半導(dǎo)體器件菁華2014pn要點(diǎn)

1載流子擴(kuò)散空間電荷區(qū)（載流子耗盡區(qū)）形成ND+NA-在pn結(jié)中存在很大的載流子濃度的梯度，將引起載流子的擴(kuò)散。由于固定在晶格位置上，在結(jié)附近的一些施主（ND+)和受主（NA-)會(huì)因?yàn)殡娮樱╪-型側(cè)）和空穴（p-型側(cè)）的擴(kuò)散，得不到電荷的補(bǔ)償，從而形成空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）。2載流子擴(kuò)散空間電荷區(qū)（載流子耗盡區(qū)）形成空間電荷區(qū)將產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，方向從正的電荷區(qū)指向負(fù)的電荷區(qū)（np)ND+NA-電子：擴(kuò)散電流np,漂移電流pn空穴：擴(kuò)散電流pn,漂移電流np在熱平衡下，內(nèi)建電場(chǎng)引起的兩種載流子的漂移電流恰好與濃度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散電流完全抵消，因此，通過(guò)結(jié)的凈電流為零。3ND+NA-通過(guò)結(jié)的凈電流為零4凈電流為零的必要條件：EF在整個(gè)樣品中為常數(shù)（與x無(wú)關(guān)）當(dāng)電流密度一定時(shí)，載流子濃度大的地方，EF隨位置變化小，而載流子濃度小的地方，EF隨位置變化就越大。p型n型pn結(jié)少子p-type

多子

n-type

多子少子少子p-type

多子

n-type

多子少子少子p-type

多子

n-type

多子少子--------++++++++5少子p-type

多子

n-type

多子少子--------++++++++電子從費(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)流向p區(qū)，空穴反之。費(fèi)米能級(jí)將隨著能帶移動(dòng)，直至pn結(jié)的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到統(tǒng)一。pn結(jié)能帶能帶的相對(duì)移動(dòng)源自?xún)?nèi)建電場(chǎng)的產(chǎn)生BandBending（能帶彎曲）p型n型pn結(jié)6少子p-type

多子

n-type

多子少子--------++++++++內(nèi)建電場(chǎng)方向空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢(shì)pn結(jié)能帶電子的電勢(shì)能由n區(qū)向p區(qū)不斷降低由n區(qū)向p區(qū)不斷增加其變化趨勢(shì)與Ei一致E7pn結(jié)能帶電子電勢(shì)能由n區(qū)向p區(qū)不斷增加，使得p區(qū)的能帶不斷上移，n區(qū)則相反，直到費(fèi)米能級(jí)相等。載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流互相抵消，pn結(jié)中沒(méi)有凈電流。p型n型pn結(jié)少子p-type

多子

n-type

多子少子--------++++++++E8Vbi和pn結(jié)兩邊的載流子摻雜濃度，溫度，材料的禁帶寬度有關(guān)。在一定溫度下，pn結(jié)兩邊摻雜濃度越高，接觸電勢(shì)差Vbi越大；禁帶寬度越大，ni越小，Vbi也越大。熱平衡下，內(nèi)建電勢(shì)為n型和p型中性區(qū)之間總的靜電勢(shì)之差內(nèi)建電勢(shì)差VbiqVbi

稱(chēng)為pn結(jié)的勢(shì)壘高度（電子電勢(shì)能之差/能帶的彎曲量）勢(shì)壘區(qū)9ElectronandHoleDensityNetchargedensityElectricField(negative)ElectrostaticPotentialEnergybandNDNAn,pDepletionlayernn0pp0E突變結(jié)EmV(x)Vbi10pnpn互擴(kuò)散Wnp熱平衡耗盡區(qū)當(dāng)p-n結(jié)在外加電壓的偏置下，將打破電子-空穴擴(kuò)散與漂移電流間的平衡，凈電流不再為零，而相應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)也不再保持常數(shù)…外加電壓V外加np(正向偏壓VF，反向偏壓VR)11正向偏壓情況下熱平衡正向偏置npnp12Forwardbiascondition從p區(qū)向n區(qū)的空穴擴(kuò)散和從n區(qū)向p區(qū)的電子擴(kuò)散增加，發(fā)生了少數(shù)載流子的注入，與擴(kuò)散電流相比，漂移電流減小。13外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，耗盡區(qū)寬度變窄，靜電勢(shì)減小，載流子的擴(kuò)散與漂移的運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞，耗盡區(qū)內(nèi)擴(kuò)散電流大于漂移電流。正向偏壓情況下熱平衡正向偏置npnpE內(nèi)建電場(chǎng)E外加電場(chǎng)14由于外加正向偏壓的作用，使得非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過(guò)程，即非平衡載流子的電注入。正向偏壓情況下正向偏置np產(chǎn)生了電子從n區(qū)向p區(qū)和空穴從p區(qū)向n區(qū)的凈擴(kuò)散流。進(jìn)入p區(qū)中性區(qū)的電子邊擴(kuò)散，邊與空穴復(fù)合，經(jīng)過(guò)大于擴(kuò)散長(zhǎng)度的距離后，被完全復(fù)合。這一段區(qū)域稱(chēng)為擴(kuò)散區(qū)15外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，耗盡區(qū)寬度變寬，靜電勢(shì)減大，載流子的擴(kuò)散與漂移的運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞。反向偏壓情況下熱平衡反向偏置npnp16勢(shì)壘區(qū)內(nèi)漂移電流大于擴(kuò)散電流，少子被電場(chǎng)驅(qū)走，而中性區(qū)的少子將進(jìn)行補(bǔ)充，形成反向偏壓下的電子和空穴擴(kuò)散電流。反向偏壓情況下反向偏置np-+少數(shù)載流子的抽取/吸出因?yàn)樯僮訚舛群艿?，少子的濃度梯度和很小。?dāng)反向電壓很大時(shí)，邊界處的少子可以認(rèn)為是零，擴(kuò)散電流不隨電壓發(fā)生變化。在反向偏壓下，電流較小并趨于不變。17pn0正向偏置np0npo(-xp)pno(xn)LnLp-xpxnx載流子分布n,p

pnonpo(-xp)pno(xn)反向偏置npoLpLn-xpxn載流子分布n,px18注入的少數(shù)載流子分布電子、空穴擴(kuò)散電流xJ-xpxn少子擴(kuò)散電流jnjp

正向偏置n,ppn0np0np0(-xp)pno(xn)LnLpx19-js20對(duì)于一般的pn結(jié)，其伏-安特性基本上服從理想二極管方程；對(duì)于p區(qū)與n區(qū)均為高摻雜的pn結(jié)（符號(hào)p+n+)，其伏-安特性發(fā)生明顯的差異，在一定的電壓范圍呈現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象。VI負(fù)阻現(xiàn)象一般pn結(jié)p+n+結(jié)正反向偏置都存在顯著的不同IpVpIvVv21Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)U=U0U=00xUU=0d隧道穿透幾率發(fā)生隧道效應(yīng)必須滿(mǎn)足的三個(gè)基本條件：隧道穿透過(guò)程中，出發(fā)一側(cè)的能態(tài)有電子占據(jù)；接受電子的另一側(cè)和出發(fā)側(cè)相同能級(jí)上的能態(tài)是空的；隧道勢(shì)壘高度低、隧道寬度小，才呈現(xiàn)出一定的隧道穿透幾率。22隧道過(guò)程（熱平衡）EcEvEFP+區(qū)n+區(qū)電子能否發(fā)生隧道效應(yīng)，不僅取決于電子的穿透幾率，還取決于p+區(qū)價(jià)帶和n+區(qū)導(dǎo)帶狀態(tài)中的電子占有幾率。在沒(méi)有外加電壓的熱平衡狀態(tài)下，具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，p+區(qū)和n+區(qū)在費(fèi)米以下價(jià)帶和導(dǎo)帶都被電子填滿(mǎn)，費(fèi)米能級(jí)以上兩邊都是空帶；在相同的能量范圍，在兩個(gè)區(qū)域都不存在空態(tài)（電子允許填充的狀態(tài)）；因此，在熱平衡時(shí)無(wú)法形成隧道電流。熱平衡WE23隧道過(guò)程（低的正向偏置）P+區(qū)n+區(qū)VIEFpEFnn+區(qū)的能態(tài)是填充的，對(duì)應(yīng)的p+區(qū)能態(tài)是空的（可以接受電子）；n+區(qū)的電子可以通過(guò)隧道到達(dá)p+區(qū)；當(dāng)電壓增加，這時(shí)與從n+區(qū)的填充態(tài)通過(guò)隧道到達(dá)p+區(qū)的空態(tài)的電子數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)，電流將達(dá)到一個(gè)最大值。q(Vbi-V)減小24隧道過(guò)程（接近谷電流的正向偏置）進(jìn)一步提高電壓，p+區(qū)可供填充的空態(tài)減少，電流開(kāi)始下降；如果所加的電壓使n+區(qū)導(dǎo)帶底正對(duì)p+區(qū)的價(jià)帶頂，而出現(xiàn)的能帶“不交叉”現(xiàn)象時(shí)，對(duì)應(yīng)于填充態(tài)已經(jīng)沒(méi)有可供占據(jù)的空態(tài)，這時(shí)不再有隧道電流。VIP+區(qū)n+區(qū)EFpEFnq(Vbi-V)減小25P+區(qū)n+區(qū)EFp隧道過(guò)程（出現(xiàn)擴(kuò)散電流的正向偏置）繼續(xù)進(jìn)一步提高電壓，出現(xiàn)少子的擴(kuò)散電流，與通常pn結(jié)的I-V特性一致。q(Vbi-V)勢(shì)壘進(jìn)一步減小VI26P+區(qū)n+區(qū)EFpEFnq(Vbi-V)增大隧道過(guò)程（反向偏置）VI在反向偏置時(shí)，電子出現(xiàn)少子的擴(kuò)散電流，產(chǎn)生反向隧道電流。隨著反向偏壓的增加，反向電流也迅速增加大。在隧道結(jié)中，即使反向電壓很小，反向電流也比較大，這與一般pn結(jié)不同27隧道二極管單位時(shí)間通過(guò)pn結(jié)的多子數(shù)目起伏較小：噪聲較低重?fù)诫s，簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，溫度對(duì)多子濃度影響較?。汗ぷ鳒囟确秶^大量子躍遷過(guò)程，電子穿過(guò)勢(shì)壘時(shí)間短，不受電子渡越時(shí)間影響：極高的工作頻率P+區(qū)n+區(qū)EFnq(Vbi-V)隧道二極管（1958）又稱(chēng)江崎二極管28半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)29不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)稱(chēng)異質(zhì)結(jié)。存在兩種類(lèi)型的異質(zhì)結(jié)，即反型（p-n或n-p）和同型（n-n或p-p）異質(zhì)結(jié)。一般把禁帶寬度小的材料寫(xiě)在前面，如n-nGe-Si,(n)Ge-(p)GaAs，GaAs-AlxGa1-xAs等。按照雜質(zhì)分布來(lái)看，異質(zhì)結(jié)也有突變結(jié)和緩變結(jié)之分，但一般情況下以突變結(jié)居多。組成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體材料的差別：帶隙、功函數(shù)、電子親和能、介電常數(shù)、折射率、晶格常數(shù)……其中影響異質(zhì)結(jié)性能的主要因素是帶隙的不同，通常又把基于能帶可調(diào)的異質(zhì)結(jié)器件工程叫做能帶工程。主要用途：高效率的光伏電池、發(fā)光管和激光器等30n-p:Ge-GaAs

接觸前的異質(zhì)結(jié)能帶圖31EnergybanddiagramsEcEv(a)Straddling(b)Staggered(c)BrokengapEg1Eg2嵌套交錯(cuò)斷開(kāi)功函數(shù)差異32idealenergy-banddiagram

與同質(zhì)PN結(jié)的異同

相同點(diǎn)：形成空間電荷區(qū)；能帶彎曲；有電容效應(yīng)。

不同點(diǎn)：由于兩種材料介電常數(shù)不同，因而電場(chǎng)在界面處不連續(xù)，能帶出現(xiàn)不連續(xù)，如導(dǎo)帶上的尖峰、凹口和不連續(xù)。np異質(zhì)結(jié)的理想能帶圖（熱平衡）33反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖（熱平衡）34同型異質(zhì)結(jié)的能帶圖nn35光伏電池36半導(dǎo)體中可以利用各種勢(shì)壘如pn結(jié)、異質(zhì)結(jié)等形成光伏效應(yīng)當(dāng)太陽(yáng)能電池受到陽(yáng)光照射時(shí)，產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)受內(nèi)建電場(chǎng)的作用，發(fā)生漂移，產(chǎn)生光生電流，在pn結(jié)兩端形成光生電動(dòng)勢(shì)（光生伏特效應(yīng)）。在外加負(fù)載時(shí)，pn結(jié)將起到電源的作用。工作原理--------++++++++pn-+-+-+-+----++++pn++++----+-RI37----++++pn----++++熱平衡V：光生電動(dòng)勢(shì)IL：光生電流----++++pnV+-IL光照使得p區(qū)與n區(qū)的載流子濃度增加，費(fèi)米能級(jí)分裂。38--------++++++++pn-+-+-+-+光生電流IL正向電流IF漂移擴(kuò)散勢(shì)壘降低為----++++pn+-光生電流V正向電流RI39如果光照恒定，當(dāng)正向電流全部抵消了光生電流時(shí)，光生電壓不再變化，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，pn結(jié)兩端的電勢(shì)差（光生電壓）稱(chēng)為開(kāi)路電壓Voc----++++pnVoc--------++++++++pn-+-+-+-+光生電流IL正向電流IF漂移擴(kuò)散40--------++++++++pn-+-+光生電流IL漂移G：在結(jié)的擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)載流子的平均產(chǎn)生率A：pn結(jié)面積41----++++pnVocIL----++++pn----++++光生電流全部流入外電路，不在pn結(jié)形成載流子的積累，光電壓為零。此時(shí)，外電路的電流稱(chēng)為短路電流Isc42光生電流的一部分I流經(jīng)負(fù)載，對(duì)外作功，另一部分抵消正向電流。----++++pn++++----+-RIILIF43----++++pn++++----+-RI光生電壓開(kāi)路電壓短路電流44----++++pn++++----+-RIDarkVocPhotoIscVIRshIFIL+-VIRRs典型的太陽(yáng)電池I-V曲線等效電路圖45DarkVPhotoIIs典型的硅太陽(yáng)電池I-V曲線分析Voc：開(kāi)路電壓Isc：短路電流Vm：最大輸出功率時(shí)的電壓Im：最大輸出功率時(shí)的電流ImVmVocIscPmPm：最大輸出功率輸出功率46DarkVPhotoIIs典型的硅太陽(yáng)電池I-V曲線分析ImVmVocIsc填充因子（FillFactor)PmPm：最大輸出功率47DarkVPhotoIIs典型的硅太陽(yáng)電池I-V曲線分析ImVmVocIscPm填充因子（FillFactor)經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換效率(Efficiency)48VocVmImIscPm硅太陽(yáng)電池的串并聯(lián)使用VocVmImIscPmVocVmImIscPm49發(fā)光二極管50

電子和空穴復(fù)合，釋放出相應(yīng)波長(zhǎng)的光，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為光能。LED工作物理模型GaN基LED結(jié)構(gòu)示意LED工作原理51LED優(yōu)點(diǎn)

節(jié)能工作電壓低，1－5V，可與Si邏輯電路匹配響應(yīng)速度快，10-7

－10-9s彩色豐富，已研制出紅綠藍(lán)和黃橙的LED尺寸小，壽命長(zhǎng)（十萬(wàn)小時(shí)）視角寬，96年，達(dá)80度；97年，達(dá)140度52同質(zhì)pn結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)非平衡載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于勢(shì)壘區(qū)厚度，在穿過(guò)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)時(shí)，非平衡載流子不斷的與多數(shù)載流子復(fù)合（輻射躍遷）而發(fā)光。GaP：間接躍遷53異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)正偏時(shí)，由于禁帶寬度不同，當(dāng)兩者的價(jià)帶達(dá)到等高，p區(qū)空穴不存在勢(shì)壘，不斷向n區(qū)擴(kuò)散，保證了空穴的高注入效率。禁帶寬度較大區(qū)域成為注入源，而禁帶寬度較小區(qū)成為發(fā)光源。發(fā)出的光子不被禁帶寬度大的材料吸收，可以作為輻射光的透射窗口。54雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)空穴與電子從兩側(cè)注入并被限制在一個(gè)區(qū)域，導(dǎo)致更為有效的輻射復(fù)合。中間層不摻雜，兩側(cè)為相反類(lèi)型的材料。雙異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)有最好的發(fā)光效率。55雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的LED高亮度的藍(lán)光LED：氮化鋁作為緩沖層56發(fā)光二極管兩種LED燈具的構(gòu)造圖57半導(dǎo)體激光器58半導(dǎo)體激光二極管(laserdiodes,LD)工作原理當(dāng)系統(tǒng)處于恒定輻射場(chǎng)作用下，吸收與受激輻射同時(shí)存在，且躍遷幾率相等。受激輻射受激輻射大于吸收恒定輻射場(chǎng)大功率/大光強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)59光量子放大：

N2>N1，受激輻射將大于吸收，系統(tǒng)發(fā)射的光子數(shù)將大于進(jìn)入系統(tǒng)的光子數(shù)。分布反轉(zhuǎn)(populationinversion)E2E1h產(chǎn)生激光的必要條件:N2>N1（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)/分布反轉(zhuǎn)）激發(fā)態(tài)粒子數(shù)目

N2基態(tài)粒子數(shù)目

N1產(chǎn)生激光h60分布反轉(zhuǎn)(populationinversion)非平衡態(tài)電子占據(jù)導(dǎo)帶或價(jià)帶中某一能級(jí)的幾率N（E）半導(dǎo)體激光二極管由外界輸入能量，使電子不斷激發(fā)到高能級(jí)。這種作用稱(chēng)為“抽運(yùn)”或“泵”。61分布反轉(zhuǎn)(populationinversion)用能流密度為I（hv）的光子束照射半導(dǎo)體系統(tǒng)總吸收率Wa總輻射率Wr62分布反轉(zhuǎn)(populati