半導(dǎo)體物理 第六章

1、半導(dǎo)體物理 第六章第1頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二1 p-n結(jié)與能帶 p-n結(jié)形成和雜質(zhì)分布p-n結(jié)形成和類型p-n結(jié)形成方法：一塊n型(或P型)半導(dǎo)體單晶體上，利用合金法擴(kuò)散法生長(zhǎng)法離子注入法 等適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ò裀型(或n型)雜質(zhì)摻入其中，使單晶體不同區(qū)域分別具有n型和p型的導(dǎo)電類型，在二者的交界面處就形成了p-n結(jié) 第2頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二擴(kuò)散法合金法第3頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二1 p-n結(jié)與能帶 p-n結(jié)類型：按雜質(zhì)分布一般可以歸納為突變結(jié)和線性緩變結(jié)： 突變結(jié) 實(shí)際上的合金突變結(jié)

2、兩邊的載流子濃度有數(shù)量級(jí)差別，稱之為單邊突變結(jié)。表示方法P+-NN+-P第4頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二緩變結(jié)雜質(zhì)分布緩變結(jié)線性緩變結(jié)第5頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二線性緩變結(jié)近似突變結(jié)近似-高表面濃度淺擴(kuò)散結(jié)表示方法P+-NN+-P第6頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二空間電荷區(qū)單獨(dú)的n和p型半導(dǎo)體是電中性的。產(chǎn)生原因當(dāng)這兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成p-n結(jié)時(shí)，由于它們之間存在載流子濃度梯度，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(yùn)動(dòng)。界面附近p區(qū)留下了不可動(dòng)的帶負(fù)電荷的電離受主，而n區(qū)一例出現(xiàn)了電離施主

3、構(gòu)成的一個(gè)正電荷區(qū)，通常就把在p-n結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所構(gòu)成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)第7頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)中的電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)。內(nèi)建電場(chǎng)作用載流子作漂移運(yùn)動(dòng)。因電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。因此，內(nèi)建電場(chǎng)起阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作用。 E內(nèi)第8頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二載流子的擴(kuò)散和漂移最終將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，無外加電壓的情況下，電子和空穴的擴(kuò)散電流和漂移電流的大小相等、方向相反而互相抵消。沒有電流流過pn結(jié)。這時(shí)空間

4、電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)保持一定的寬度其中存在一定的內(nèi)建電場(chǎng)。一般稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)(簡(jiǎn)稱為平衡p-n結(jié))。第9頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二平衡p-n結(jié)費(fèi)米能級(jí)一致第10頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二載流子的擴(kuò)散和漂移最終將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡平衡p-n結(jié)費(fèi)米能級(jí)一致第11頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧平衡態(tài)載流子濃度當(dāng)然, 類似地第12頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二熱平衡態(tài)下無凈電流通過p-n結(jié)：電子電流：平衡下電子密度電子密度隨位置變化考慮愛因斯坦關(guān)系本征

5、費(fèi)米能級(jí)變化和電子電勢(shì)一致：第13頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第14頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二所以平衡態(tài)下各處費(fèi)米能級(jí)相同；顯示出電子電流和電子密度與費(fèi)米能級(jí)隨位置的梯度成反比；在電子電流密度一定時(shí)，電子密度大的地方，費(fèi)米能級(jí)隨地點(diǎn)變化率小，電子密度小地方費(fèi)米能級(jí)隨地點(diǎn)變化率大。同理 平衡態(tài)第15頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二勢(shì)壘區(qū)第16頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二接觸電勢(shì)差平衡p-n結(jié)的空間電荷區(qū)兩端電勢(shì)差VD，稱為p-n結(jié)接觸電勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)差。相應(yīng)的電子電勢(shì)能之

6、差即能帶的彎曲量qVD稱為p-n結(jié)的勢(shì)壘高度。勢(shì)壘高度正好補(bǔ)償了n和p區(qū)費(fèi)米能級(jí)之差： 第17頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二取n0和p0分別表示n和p區(qū)的平衡電子濃度，則對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：因 VD和p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度和禁帶寬度相關(guān) 第18頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第19頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二 平衡p-n結(jié)中載流子分布 電子分布規(guī)律：在x處能量dE范圍內(nèi)電子數(shù)：取p區(qū)電子勢(shì)能為零Ecp=0，n區(qū)電子勢(shì)能為Ecn=qVD。勢(shì)壘區(qū)內(nèi)任一處x的內(nèi)建電勢(shì)V(x)和位置相關(guān)，電子勢(shì)能為Ec(x)=

7、qV(x)，計(jì)算出電子濃度分布：第20頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二采用變量代換：Z=(E-E(x)/ k0T，第21頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二 平衡p-n中載流子分布 同樣得到空穴濃度分布： 第22頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二載流子在勢(shì)壘區(qū)兩邊的濃度關(guān)系服從玻爾茲曼分布函數(shù)關(guān)系第23頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二根據(jù)電子濃度表達(dá)式： x=xn ， V(x)=VD， ，即n區(qū)多子濃度。 x=xp，V(x)=0，有 為p區(qū)少子平衡濃度根據(jù)空穴濃度表達(dá)式在x=xn， ，n區(qū)

8、平衡少子濃度x=xp，為p區(qū)多子平衡濃度第24頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二耗盡層近似：一般情況下，勢(shì)壘區(qū)雜質(zhì)全部電離，但勢(shì)壘區(qū)載流子的濃度遠(yuǎn)小于平衡態(tài)n區(qū)和p區(qū)多子濃度，認(rèn)為載流子耗盡，空間電荷區(qū)的電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度。設(shè)勢(shì)壘區(qū)電勢(shì)比n區(qū)導(dǎo)帶高0.1eV,設(shè)勢(shì)壘區(qū)高度0.7eV,該處空穴濃度為第25頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第26頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二2 p-n結(jié)的電流電壓特性 非平衡下的p-n結(jié) 平衡下沒有凈電流通過p-n結(jié),每一種載流子的擴(kuò)散和漂移電流互相抵消，p-n結(jié)中費(fèi)米能級(jí)處

9、處相等。當(dāng)p-n結(jié)兩端有外加電壓時(shí)，p-n結(jié)處于非平衡狀態(tài)。 第27頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二2 p-n結(jié)的電流電壓特性 外加正向偏壓(即p區(qū)接電源正極n區(qū)接負(fù)極) 外加正向偏壓基本降落在勢(shì)壘區(qū): 因勢(shì)壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很??；正向電壓減弱勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)，破壞原載流子擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)之間平衡，削弱了漂移運(yùn)動(dòng)，使擴(kuò)散流大于漂移流。 電子從n區(qū)向p區(qū)以及空穴從p區(qū)向n區(qū)的凈擴(kuò)散流。第28頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二2 p-n結(jié)的電流電壓特性 非平衡下的p-n結(jié) 電子在邊界-xp處形成高濃度電子的積累成為p區(qū)的非平衡少數(shù)載流子，形成了邊界向p區(qū)

10、內(nèi)部的電子擴(kuò)散流，邊擴(kuò)散邊與空穴復(fù)合，經(jīng)若干倍擴(kuò)散長(zhǎng)度后全部被復(fù)合，此區(qū)域?yàn)閿U(kuò)散區(qū)。正向偏壓一定時(shí)，此處有穩(wěn)定的電子擴(kuò)散流。同理，在邊界xn處也有一不變的向n區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的空穴擴(kuò)散流。 正向偏壓增時(shí)，勢(shì)壘降得更低，流入p區(qū)的電子流和注入n區(qū)的空穴流增大，外加正向偏壓使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程稱為非平衡載流子的電注入。第29頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二正向偏壓在勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，減弱勢(shì)壘區(qū)中的場(chǎng)強(qiáng)，空間電荷相應(yīng)減少。故勢(shì)壘區(qū)的寬度也減小，同時(shí)勢(shì)壘高度下降為： q(VD-V ）第30頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二

11、p-n結(jié)任一截面處通過的電子流和空穴流并不相等，由電流連續(xù)性原理通過p-n結(jié)的總電流是相等的（勢(shì)壘區(qū)載流子的復(fù)合不計(jì)） ，只是對(duì)于不同的截面，電子流和空穴流的比例不同。*通過p-n結(jié)的總電流，為兩端少子擴(kuò)散電流之和。第31頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二p-n結(jié)加反向偏壓(V0) 反向偏壓增強(qiáng)勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)，勢(shì)壘區(qū)變寬，勢(shì)壘高度高為q(VD-V), 漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)漂移流大于擴(kuò)散流。這時(shí)n區(qū)邊界xn處的空穴被勢(shì)壘區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)向p區(qū)，而p區(qū)邊界處的電子被驅(qū)向n區(qū)。邊界附近的少數(shù)載流子被電場(chǎng)驅(qū)走后，內(nèi)部的少子就來補(bǔ)充，形成了反向偏壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流-少數(shù)載流子的

12、抽取或吸出。E內(nèi)E外xPxn第32頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二p-n結(jié)加反向偏壓(V0, exp(qV/k0T)0, 則n區(qū)空穴分布： 在x=xn處，pn(x)pn0，pn(x) 0； 在n區(qū)內(nèi)部 xLp，pn(x)=pn0。 反向偏壓下的p-n費(fèi)米能級(jí)第45頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第46頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二小注入時(shí)擴(kuò)散區(qū)中不存在電場(chǎng)在結(jié)區(qū)兩端少子擴(kuò)散電流密度為 假設(shè)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的復(fù)合產(chǎn)生作用可以忽略，通過p-n結(jié)的總電流密度J為 其中理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程式稱為肖克萊方程式。第47

13、頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二可看出： 1）偏壓一定，總電流密度一定。 2）單向?qū)щ娦裕涸谡蚱珘合码娏髅芏入S正向偏壓呈指數(shù)關(guān)系迅速增大。因qV koT， J Jsexp(qV /koT) , 電流隨正向偏壓呈指數(shù)增大 2）在反向偏壓下, VPn0因?yàn)榍懊媲蟪鏊缘?4頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二對(duì)p+-n結(jié)加正向偏壓時(shí)，電流電壓關(guān)系可表為： 其中m在12之間變化，隨外加正向偏壓而定。在很低的正向偏壓下，m2，勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流起主要作用；正向偏壓較大時(shí)，m1，擴(kuò)散電流起主要作用，大注入時(shí)m2，這時(shí)一部分正向電壓降落在空穴擴(kuò)散區(qū)的結(jié)果

14、。 第65頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二串聯(lián)電阻效應(yīng)：在大電流時(shí)，還必須考慮體電阻上的電壓降，這樣勢(shì)壘區(qū)上的電壓降就更小，正向電流增加更緩慢。 第66頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第67頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問1 PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)是從P取指向N區(qū)還是N區(qū)指向P區(qū)?2 PN結(jié)兩端哪端電子電勢(shì)能高?3 外加電壓時(shí)候,PN結(jié)兩端準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)差與外加電壓的關(guān)系如何?第68頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問E內(nèi)E外xPxn x=xn, x=xp處 EfnEFp=qV 正向

15、偏壓下的p-n費(fèi)米能級(jí)第69頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問3若若第70頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問3第71頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問4 簡(jiǎn)述理想PN結(jié)電流電壓方程的推導(dǎo)思路第72頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問4 簡(jiǎn)述理想PN結(jié)電流電壓方程的推導(dǎo)思路1)求解邊界條件-XN 和XP處的載流子濃度, 而體內(nèi)非平衡載流子濃度已知。2）利用連續(xù)性方程，解出載流子在擴(kuò)散區(qū)的分布。3）依據(jù)載流子在擴(kuò)散區(qū)的分布方程，計(jì)算XN 和XP處電流密度。4）考慮兩

16、部分?jǐn)U散電流密度之和，既得到流過PN結(jié)的電流密度。第73頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問 簡(jiǎn)述理想PN結(jié)電流電壓方程的推導(dǎo)思路4)總電流3）擴(kuò)散電流2）連續(xù)性方程1）邊界條件-玻耳茲曼邊界條件而在體內(nèi),載流子濃度等于平衡狀態(tài)載流子濃度-XPXN第74頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問5 當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，應(yīng)考慮-（ ）電流，反偏時(shí)，應(yīng)考慮（ ）電流。填寫產(chǎn)生或復(fù)合。6 說明大注入條件下擴(kuò)散區(qū)的特點(diǎn)。第75頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二回顧提問EVP第76頁，共140頁，2022年，5月20日，17

17、點(diǎn)37分，星期二3 p-n結(jié)的電容特性 電容來源勢(shì)壘電容： 勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)隨p-n結(jié)外加正偏壓變化，即空間電荷數(shù)產(chǎn)生變化，因?yàn)榭臻g電荷是由不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子組成的，所以空間電荷的變化主要在于載流子數(shù)量變化。在外加正向偏壓增加時(shí)，將有一部分電子和空穴“存入”勢(shì)壘區(qū)。反之，當(dāng)正向偏壓減少時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘區(qū)寬度增加空間電荷數(shù)量增多，這就是有一部分電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)中“取出”。對(duì)于加反向偏壓的情況，可作類似分析?？傊?，p-n結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這種電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容。用CT表示。第77頁，共140頁，

18、2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二3 p-n結(jié)的電容特性 電容來源擴(kuò)散電容： 正向偏壓時(shí)，有空穴從p區(qū)注入n區(qū)，于是在n區(qū)邊界擴(kuò)散區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)，便形成了非平衡空穴和電子的積累，同樣在p區(qū)也有非平衡電子空穴的積累。當(dāng)正向偏壓增加時(shí)，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，所以外加電壓變化時(shí)，n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴也變化；同樣， p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子也要隨外加電壓變化。這種由于擴(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p-n結(jié)的擴(kuò)散電容。用符號(hào)CD表示第78頁，共140頁，2022年，5月20日

19、，17點(diǎn)37分，星期二當(dāng)P-N結(jié)在一個(gè)固定直流偏壓V的作用下，迭加一個(gè)微小的交流電壓dv，在這個(gè)微小電壓dv所引起的電荷變化dQ稱這個(gè)直流偏壓下的微分電容PN結(jié)的直流偏壓不同，微分電容也不同。第79頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二突變結(jié)勢(shì)壘電容突變結(jié)勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)、電勢(shì)分布：p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)耗盡層近似，勢(shì)壘區(qū)為雜質(zhì)全部電離，空間電荷區(qū)由電離雜質(zhì)組成，n區(qū)有均勻施主雜質(zhì)濃度NA，p區(qū)有均勻受主雜質(zhì)濃度ND?？臻g電荷密度勢(shì)壘區(qū)寬度電荷總量 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，雜質(zhì)濃度高的一邊寬度小，雜質(zhì)濃度低的一邊寬度大，勢(shì)壘區(qū)寬度主要向雜質(zhì)濃度低的一邊擴(kuò)

20、展。第80頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第81頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二突變結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的泊松方程為積分一次，得第82頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二根據(jù)勢(shì)壘邊界處電場(chǎng)為零條件，得電場(chǎng)強(qiáng)度在勢(shì)壘中心達(dá)到最大 第83頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二電勢(shì)分布函數(shù)（由電場(chǎng)方程的積分得到，考慮到平衡條件下 V(-xp)=0, V(xn)=VD,以及中心處電勢(shì)連續(xù)性 ）突變結(jié)的勢(shì)壘寬度xD ：利用在勢(shì)壘中心電勢(shì)連續(xù)性可得 由 , 第84頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分

21、，星期二因?yàn)槎缘?5頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二有外加偏壓時(shí)單位面積電容為 對(duì)單邊突變結(jié)pn，pn結(jié)來說，接觸電勢(shì)差VD隨著低摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的增加而升高；而單邊突變結(jié)的勢(shì)壘寬度隨輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度增大而下降。勢(shì)壘區(qū)幾乎全部在輕摻雜的一邊，因而能帶彎曲主要發(fā)生于這一區(qū)域。則pn電容可簡(jiǎn)化為： 第86頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第87頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二若PN結(jié)面積為A, 顯示與平行板電容一致, 但是一個(gè)隨外加電壓而變化的非線性電容第88頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)3

22、7分，星期二突變結(jié)的特點(diǎn)： 突變結(jié)的勢(shì)壘電容和結(jié)的面積以及輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的平方根成正比，因此減小結(jié)面積以及降低輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度是減小結(jié)電容的途徑；突變結(jié)勢(shì)壘電容和電壓的平方根成反比，反向偏壓越大，則勢(shì)壘電容越小，若外加電壓隨時(shí)間變化，則勢(shì)壘電容也隨時(shí)間而變，可利用這一特性制作變?nèi)萜骷?。此結(jié)論在半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中有重要的實(shí)際意義。第89頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二注意：電容表達(dá)式導(dǎo)出利用了耗盡層近似，這對(duì)于加反向偏壓時(shí)是適用的。然而當(dāng)p-n結(jié)加正向偏壓時(shí)，一方面降低了勢(shì)壘高度，使勢(shì)壘區(qū)變窄，空間電荷數(shù)量減少，所以電容比加反向偏壓時(shí)大；另一方面，使大

23、量載流子流過勢(shì)壘區(qū)，它們對(duì)勢(shì)壘電容也有貢獻(xiàn)。因考慮這一因素，這些公式就不適用于正向偏情況下的電容計(jì)算。一般正向偏壓時(shí)的勢(shì)壘電容近似計(jì)算：第90頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第91頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二線性緩變結(jié)電容 線性緩變結(jié)概念：對(duì)于較深的擴(kuò)散結(jié)，在結(jié)附近其電荷分布為線性，可以近似作為線性緩變結(jié)。線性緩變結(jié)電容也采用耗盡層近似，則勢(shì)壘區(qū)的空間電荷密度為：電勢(shì)分布表達(dá)式：解泊松方程，利用結(jié)邊界電場(chǎng)為零，設(shè)結(jié)中心處電勢(shì)為零條件 外加電場(chǎng)時(shí)： 第92頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二單位截面電容的電荷量：

24、 單位面積電容 線性緩變結(jié)特點(diǎn)：勢(shì)壘電容和結(jié)面積及雜質(zhì)濃度梯度的立方根成正比，因此減小結(jié)面積和降低雜質(zhì)濃度梯度有利于減小勢(shì)壘電容；勢(shì)壘電容和電壓的立方根成反比，增大反向電壓，電容減小。勢(shì)壘電容和電壓關(guān)系，可用來測(cè)定雜質(zhì)濃度及梯度分布。第93頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二緩變結(jié)電荷、電場(chǎng)、電勢(shì)、電勢(shì)能分布圖 第94頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二擴(kuò)散電容概念p-n結(jié)加正向偏壓時(shí)，由于少子的注入，在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)有一定數(shù)量的少子和等量的多子的積累，而且它們的濃度隨正向偏壓的變化而變化，從而形成了擴(kuò)散電容。擴(kuò)散電容計(jì)算注入到n和p區(qū)非平衡少子濃度分

25、別為：第95頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積分得到擴(kuò)散區(qū)電荷積累量：?jiǎn)挝幻娣e擴(kuò)散電容 單位截面積總的擴(kuò)散電容為 第96頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二擴(kuò)散電容特點(diǎn)這里用的濃度分布是穩(wěn)態(tài)公式，所以應(yīng)用于低頻情況，擴(kuò)散電容隨頻率的增加而減小。擴(kuò)散電容隨正向偏壓按指數(shù)關(guān)系增加，所以在大的正向偏壓時(shí)，擴(kuò)散電容便起主要作用。對(duì)單邊突變結(jié)如p-n而言， np0pn0, CCDn第97頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二4. p-n結(jié)擊穿 概念 實(shí)驗(yàn)顯示，對(duì)p-n結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值VBR時(shí)，反向電流密度突然

26、開始迅速增大的現(xiàn)象稱為p-n結(jié)擊穿。發(fā)生擊穿時(shí)的反向偏壓稱為p-n結(jié)的擊穿電壓。擊穿現(xiàn)象中，電流增大的基本原因不是由于遷移率的增大，而是由于載流子數(shù)目的增加。p-n結(jié)擊穿機(jī)理：雪崩擊穿、隧道擊穿和熱電擊穿第98頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二雪崩擊穿 在反向偏壓下，流過p-n結(jié)的反向電流，主要是由p區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的電子電流和由n區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的空穴電流所組成。反向偏壓很大時(shí)，勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)很強(qiáng)，在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴由于受到強(qiáng)電場(chǎng)的漂移作用，具有很大的動(dòng)能，它們與勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時(shí)，能把價(jià)帶上的電子碰撞出來，成為導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。從能帶觀點(diǎn)來

27、看，就是高能量的電子和空穴把滿帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了電子空穴對(duì)。第99頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二雪崩擊穿 載流子(電子和空穴)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，向相反的方向運(yùn)動(dòng)，還會(huì)繼續(xù)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生第三代的電子空穴對(duì)。如此繼續(xù)下去，載流子就大量增加，這種繁殖載流于的方式稱為載流子的倍增效應(yīng)。由于倍增效應(yīng)，使勢(shì)壘區(qū)單位時(shí)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p-n結(jié)擊穿。這就是雪崩擊穿的機(jī)理。 第100頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二第101頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二隧道擊穿(齊納擊穿) 概念：隧道擊

28、穿是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價(jià)帶穿過禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶引起的一種擊穿現(xiàn)象。因?yàn)槭怯升R納提出來解釋電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象的，故叫齊納擊穿。機(jī)理p-n結(jié)加反向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)能帶發(fā)生傾斜；反向偏壓越大，勢(shì)壘越高，內(nèi)建電場(chǎng)也超強(qiáng)，勢(shì)壘區(qū)能帶也越加傾斜，甚至可以使n區(qū)的導(dǎo)帶底比p區(qū)的價(jià)帶頂還低。內(nèi)建電場(chǎng)E使p區(qū)的價(jià)帶電子得到附加勢(shì)能qEx；第102頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二當(dāng)內(nèi)建電場(chǎng)E大到某值以后，p區(qū)價(jià)帶中的部分電子所得到的附加勢(shì)能qEx可以大于禁帶寬度Eg。隨著反向偏壓的增大，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)增強(qiáng)，能帶更加傾斜，相同能量的p區(qū)的價(jià)帶電子和n區(qū)的導(dǎo)帶上電子水平距離

29、x將變得更短。當(dāng)反向偏壓達(dá)到一定數(shù)值，x短到一定程度時(shí)，量子力學(xué)證明p區(qū)價(jià)帶中的電子將通過隧道效應(yīng)穿過禁帶而到達(dá)n區(qū)導(dǎo)帶中。第103頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二隧道幾率是： 式中E(x)表示點(diǎn)x處的勢(shì)壘高度，E為電子能量,x1及x2為勢(shì)壘區(qū)的邊界。電子隧道穿過的勢(shì)壘可看成為三角形勢(shì)壘。一定的半導(dǎo)體材料勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)愈大，或隧道長(zhǎng)度x愈短，則電子穿過隧道的幾率愈大。當(dāng)電場(chǎng)E大到或x短到一定程度時(shí)，將使p區(qū)價(jià)帶中大量的電子隧道穿過勢(shì)壘到達(dá)n區(qū)導(dǎo)帶中去，使反向電流急劇增大，于是p-n結(jié)就發(fā)生隧道擊穿。這時(shí)外加的反向電壓即為隧道擊穿電壓(或齊納擊穿電壓)。 第104頁，

30、共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二勢(shì)壘區(qū)導(dǎo)帶底斜率 而這個(gè)斜率也可以表示為所以其中第105頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二在雜質(zhì)濃度較低，反向偏壓大時(shí)，勢(shì)壘寬度增大，隧道長(zhǎng)度會(huì)變長(zhǎng)，不利于隧道擊穿，但是卻有利于雪崩倍增效應(yīng)，所以在一般雜質(zhì)濃度下，雪崩擊穿機(jī)構(gòu)是主要的。而雜質(zhì)濃度高時(shí)，反向偏壓不高的情況下就能發(fā)生隧道擊穿，所以在重?fù)诫s的情況下，隧道擊穿機(jī)構(gòu)變?yōu)橹饕?。?06頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二熱電擊穿 當(dāng)p-n結(jié)上施加反向電壓時(shí)，流過p-n結(jié)的反向電流要引起熱損耗。反向電壓逐漸增大反向飽和電流密度隨溫度按

31、指數(shù)規(guī)律上升，上升速度很快。因此，隨著結(jié)溫的上升，反向飽和電流密度也迅速上升，產(chǎn)生的熱能也迅速增大，進(jìn)而又導(dǎo)致結(jié)溫上升，反向飽和流密度進(jìn)一步增大。如此反復(fù)循環(huán)下去，最后使Js無限增長(zhǎng)而發(fā)生擊穿。這種由于熱不穩(wěn)定性引起的擊穿，稱為熱電擊穿。窄禁帶寬度半導(dǎo)體在室溫下出現(xiàn)熱電擊穿。第107頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二5. p-n結(jié)隧道效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩邊都是重?fù)诫s的p-n結(jié)的電流電壓持性如圖所示，正向電流開始就隨正向電壓的增加而迅速上升達(dá)到一個(gè)極大值IP稱為蜂值電流，對(duì)應(yīng)的正向電壓VP，稱為峰值電壓。隨后電壓增加，電流反而減小，達(dá)到一極小值Iv，稱為谷值電

32、流，對(duì)應(yīng)的電壓Vv。稱為谷值電壓。當(dāng)電壓大于谷值電壓后電流又隨電壓而上升。在Vp到Vv這段電壓范圍內(nèi)，隨著電壓的增大電流反而減小的現(xiàn)象稱為負(fù)阻，這一段電流電壓特性曲線的斜率為負(fù)的，這一特性稱為負(fù)阻特性。反向時(shí)，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加。第108頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二5. p-n結(jié)隧道效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象由重?fù)诫s的p區(qū)和n區(qū)形成的p-n結(jié)通常稱為隧道結(jié)。這種隧道結(jié)制成的隧道二極管,由于它具有正向負(fù)阻特性而獲得了多種用途。例如用于微波放大、高速開關(guān)、激光振蕩源等。隧道結(jié)的這種電流電壓特性，是與它的隧道效應(yīng)密切相關(guān)的。 第109頁，共140頁，2022年，5

33、月20日，17點(diǎn)37分，星期二隧道結(jié)電流電壓特性解釋在隧道結(jié)中正向電流由兩部分組成。一是擴(kuò)散電流，隨正向電壓的增加而指數(shù)增加；正向偏壓微小的情況下，擴(kuò)散電流很小，以隧道電流為主。隧道電流和偏壓關(guān)系：未加偏壓時(shí)：處于熱平衡狀態(tài)時(shí)n區(qū)和p區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相等，雖然n區(qū)導(dǎo)帶和p區(qū)價(jià)帶有相同的能量量子態(tài)，但費(fèi)米能級(jí)以下占滿，而費(fèi)米能級(jí)以上為空，在n區(qū)的導(dǎo)常和P區(qū)的價(jià)帶中出現(xiàn)具有相同能量的量子態(tài)。所以隧道電流為零。第110頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二很小正向電壓V，n區(qū)相對(duì)于p區(qū)的能級(jí)提供qV，p區(qū)費(fèi)米能級(jí)以上有空量子態(tài)，n區(qū)費(fèi)米能級(jí)以下有量子態(tài)被占據(jù)， n區(qū)的導(dǎo)帶帶中的電子

34、可能穿過隧道到P區(qū)價(jià)帶中產(chǎn)生從p區(qū)向n區(qū)的正向隧道電流，這時(shí)對(duì)應(yīng)于特性曲線上的點(diǎn)1； 第111頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二繼續(xù)增大正向電壓，勢(shì)壘高度不斷下降，有更多的電子從n區(qū)穿過隧道到p區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流不斷增大。 當(dāng)正向電流增大到Ip時(shí)，這時(shí)p區(qū)的費(fèi)米能級(jí)與n區(qū)導(dǎo)帶底一樣高，n區(qū)的導(dǎo)帶和p區(qū)的價(jià)帶中能量相同的量子態(tài)達(dá)到最多, n區(qū)的導(dǎo)帶中的電子可能全部穿過隧道到p區(qū)價(jià)帶中的空量子態(tài)去，正向電流達(dá)到極大值Ip這時(shí)對(duì)應(yīng)干特性曲線的點(diǎn)2；第112頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二增大正向電壓，勢(shì)壘高度進(jìn)一步降低，在結(jié)兩邊能量相同的量

35、子態(tài)減少使n區(qū)導(dǎo)帶中可能穿過隧道的電子數(shù)以及p區(qū)價(jià)帶中可能接受穿過隧道的電子的空量子態(tài)均減少，所以隧道電流減小，出現(xiàn)負(fù)阻，如特性曲線上的點(diǎn)3； 第113頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二正向偏壓增大到Vv時(shí)，n區(qū)導(dǎo)帶底和p區(qū)價(jià)帶頂一樣高，這時(shí)p區(qū)價(jià)帶和n 區(qū)導(dǎo)帶中沒有能量相同的量子態(tài)，因此不能發(fā)生隧道穿通，隧道電流應(yīng)該減少到零，對(duì)應(yīng)于特性曲線上的點(diǎn)4。 實(shí)際上正向電流并不完全為零，而是有一個(gè)很小的谷值電流Iv，它的數(shù)值要比谷值電壓下的正向擴(kuò)散電流大得多，也稱為過量電流。實(shí)驗(yàn)證明，谷值電流基本上具有隧道電流的性質(zhì)。 第114頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)

36、37分，星期二 產(chǎn)生谷值電流的一個(gè)可能原因是簡(jiǎn)并半導(dǎo)體能帶邊緣的延伸，當(dāng)VVv時(shí)，n區(qū)導(dǎo)帶底和p區(qū)價(jià)帶頂高度相同，但是由于能帶邊緣的延伸n區(qū)導(dǎo)帶底有一個(gè)向下延伸的尾部，p區(qū)價(jià)帶項(xiàng)有一個(gè)向上延伸的尾部，于是n區(qū)導(dǎo)帶和p區(qū)價(jià)帶仍有能量相同的量子態(tài)，這時(shí)仍可產(chǎn)生隧道效應(yīng)形成谷值電流。 當(dāng)存在深能級(jí)的雜質(zhì)或缺陷時(shí)，谷值電流增大，這說明了產(chǎn)生谷值電流的另一個(gè)可能原因，是通過禁帶中的某些深能級(jí)所產(chǎn)生的隧道效應(yīng)； 第115頁，共140頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二對(duì)硅、鍺p-n結(jié)來說，正向偏壓大于Vv時(shí)，一般地?cái)U(kuò)散電流占主導(dǎo)這時(shí)隧道結(jié)和一般p-n結(jié)的正向持性基本一樣； 第116頁，共140頁，2022年，5月20日，17