半導(dǎo)體器件物理 第二章1-3

1、第二章第二章 P-NP-N結(jié)結(jié)半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 引言引言 PNPN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除金結(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)型器件都由屬半導(dǎo)體接觸器件外，所有結(jié)型器件都由PNPN結(jié)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)成。PNPN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。PNPN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PNPN結(jié)的物理原理結(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)。是學(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件物理的基礎(chǔ)。 由由P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)接觸（原型半導(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)叫做子級(jí)接觸）

2、所形成的結(jié)構(gòu)叫做PNPN結(jié)。結(jié)。 任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學(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(chēng)為結(jié)（稱(chēng)為結(jié)（junctionjunction）, ,有時(shí)也叫做接觸（有時(shí)也叫做接觸（contacontactct）. . 引言引言 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），由不同（如硅），由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)（如硅和鍺）。由同種（如硅和鍺）。由同種導(dǎo)電類(lèi)型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做導(dǎo)電類(lèi)型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同型結(jié)同型結(jié)（如（如P-P-硅和硅和P-P-型硅、型硅、P-P-硅和硅和P-P-型鍺），由不同種導(dǎo)電類(lèi)型的物質(zhì)型鍺），由不

3、同種導(dǎo)電類(lèi)型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做構(gòu)成的結(jié)叫做異型結(jié)異型結(jié)（如（如P-P-硅和硅和N-N-硅、硅、P-P-硅和硅和N N鍺）。因此鍺）。因此PNPN結(jié)有結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)、異型異型同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)和和異型異質(zhì)結(jié)異型異質(zhì)結(jié)之分。廣義地說(shuō)，金屬和半導(dǎo)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，把它們體接觸也是異質(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-SM-S結(jié)）。結(jié)）。 引言引言 70年代以來(lái)，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅平年代以來(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

4、技術(shù)：面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)： 1950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)發(fā)明的離子注入工藝。明的離子注入工藝。 1956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。 1960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。 1970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。正是光刻工藝的出現(xiàn)才使硅器件制發(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

5、技術(shù)時(shí)代，才有大規(guī)模集成電路造技術(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。和微電子學(xué)飛速發(fā)展的今天。 上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測(cè)試，封裝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。工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。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)向硅內(nèi)擴(kuò)散的年人們發(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)的出現(xiàn)。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)。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

6、）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；）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：熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。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。擴(kuò)散工藝：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擴(kuò)散工藝：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(chēng)為擴(kuò)散。處運(yùn)動(dòng)，使其趨于均勻的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象

7、稱(chēng)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、雙溫區(qū)銻固擴(kuò)散、雙溫區(qū)銻擴(kuò)散。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)散雜質(zhì)的液液態(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。在高溫下雜質(zhì)蒸汽態(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，雜質(zhì)原子通過(guò)硅片表面向內(nèi)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。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

8、，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，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。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，不需掩膜技術(shù)；）控

9、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)；（6）設(shè)備昂貴。）設(shè)備昂貴。外延工藝：外延工藝：外延是一種薄膜生長(zhǎng)工藝，外延生長(zhǎng)是在單晶襯外延是一種薄膜生長(zhǎng)工藝，外延生長(zhǎng)是在單晶襯底上沿晶體原來(lái)晶向向外延伸生長(zhǎng)一層薄膜單晶層。底上沿晶體原來(lái)晶向向外延伸生長(zhǎng)一層薄膜單晶層。外延工藝可以在一種單晶材料上生長(zhǎng)另一種單晶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。材料薄膜。外延工藝可以方便地形成不同導(dǎo)電類(lèi)型，不同雜質(zhì)濃度，外延工藝可以方便地形成不同導(dǎo)電類(lèi)型，不同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外延層。雜質(zhì)分布陡峭的外延層。外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外延外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外

10、延（MBE）、熱壁外延（）、熱壁外延（HWE）、原子層外延技術(shù)。）、原子層外延技術(shù)。光刻工藝：光刻工藝：光刻工藝是為實(shí)現(xiàn)選擇摻雜、形成金屬電極和布線(xiàn)，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(xiàn)，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(chēng)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)的照射后，光刻膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如果

11、光刻膠受光照（曝光）的區(qū)域在顯影時(shí)能夠除去，稱(chēng)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(chēng)之為正性膠；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(chēng)之為負(fù)性膠；光的膠被除去稱(chēng)之為負(fù)性膠； 引言引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過(guò)程 N Si N+ (a)拋光處理后的型硅晶片 N+ (b)采用干法或濕法氧化 工藝的晶片氧化層制作 光刻膠 N Si SiO2 N+ (c)光刻膠層勻膠及堅(jiān)膜 （d)圖形掩膜、曝光 光刻膠 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+ (e)曝光后去掉擴(kuò)散窗口膠膜的晶片（f)腐蝕SiO2后的

12、晶片 n Si光刻膠SiO2N+ N Si SiO2 N+ 引言引言 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+ 引言引言突變結(jié)與線(xiàn)性緩變結(jié) （a）突變結(jié)近似（實(shí)線(xiàn)）的窄擴(kuò)散結(jié)（虛線(xiàn)） NaNd0 x xj-axNaNd0 x Na-Nd xj（b）線(xiàn)性緩變結(jié)近似（實(shí)線(xiàn)）的深擴(kuò)散結(jié)（虛線(xiàn)）圖 2.2 引言引言0, ( ), ( )jajdxxN x

13、NxxN xN 突變結(jié)： 線(xiàn)性緩變結(jié)：在線(xiàn)性區(qū) ( )N xax 2.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)2.1 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）接觸后的能帶圖圖2-32.1 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2-3電場(chǎng) 定義為電勢(shì) 的負(fù)梯度電勢(shì)與電子勢(shì)能的關(guān)系為可以把電場(chǎng)表示為（一維）取 表示靜電勢(shì)。與此類(lèi)似，定義 為費(fèi)米勢(shì)。qEdx

14、ddxdEqi1qEiqEF于是式中 稱(chēng)為熱電勢(shì).在熱平衡情況下，費(fèi)米勢(shì)為常數(shù)，可以把它取為零基準(zhǔn)，于是 TViennTVienpTViennTVienpqKTVT非均勻的雜質(zhì)分布會(huì)在半導(dǎo)體中引起電場(chǎng)，稱(chēng)為自建電場(chǎng)。在熱平衡情況下，由 對(duì)于N型半導(dǎo)體，有對(duì)于P型半導(dǎo)體，有 TViennTVienpidTnNV lndxdNNVdxdddTiaTnNV lndxdNNVaaT2.1 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

15、、電場(chǎng)分布、電 勢(shì)分布 2.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)小結(jié)小結(jié) 名詞、術(shù)語(yǔ)和基本概念：名詞、術(shù)語(yǔ)和基本概念： PN結(jié)、突變結(jié)、線(xiàn)性緩變結(jié)、單邊突變結(jié)、空間電荷區(qū)、結(jié)、突變結(jié)、線(xiàn)性緩變結(jié)、單邊突變結(jié)、空間電荷區(qū)、 耗盡近似、中性區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、勢(shì)壘。耗盡近似、中性區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、勢(shì)壘。 分別采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋了分別采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋了PN結(jié)空間電荷區(qū)（結(jié)空間電荷區(qū)（SCR）的）的形成形成 。 介紹了熱平衡介紹了熱平衡PN 結(jié)的能帶圖（圖結(jié)的能帶圖（圖2.3a、b）及其畫(huà)法。）及其畫(huà)法。 利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出了空間電荷區(qū)

16、內(nèi)建電勢(shì)差公式利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出了空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差公式: 20lniadTpnnNNV2.12.1熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié) 小結(jié)小結(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 xk21002dnqNkxW2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié)2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 2.2.12.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖加偏壓的結(jié)的能帶圖 b + V Vq0 F

17、pE 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WW2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 2.2.1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2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 注入注入P

18、 P+ +-N-N結(jié)的結(jié)的N N側(cè)的空穴及其所造成的電子分側(cè)的空穴及其所造成的電子分布布 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 312100Dcmn xnqD x np 5010np 312100Dcmp xpqD 2.2 加偏壓的 P-N 結(jié) 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

19、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 2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 小結(jié) 名詞、術(shù)語(yǔ)和基本概念：名詞、術(shù)語(yǔ)和基本概念： 正向注入、反向抽取、擴(kuò)散近似、擴(kuò)散區(qū)正向注入、反向抽取、擴(kuò)散近似、擴(kuò)散區(qū) 介紹了加偏壓介紹了加偏壓PN結(jié)能帶圖及其畫(huà)法結(jié)能帶圖及其畫(huà)法 根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕焊鶕?jù)能帶圖和修正歐姆定律分析了結(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

20、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)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)從電荷區(qū)兩側(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 逐漸下降逐漸下降到到 的區(qū)域。的區(qū)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)（以上分析就是畫(huà)側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)（以上分析就是畫(huà)

21、能帶圖的根據(jù)）。能帶圖的根據(jù)）。 FEFPEFPEFPEFEFNEFEENEENEFNEFPE2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 小結(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)， 不等于常不等于常數(shù)數(shù)，根據(jù)修正，根據(jù)修正歐歐姆定律必有姆定律必有電電流流產(chǎn)產(chǎn)生，由于生，由于 ，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)邊界注入的非平衡少子界注入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

22、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

23、和。和。FE0 xEFxx)(RVPqxpxP)()(FEPqxpxP)()(RV2.2 加偏壓的 P-N 結(jié) 小結(jié) 根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕焊鶕?jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析了結(jié)的單向?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

24、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 000021002dRqNVkW2.2 加偏壓的 P-N 結(jié) 小結(jié)小結(jié) 根據(jù)根據(jù) 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： 和和 在注入載流子的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿(mǎn)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(mǎn)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(chēng)為擴(kuò)散近似。于

25、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(chēng)為擴(kuò)散近似。于是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿(mǎn)足擴(kuò)散方程是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿(mǎn)足擴(kuò)散方程 20lniadTpnnNNVTVVppenn0TVVnnepp02.3 2.3 理想理想P-NP-N結(jié)的直流電流結(jié)的直流電流- -電壓特性電壓特性突變結(jié)的雜質(zhì)分布突變結(jié)的雜質(zhì)分布N區(qū)有均勻施主雜質(zhì)，濃度為區(qū)有均勻施主雜質(zhì)，濃度為ND，P區(qū)有均勻受主雜質(zhì)，濃度為區(qū)有均勻受主雜質(zhì)，濃度為NA。勢(shì)壘區(qū)的正負(fù)空間電荷區(qū)的寬度分別為勢(shì)壘區(qū)的正負(fù)空間電荷區(qū)的寬度分別為xn和和-xp。同樣取同樣取x=0處為交界面，如下圖所示，處為交界面，如下圖所示，突變結(jié)的電荷分布突變結(jié)的電荷分布勢(shì)壘區(qū)

26、的電荷密度為勢(shì)壘區(qū)的電荷密度為整個(gè)半導(dǎo)體滿(mǎn)足電中性條件，整個(gè)半導(dǎo)體滿(mǎn)足電中性條件，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正負(fù)電荷總量相等勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正負(fù)電荷總量相等NAxp=NDxnNAxp=NDxn表明：表明： 勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正負(fù)空間電荷區(qū)的寬度和該區(qū)的雜勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正負(fù)空間電荷區(qū)的寬度和該區(qū)的雜質(zhì)濃度成反比。質(zhì)濃度成反比。 雜質(zhì)濃度高的一邊寬度小，雜質(zhì)濃度低的一雜質(zhì)濃度高的一邊寬度小，雜質(zhì)濃度低的一邊寬度大。邊寬度大。 例如，若例如，若NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，則則xp比比xn大大100倍。倍。 所以勢(shì)壘區(qū)主要向雜質(zhì)濃度低的一邊擴(kuò)散。所以勢(shì)壘區(qū)主要向雜質(zhì)濃度低的一邊擴(kuò)散。突變結(jié)的電場(chǎng)分布突變結(jié)的電場(chǎng)分布在平衡突

27、變結(jié)勢(shì)壘區(qū)中，電場(chǎng)強(qiáng)度是位置在平衡突變結(jié)勢(shì)壘區(qū)中，電場(chǎng)強(qiáng)度是位置x的線(xiàn)性函數(shù)。的線(xiàn)性函數(shù)。電場(chǎng)方向沿電場(chǎng)方向沿x負(fù)方向，從負(fù)方向，從N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)。區(qū)。在在x=0處，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值處，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值突變結(jié)的電勢(shì)分布突變結(jié)的電勢(shì)分布電勢(shì)分布是拋物線(xiàn)形式的電勢(shì)分布是拋物線(xiàn)形式的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 突變結(jié)的電勢(shì)能（能帶圖）突變結(jié)的電勢(shì)能（能帶圖）因?yàn)橐驗(yàn)閂(x)表示點(diǎn)表示點(diǎn)x處的電勢(shì)，而處的電勢(shì)，而-q

28、V(x)則表示電子在則表示電子在x點(diǎn)的點(diǎn)的電勢(shì)能，因此電勢(shì)能，因此P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)的能帶如圖所示。結(jié)勢(shì)壘區(qū)的能帶如圖所示?？梢?jiàn)，勢(shì)壘區(qū)中能帶變化趨勢(shì)與電勢(shì)變化趨勢(shì)相反?？梢?jiàn)，勢(shì)壘區(qū)中能帶變化趨勢(shì)與電勢(shì)變化趨勢(shì)相反。 注入注入P P+ +-N-N結(jié)的結(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2-6 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 312100Dcmn xnqD x np 5010np 312100Dcmp xpqD 在正向偏壓一定時(shí)，在在正向偏壓一定時(shí)，在x xp p處就有一不變的向處就有一不變的向P P區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的電子擴(kuò)散流

29、。區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的電子擴(kuò)散流。 同理，在邊界同理，在邊界x xn n處也有一不變的向處也有一不變的向N N區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的空穴擴(kuò)散流。區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的空穴擴(kuò)散流。非平衡少子邊擴(kuò)散邊與非平衡少子邊擴(kuò)散邊與P P區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散長(zhǎng)度的距離后，全部被復(fù)合。區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散長(zhǎng)度的距離后，全部被復(fù)合。這一段區(qū)域稱(chēng)為擴(kuò)散區(qū)。這一段區(qū)域稱(chēng)為擴(kuò)散區(qū)。2.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性 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

30、nI nI nx px （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 勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減弱，破壞了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡，所以在加勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減弱，破壞了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡，所以在加正向偏壓時(shí)，產(chǎn)生了電子從正向偏壓時(shí)，產(chǎn)生了電子從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)以及空穴從區(qū)以及空穴從P區(qū)到區(qū)到N區(qū)的凈擴(kuò)散電流。區(qū)的凈擴(kuò)散電流。 電子通過(guò)勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散入電子通過(guò)勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散入P區(qū)，在邊界區(qū)，在邊界xp處形成電子的積累，成為處形成電子的積累，成為P區(qū)的非平衡少數(shù)區(qū)的非平衡少數(shù)載流子，結(jié)果使載流子，結(jié)果使xp處電子濃度比處電子濃度比P區(qū)內(nèi)部高，形成了從區(qū)內(nèi)部高，形成了從xp處向處

31、向P區(qū)內(nèi)部的電子擴(kuò)散流。區(qū)內(nèi)部的電子擴(kuò)散流。 反向偏壓情況下的的反向偏壓情況下的的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) 練習(xí)1. 當(dāng)P-N結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)，外加電壓形成的電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)_（相反/一致），導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)總的電場(chǎng)強(qiáng)度_（增強(qiáng)/減弱），這說(shuō)明空間電荷數(shù)量_（增多/減少），也就意味著勢(shì)壘區(qū)寬度_（增大/

32、減小），勢(shì)壘高度_（增大/減?。?。此時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)_（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成_（凈擴(kuò)散/凈漂移），以致勢(shì)壘區(qū)邊界載流子濃度_（大于/小于）該區(qū)內(nèi)部，從而在區(qū)形成_（從區(qū)勢(shì)壘邊界向區(qū)內(nèi)部從區(qū)內(nèi)部向區(qū)勢(shì)壘邊界）的_（電子空穴）的_（擴(kuò)散漂移），在區(qū)形成_（從區(qū)勢(shì)壘邊界向區(qū)內(nèi)部從區(qū)內(nèi)部向區(qū)勢(shì)壘邊界）的_（電子空穴）的_（擴(kuò)散漂移）。2. 當(dāng)P-N結(jié)外加反向偏置電壓時(shí)，外加電壓形成的電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)_（相反/一致），導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)總的電場(chǎng)強(qiáng)度_（增強(qiáng)/減弱），這說(shuō)明空間電荷數(shù)量_（增多/減少），也就意味著勢(shì)壘區(qū)寬度_（增大/減?。?，勢(shì)壘高度_（增大/減小）。此時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的變

33、化導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)_（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成_（凈擴(kuò)散/凈漂移），以致勢(shì)壘區(qū)邊界載流子濃度_（大于/小于）該區(qū)內(nèi)部，從而在區(qū)形成_（從區(qū)勢(shì)壘邊界向區(qū)內(nèi)部從區(qū)內(nèi)部向區(qū)勢(shì)壘邊界）的_（電子空穴）的_（擴(kuò)散漂移），在區(qū)形成_（從區(qū)勢(shì)壘邊界向區(qū)內(nèi)部從區(qū)內(nèi)部向區(qū)勢(shì)壘邊界）的_（電子空穴）的_（擴(kuò)散漂移）。PNPN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） （2-3-17）（3） （2-3-20（4） （2-3-19） npnpnpLnqADLpqADI00020ianndppnNLDNLDqAIKTEanndppVCgeNLDNLDNqANI0nnppp

34、nLnLpqAI000 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） vV mAI 0.6 5 10 0I P-N結(jié)中總的反向電流等于勢(shì)壘區(qū)邊界結(jié)中總的反向電流等于勢(shì)壘區(qū)邊界xn和和xp附近的少數(shù)載流子擴(kuò)散電流之和。附近的少數(shù)載流子擴(kuò)散電流之和。 因?yàn)樯僮訚舛群艿?，而擴(kuò)散長(zhǎng)度基本沒(méi)變因?yàn)樯僮訚舛群艿?，而擴(kuò)散長(zhǎng)度基本沒(méi)變化，所以反向偏壓時(shí)少子的濃度梯度也較??；化，所以反向偏壓時(shí)少子的濃度梯度也較??；當(dāng)反向電壓很大時(shí)，邊界處的少子可以認(rèn)為是當(dāng)反向電壓很大時(shí)，邊界處的少子可以認(rèn)為是零。這時(shí)少子的濃度梯度不再隨電壓變化，因零。這時(shí)少子的濃度梯度不再隨電壓變化，因此擴(kuò)散電流也不隨電壓變化，所以在反向偏壓此擴(kuò)散電流也不隨電壓變化，所以在反向偏壓下，下，P-