半導體器件物理8

§1.7隧道電流1．PN結隧道效應當P區(qū)和N區(qū)均為重摻雜的情況時，有些載流子可能穿透（代替越過）勢壘而產生額外的電流，這種機制稱為量子力學的隧道效應。在下列情況下可以出現(xiàn)隧道效應：費米能級位于導帶或價帶的內部；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的能帶中有電子而在另一側的能帶中有空的狀態(tài)。2．隧道結的電流-電壓特性對于P區(qū)和N區(qū)都是重摻雜的PN結的電流-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到一個極大值

，稱為峰值電流，對應的正向電壓

稱為峰值電壓。隨后電壓增加，電流反而減小，達到一極小值，稱為谷值電流，對應的電壓

稱為谷值電壓。當電壓大于谷值電壓

后，電流又隨電壓而上升。在

這段電壓范圍內，隨著電壓的增大電流反而減小的現(xiàn)象稱為負阻。反向偏壓時，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加，由重摻雜的P區(qū)和

N區(qū)形成的

PN結通常稱為隧道結，由這種隧道結制成的隧道二極管，由于它具有正向負阻特性而獲得了很多用途。例如用于微波放大、高速開關、激光振蕩源等。3．能帶解釋①在簡并化的重摻雜半導體中，N型半導體的費米能級進入了導帶，P型半導體的費米能級進入了價帶。未加電壓時，P區(qū)價帶和N區(qū)導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，所以，隧道電流為零，對應于特征曲線上的點0。

（a）對應點0（e）對應點4（b）對應點1（c）對應點2（d）對應點3（f）對應點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)導帶的費米能級以下有量子態(tài)被電子占據，如圖所示（b）。因此，N區(qū)導帶中的電子可能穿過隧道到達P區(qū)價帶中，產生從P區(qū)向N區(qū)的正向隧道電流，對應于特征曲線上的點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P區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流不斷增大。當正向偏壓增大到

時，這時P區(qū)的費米能級與N區(qū)導帶底一樣高，N區(qū)的導帶和P區(qū)的價帶中能量相同的量子態(tài)達到最多，如圖（c）所示，N區(qū)導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，正向電流達到極大值

，這時對應于特征曲線的點2。④再繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度進一步降低，在結兩邊能量相同的量子態(tài)開始減少，使N區(qū)導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)負阻現(xiàn)象，對應特性曲線上點3。⑤正向偏壓增大到

時，N區(qū)導帶底和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，隧道電流應減少為零，對應特征曲線上點4。但實際上在

時正向電流并不完全為零，其數(shù)值要比下的正向擴散電流大得多，可能原因是，簡并半導體能帶邊緣的延伸；通過禁帶中的某些深能級所產生隧道效應。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。在結兩邊能量相同的量子態(tài)范圍內，P區(qū)價帶中費米能級以下的量子態(tài)被電子占據，而N區(qū)導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)導帶中，產生反向隧道電流。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?，在隧道結中，即使反向電壓很小時，反向電流也是比較大的，這與一般PN結不同。

⑥對硅、鍺PN結來說，正向偏壓大于

時，一般地擴散電流就開始成為主要的，這時隧道結和一般

PN結的正向特性基本一樣。②工作溫度范圍大。由于隧道結用重摻雜的簡并半導體制成，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，隧道結是利用多子隧道效應工作的，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。由于隧道效應本質上是一種量子態(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。§1.8PN結擊穿實驗發(fā)現(xiàn)，對PN結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結擊穿。發(fā)生擊穿時的反向偏壓（圖中）稱為PN結的擊穿電壓。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結擊穿機制主要有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，產生第二代電子-空穴對。這樣雪崩式地繁衍下去，使PN結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，除了要有高電場強度外，還必須有較大的勢壘寬度，因此，在PN結摻雜濃度不太高時，所發(fā)生的擊穿往往是雪崩擊穿。在器件設計工作中，常使用下面的經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，人們總結出以下通用公式。單邊突變結雪崩擊穿電壓：線性緩變結雪崩擊穿電壓：

為單邊突變結輕摻雜一側的摻雜濃度；為雜質濃度梯度。對于單邊突變結，低摻雜區(qū)雜質濃度越高則擊穿電壓越低。對于線性緩變結，雜質濃度梯度越大，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PN結勢壘區(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入N區(qū)導帶形成隧道電流。當電壓加大到使隧道幾率達到一定程度時，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結中易于產生這種擊穿效應。因為最初是由齊納提出來解釋電介質擊穿現(xiàn)象的，所以隧道擊穿又稱為齊納擊穿。PN結的反向電流在結中發(fā)生熱損耗，當反向電流增大時，熱損耗