半導(dǎo)體器件物理8

§1.7隧道電流1．PN結(jié)隧道效應(yīng)當(dāng)P區(qū)和N區(qū)均為重?fù)诫s的情況時，有些載流子可能穿透（代替越過）勢壘而產(chǎn)生額外的電流，這種機(jī)制稱為量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。在下列情況下可以出現(xiàn)隧道效應(yīng)：費米能級位于導(dǎo)帶或價帶的內(nèi)部；空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透率；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)。2．隧道結(jié)的電流-電壓特性對于P區(qū)和N區(qū)都是重?fù)诫s的PN結(jié)的電流-電壓特性如圖所示。正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升并達(dá)到一個極大值

，稱為峰值電流，對應(yīng)的正向電壓

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，稱為谷值電流，對應(yīng)的電壓

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

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。反向偏壓時，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加，由重?fù)诫s的P區(qū)和

N區(qū)形成的

PN結(jié)通常稱為隧道結(jié)，由這種隧道結(jié)制成的隧道二極管，由于它具有正向負(fù)阻特性而獲得了很多用途。例如用于微波放大、高速開關(guān)、激光振蕩源等。3．能帶解釋①在簡并化的重?fù)诫s半導(dǎo)體中，N型半導(dǎo)體的費米能級進(jìn)入了導(dǎo)帶，P型半導(dǎo)體的費米能級進(jìn)入了價帶。未加電壓時，P區(qū)價帶和N區(qū)導(dǎo)帶雖然具有相同能量的量子態(tài)，但是N區(qū)和P區(qū)的費米能級相等，在結(jié)的兩邊，費米能級以下沒有空量子態(tài)，費米能級以上的量子態(tài)沒有電子占據(jù)，所以，隧道電流為零，對應(yīng)于特征曲線上的點0。

（a）對應(yīng)點0（e）對應(yīng)點4（b）對應(yīng)點1（c）對應(yīng)點2（d）對應(yīng)點3（f）對應(yīng)點5（b）→（e）正向偏壓逐漸增大（f）為反向偏壓②加一很小的正向電壓

時，N區(qū)能帶相對于P區(qū)將升高，這時結(jié)兩邊能量相等的量子態(tài)中，P區(qū)價帶的費米能級以上有空量子態(tài)，而N區(qū)導(dǎo)帶的費米能級以下有量子態(tài)被電子占據(jù)，如圖所示（b）。因此，N區(qū)導(dǎo)帶中的電子可能穿過隧道到達(dá)P區(qū)價帶中，產(chǎn)生從P區(qū)向N區(qū)的正向隧道電流，對應(yīng)于特征曲線上的點1。③繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度不斷下降，有更多的電子從N區(qū)穿過隧道到達(dá)P區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流不斷增大。當(dāng)正向偏壓增大到

時，這時P區(qū)的費米能級與N區(qū)導(dǎo)帶底一樣高，N區(qū)的導(dǎo)帶和P區(qū)的價帶中能量相同的量子態(tài)達(dá)到最多，如圖（c）所示，N區(qū)導(dǎo)帶中的電子可能全部穿過隧道到P區(qū)價帶中的空量子態(tài)去，正向電流達(dá)到極大值

，這時對應(yīng)于特征曲線的點2。④再繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度進(jìn)一步降低，在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)開始減少，使N區(qū)導(dǎo)帶中可能穿過隧道的電子數(shù)以及P區(qū)價帶中可能接受穿過隧道的電子的空量子態(tài)均減少，如圖（d）所示，這時隧道電流減小，出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象，對應(yīng)特性曲線上點3。⑤正向偏壓增大到

時，N區(qū)導(dǎo)帶底和P區(qū)價帶頂一樣高，如圖（e）所示，這時P區(qū)價帶和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)減少為零，對應(yīng)特征曲線上點4。但實際上在

時正向電流并不完全為零，其數(shù)值要比下的正向擴(kuò)散電流大得多，可能原因是，簡并半導(dǎo)體能帶邊緣的延伸；通過禁帶中的某些深能級所產(chǎn)生隧道效應(yīng)。⑦加反向偏壓時，P區(qū)能帶相對N區(qū)能帶升高，如圖（f）所示。在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)范圍內(nèi)，P區(qū)價帶中費米能級以下的量子態(tài)被電子占據(jù)，而N區(qū)導(dǎo)帶中費米能級以上有空的量子態(tài)。因此，P區(qū)中的價帶電子可以穿過隧道到N區(qū)導(dǎo)帶中，產(chǎn)生反向隧道電流。隨著反向偏壓的增加，P區(qū)價帶中可以穿過隧道的電子數(shù)顯著增加，故反向電流也迅速增加，如特性曲線上點5所示?？梢姡谒淼澜Y(jié)中，即使反向電壓很小時，反向電流也是比較大的，這與一般PN結(jié)不同。

⑥對硅、鍺PN結(jié)來說，正向偏壓大于

時，一般地擴(kuò)散電流就開始成為主要的，這時隧道結(jié)和一般

PN結(jié)的正向特性基本一樣。②工作溫度范圍大。由于隧道結(jié)用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體制成，所以溫度對多子濃度影響甚小，使隧道二極管的工作溫度范圍增大。4．隧道二極管特點①噪音較低。從前面分析知道，隧道結(jié)是利用多子隧道效應(yīng)工作的，因為單位時間通過PN的多子數(shù)目起伏較小，所以隧道二極管的噪音較低。③工作頻率高。由于隧道效應(yīng)本質(zhì)上是一種量子態(tài)躍遷的過程，電子穿過勢壘極其迅速，不受電子渡越時間限制，使隧道二極管可以在極高頻率下工作?！?.8PN結(jié)擊穿實驗發(fā)現(xiàn)，對PN結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值時，反向電流突然開始迅速增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿。發(fā)生擊穿時的反向偏壓（圖中）稱為PN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載流子遷移率的增大，而是由于載流子數(shù)目的增加。PN結(jié)擊穿機(jī)制主要有3種：雪崩擊穿、隧道擊穿和熱電擊穿。

1．雪崩擊穿在較大的反向電壓下，勢壘區(qū)有很強(qiáng)的電場，通過勢壘區(qū)的載流子，被高電場加速而獲得很高能量，去撞擊價帶中的電子而產(chǎn)生電子-空穴對。新的電子和空穴又可被加速，去撞擊價帶電子，產(chǎn)生第二代電子-空穴對。這樣雪崩式地繁衍下去，使PN結(jié)反向電流迅速增大而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，這就是雪崩擊穿。要發(fā)生雪崩擊穿，除了要有高電場強(qiáng)度外，還必須有較大的勢壘寬度，因此，在PN結(jié)摻雜濃度不太高時，所發(fā)生的擊穿往往是雪崩擊穿。在器件設(shè)計工作中，常使用下面的經(jīng)驗公式作為雪崩擊穿電壓的近似估計。對于硅、鍺、砷化鎵和磷化鎵幾種材料，人們總結(jié)出以下通用公式。單邊突變結(jié)雪崩擊穿電壓：線性緩變結(jié)雪崩擊穿電壓：

為單邊突變結(jié)輕摻雜一側(cè)的摻雜濃度；為雜質(zhì)濃度梯度。對于單邊突變結(jié)，低摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度越高則擊穿電壓越低。對于線性緩變結(jié)，雜質(zhì)濃度梯度越大，則擊穿電壓越低。對于不同材料，禁帶越窄則雪崩擊穿電壓越低。

2．隧道擊穿當(dāng)PN結(jié)勢壘區(qū)較薄，在足夠高的反向偏壓下，使勢壘能帶傾斜到使N區(qū)導(dǎo)帶底低于P區(qū)價帶頂時，P區(qū)價帶中的電子可以以隧道穿通的形式跨越禁帶而進(jìn)入N區(qū)導(dǎo)帶形成隧道電流。當(dāng)電壓加大到使隧道幾率達(dá)到一定程度時，反向電流急劇增加而發(fā)生隧道擊穿。在高摻雜、勢壘寬度小的PN結(jié)中易于產(chǎn)生這種擊穿效應(yīng)。因為最初是由齊納提出來解釋電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象的，所以隧道擊穿又稱為齊納擊穿。PN結(jié)的反向電流在結(jié)中發(fā)生熱損耗，當(dāng)反向電流增大時，熱損耗