這一特性被用來(lái)精確測(cè)溫

47、和控溫。 C010CmV0/2582.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)莺谋M層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管二極管592.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管 n耗盡層電容耗盡層電容 dRdNVqKAWqANQ002RdVdQC 21002RdVNqkAC（2-7-12-7-1）（2-7-22-7-2）（2-7-32-7-3）C C稱為稱為過(guò)渡電容過(guò)渡電容或或耗盡層電容耗盡層電容有時(shí)亦稱為有時(shí)亦稱為勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容： PNPN結(jié)空間電荷區(qū)空間電荷隨外加偏壓變化所引起的電容。結(jié)空間電荷區(qū)空間電荷隨外加偏壓變化所引起的電容。 常用常用 關(guān)系：關(guān)系：

48、21 CRV020221RdVANqKC（2-7-72-7-7）602.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管1 1、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計(jì)算出施主濃度。、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計(jì)算出施主濃度。2 2、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處 RV061020221RdVANqKC 圖2-17NP 二極管的電容電壓（ CV ）特性 21C 0 RV 圖2-18 NP 結(jié)的n側(cè)的任意雜質(zhì)分布 x xN WN W dW 2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管n

49、求雜質(zhì)分布求雜質(zhì)分布 在雜質(zhì)分布未知的在雜質(zhì)分布未知的P-NP-N結(jié)中，可以利用電容結(jié)中，可以利用電容 電壓曲線描繪出輕摻雜一邊的電壓曲線描繪出輕摻雜一邊的雜質(zhì)分布。雜質(zhì)分布。此稱求雜質(zhì)分布此稱求雜質(zhì)分布?？磮D?？磮D2.182.18所示未知雜質(zhì)分布：所示未知雜質(zhì)分布： dWWqANdQ （2-7-82-7-8）式中式中 是在空間電荷層邊緣是在空間電荷層邊緣 處的雜質(zhì)濃度。處的雜質(zhì)濃度。由泊松方程，電場(chǎng)增量是與電荷增量之間由泊松方程，電場(chǎng)增量是與電荷增量之間具有如下關(guān)系：具有如下關(guān)系： WNWAkdQd0（2-7-92-7-9）電場(chǎng)增量與偏壓增量具有如下關(guān)系：電場(chǎng)增量與偏壓增量具有如下關(guān)系： W

50、dVd（2-7-102-7-10）622.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由（由（2-7-92-7-9）和（）和（2-7-102-7-10）式得到）式得到 CWAkdVdQ0（2-7-112-7-11）C C即為過(guò)渡電容。即為過(guò)渡電容。 把把上面上面式式子子代入（代入（2-72-7- -8 8）式并將結(jié)果重新整理得到）式并將結(jié)果重新整理得到 dVCdAqkWN220112（2-7-122-7-12）求雜質(zhì)分布的程序求雜質(zhì)分布的程序： 632.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管n雜質(zhì)分布的程序雜質(zhì)分布的

51、程序：用（用（2-7-112-7-11）式求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度）式求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度 ：畫(huà)出畫(huà)出 相對(duì)相對(duì) 的曲線。的曲線。從此從此 曲線中取曲線中取 并將其結(jié)果代入（并將其結(jié)果代入（2-7-122-7-12）式計(jì)算出）式計(jì)算出 。畫(huà)出完整的雜質(zhì)分布畫(huà)出完整的雜質(zhì)分布 。 注意：倘若出現(xiàn)高密度的陷阱中心和界面態(tài)，如硅中摻金情形，前面的分析注意：倘若出現(xiàn)高密度的陷阱中心和界面態(tài)，如硅中摻金情形，前面的分析必須加以修正，以適應(yīng)這些荷電的狀態(tài)。必須加以修正，以適應(yīng)這些荷電的狀態(tài)。 123,W W W W21 CV21 CVC21 WN WNCWAkdVdQ0 dVC

52、dAqkWN220112在不同反偏壓下測(cè)量電容在不同反偏壓下測(cè)量電容：1,23,C C C 123,V V V 2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管n由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果示于圖由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果示于圖2-192-19中。中。 101310510410171016101510141032 5 2 5 5 5 2 2 52 5 2 25 BCNV 有效范圍 ：31033102pF/2 101310510410171016101510141032 5 2 5 5 5 2 2 5 5 2 2 BCNV 3010NNBC 有效范圍

53、：31043103pF/2 2 （a） （b） 10jx 5 2 1 5 . 0 10jx 5 2 1 5 . 0 圖2-19 對(duì)于擴(kuò)散的硅NP結(jié)二極管，在各種結(jié)深jx的情況下，單位面積電容C相對(duì)總結(jié)電壓V除以本底濃度BCN的關(guān)系 652.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管n由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果示于圖由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果示于圖2-192-19中。中。 圖2-19 對(duì)于擴(kuò)散的硅NP結(jié)二極管，在各種結(jié)深jx的情況下，單位面積電容C相對(duì)總結(jié)電壓V除以本底濃度BCN的關(guān)系 101310510410171016101510141032

54、 5 2 5 5 2 2 5 5 2 2 BCNV 4010NNBC 有效范圍：31053104pF/2 2 101310510410171016101510141032 5 2 5 5 5 2 2 5 5 2 2 BCNV 5010NNBC 有效范圍：31063105pF/2 2 2 5 （c） （d） 5 10jx 5 2 1 5 . 0 10jx 5 2 1 5 . 0 662.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管n例題例題 考慮在考慮在 的襯底上通過(guò)硼的兩步擴(kuò)散制成的的襯底上通過(guò)硼的兩步擴(kuò)散制成的 P-N結(jié)。硼的結(jié)。硼的表面濃度為表面濃度為

55、，結(jié)深為，結(jié)深為 。假設(shè)自建電勢(shì)為。假設(shè)自建電勢(shì)為 ，求在，求在 反偏壓下的反偏壓下的結(jié)電容。結(jié)電容。解：因?yàn)榻猓阂驗(yàn)?，以及，以及 所以有所以有 。 此外此外 利用圖利用圖2-19b2-19b求出求出 315102cmNd31810cmm5V8 . 0V5315102cmNBC318010cmN30102NNBC15150109 . 21028 . 5BCRNV324 10CpF cm672.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 根據(jù)根據(jù) 21002RdVNqkAC（2-7-32-7-3） 可見(jiàn)反向偏置的可見(jiàn)反向偏置的P-NP

56、-N結(jié)可以作為電容使用在結(jié)可以作為電容使用在LCLC調(diào)諧電路中。專門為此目的制調(diào)諧電路中。專門為此目的制造的二極管稱為變?nèi)荻O管。造的二極管稱為變?nèi)荻O管。 結(jié)型二極管的電容結(jié)型二極管的電容 電壓方程可寫(xiě)成電壓方程可寫(xiě)成 ：nRVCC00對(duì)于單邊突變結(jié)，對(duì)于單邊突變結(jié)， ，如式（，如式（2-7-32-7-3）中所表示。）中所表示。 21n682.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管n包括一個(gè)包括一個(gè)P-NP-N結(jié)電容的結(jié)電容的LCLC電路，其諧振頻率可表示為電路，其諧振頻率可表示為0201LCVLCnRr 在電路應(yīng)用中，總是希望在諧振頻率和控制電壓之

57、間有線性關(guān)系，也就在電路應(yīng)用中，總是希望在諧振頻率和控制電壓之間有線性關(guān)系，也就是說(shuō)，要求是說(shuō)，要求 。2n（2-7-132-7-13）692.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管n小結(jié)小結(jié)概念：耗盡層電容概念：耗盡層電容 ：PNPN結(jié)空間電荷隨偏壓變化引起的電容。結(jié)空間電荷隨偏壓變化引起的電容。 求雜質(zhì)分布求雜質(zhì)分布 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管給出了耗盡層電容公式。給出了耗盡層電容公式。給出了求雜質(zhì)分布的概念及求解程序。給出了求雜質(zhì)分布的概念及求解程序。介紹了使用圖表介紹了使用圖表2-192-19求電容的方法。求電容的方法。介紹了介紹了 變?nèi)荻O管的應(yīng)用

58、及其設(shè)計(jì)原則。變?nèi)荻O管的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)原則。 702.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析712.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析 器件處理連續(xù)波時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的性能叫做器件的器件處理連續(xù)波時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的性能叫做器件的頻率特性頻率特性。 處理數(shù)字信號(hào)和脈沖信號(hào)時(shí)，在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間往復(fù)躍變，躍變過(guò)程處理數(shù)字信號(hào)和脈沖信號(hào)時(shí)，在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間往復(fù)躍變，躍變過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的特性稱為表現(xiàn)出來(lái)的特性稱為開(kāi)關(guān)特性或瞬變特性開(kāi)關(guān)特性或瞬變特性。 在小信號(hào)工作時(shí)，信號(hào)電流與信號(hào)電壓之間滿足線性關(guān)系，從物理上說(shuō)，在小信號(hào)工作時(shí)，信號(hào)電流與信號(hào)電壓之間滿足線性關(guān)系，從物理上說(shuō)，就是器件內(nèi)部的載流子分布的變化跟

59、得上信號(hào)的變化就是器件內(nèi)部的載流子分布的變化跟得上信號(hào)的變化。tjaevV（2-8-12-8-1） 若外加交流信號(hào)電壓若外加交流信號(hào)電壓 ，則滿足小信號(hào)條件，則滿足小信號(hào)條件少子邊界條件少子邊界條件 N N型中性型中性區(qū)區(qū)空穴分布空穴分布寫(xiě)寫(xiě)作作 avTV j tnnapxpxp e（2-8-32-8-3）在在P-NP-N結(jié)邊緣結(jié)邊緣N N側(cè)側(cè) 處，由（處，由（2-2-122-2-12）式）式 nxx 0,Tv Vnnnpx tp e（2-8-72-8-7）722.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析 對(duì)于對(duì)于 1 1 得到得到 式中式中 TaVvtjannnnepxptxp1,（2-8-92

60、-8-9）TVVnnnepxp0（2-8-102-8-10）TVVTanaeVvpp01（2-8-112-8-11）少子的邊界條件為少子的邊界條件為: : xxxppnaa01732.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析n交流少子連連續(xù)性方程交流少子連連續(xù)性方程： 在在N N型中性區(qū)，把空穴分布型中性區(qū)，把空穴分布 （2-8-42-8-4）（2-8-52-8-5）代入代入連續(xù)連續(xù)性方程性方程 tjannepxptxp，pnnnpnptxpxtxpDttxp022，2220aapd ppdxL式中式中pppjLL1（2-8-62-8-6）得得742.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析n交流少子