半導體器件物理(第二章 PN結(jié))

course課程微電子技術(shù)專業(yè)第二章PN結(jié)2.1平衡PN結(jié)2.1.1PN結(jié)的形成與雜質(zhì)分布合金法制造PN結(jié)N-GeN-GeN-GeInIn+GeP-GeXjNA-NDOxjxP型雜質(zhì)SiO2光刻窗口P-SiN-SiN-SiN-Si氧化光刻擴散Xj擴散法制造PN結(jié)NA-NDOxjx2.1平衡PN結(jié)NA-NDOxjxP-SiN-SiXj離子注入法制造PN結(jié)2.1平衡PN結(jié)2.1.2PN結(jié)的能帶圖空間電荷區(qū)自建電場P區(qū)N區(qū)平衡PN結(jié)的形成P區(qū)和N區(qū)接觸存在濃度差→擴散（復合）→出現(xiàn)空間電荷區(qū)→形成自建電場→漂移運動和擴散運動抵消→達到動態(tài)平衡2.1平衡PN結(jié)2.1平衡PN結(jié)P區(qū)N區(qū)PN結(jié)平衡PN結(jié)的能帶圖注意到費米能級是電子填充能級水平的標志，當兩塊半導體結(jié)合形成PN結(jié)時，電子將從費米能級高的N區(qū)流向費米能級低的P區(qū)，空穴則從P區(qū)流向N區(qū)，直到費米能級處處相等，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)。

P區(qū)N區(qū)2.1.3PN結(jié)的接觸電勢差與載流子分布PN結(jié)的接觸電勢差達到平衡狀態(tài)時，如果P區(qū)和N區(qū)的電勢差為UD，則兩個區(qū)的電勢能變化量為qUD，其中UD稱為PN結(jié)的接觸電勢差，qUD就是勢壘高度。2.1平衡PN結(jié)PN結(jié)載流子濃度分布空間電荷區(qū)中載流子濃度分布是按指數(shù)規(guī)律變化的，變化非常顯著，絕大部分區(qū)域的載流子濃度遠小于兩側(cè)的中性區(qū)域，即空間電荷區(qū)的載流子基本已被耗盡，所以空間電荷區(qū)又叫耗盡層。2.1平衡PN結(jié)2.2PN結(jié)的直流特性2.2.1PN結(jié)的正向特性1.PN結(jié)的正向注入效應(yīng)

PN結(jié)加正向偏壓，在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個外加電場，這個外加電場與原來的自建電場方向相反，因而削弱了勢壘區(qū)中的電場強度。勢壘區(qū)寬度變窄，勢壘高度降低。非平衡少子注入后，在邊界附近積累，形成從邊界到內(nèi)部濃度梯度，并向體內(nèi)擴散，同時進行復合，最終形成一個穩(wěn)態(tài)分布。擴散區(qū)中的少子擴散電流都通過復合轉(zhuǎn)換為多子漂移電流。2.2PN結(jié)的直流特性2.正向PN結(jié)邊界少子濃度我們看到，正向偏置的PN結(jié)邊界處的少子濃度，等于體內(nèi)平衡少子濃度乘上一個指數(shù)因子。也就是說，勢壘區(qū)邊界積累的少數(shù)載流子濃度隨外加電壓按指數(shù)規(guī)律增加。2.2PN結(jié)的直流特性3.PN結(jié)正向電流電壓關(guān)系

空穴擴散電流密度

電子擴散電流密度

通過PN結(jié)的總的電流密度

2.2PN結(jié)的直流特性對于結(jié)面積為A的PN結(jié)，通過的正向電流為

通常寫成

其中

可近似為

近似為

2.2PN結(jié)的直流特性2.2.2PN結(jié)的反向特性2.PN結(jié)的反向抽取作用

PN結(jié)加反向偏壓，外加電場與自建電場方向相同，空間電荷區(qū)電場加強。勢壘區(qū)寬度變大，勢壘高度增加。2.2PN結(jié)的直流特性反偏時漂移作用占了優(yōu)勢，因此要把P區(qū)邊界的電子拉到N區(qū)，把N區(qū)邊界的空穴拉到P區(qū)去，而在P區(qū)內(nèi)部的電子和N區(qū)內(nèi)部的空穴就要跑到邊界去補充，這樣就形成了反向電流，方向是從N區(qū)指向P區(qū)。上述情況就好像是P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子不斷地被抽出來，所以稱為PN結(jié)的反向抽取作用。2.2PN結(jié)的直流特性用與正向PN結(jié)類似的方法，可以求出PN結(jié)反向電流為隨著反向電壓的增大，反向電流將趨于一個恒定，僅與少子濃度、擴散長度、擴散系數(shù)有關(guān)，我們稱之為反向飽和電流。少數(shù)載流子濃度與本征載流子濃度平方成正比，并且隨溫度升高而快速增大，因此，反向擴散電流會隨溫度升高而快速增大。正向特性反向特性將PN結(jié)的正向特性和反向特性組合起來，就形成PN結(jié)的伏安特性，在正向偏壓和反向偏壓作用下，曲線是不對稱的，表現(xiàn)出PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕ɑ蚍Q為整流效應(yīng)）。2.2PN結(jié)的直流特性2.2.3影響PN結(jié)伏安特性的因素正向PN結(jié)勢壘區(qū)復合電流2.反向PN結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生電流勢壘區(qū)產(chǎn)生電流有一個明顯的特點，它不像反向擴散電流那樣會達到飽和值，而是隨著反向偏壓增大而緩慢增加。復合電流減少了PN結(jié)中的少子注入，這是硅三極管小電流下電流放大系數(shù)下降的重要原因之一。2.2PN結(jié)的直流特性在推導正向電流公式時，采用了小注入的假設(shè)條件，即注入擴散區(qū)的非平衡少子濃度比平衡多子濃度小得多。但是當正向偏壓較大時，注入擴散區(qū)的非平衡少子濃度可能接近或超過該區(qū)多子濃度，這就是大注入情況。肖克萊方程將偏離實際測量結(jié)果。3.大注入情況4.表面效應(yīng)（1）表面復合和產(chǎn)生電流在硅和二氧化硅交界面處，往往存在著相當數(shù)量的、位于禁帶中的能級，稱為界面態(tài)或表面態(tài)。它們與體內(nèi)的雜質(zhì)能級相似，能接受、放出電子，可以起復合中心的作用。這樣就引進了附加的復合和產(chǎn)生電流。2.2PN結(jié)的直流特性（2）表面溝道電流（3）表面漏電流反型層二氧化硅層中一般都含有一定數(shù)量的正電荷，當P型襯底的雜質(zhì)濃度較低，二氧化硅膜中的正電荷較多時，襯底表面將形成N型反型溝道，這相當于增大了PN結(jié)的結(jié)面積，從而導致反向電流的增加。在PN結(jié)的生產(chǎn)過程中，硅片表面很可能沾污一些金屬離子和水汽分子，這就相當于在PN結(jié)表面并聯(lián)了一個附加的電導，從而引起表面漏電，使反向電流增加。2.2PN結(jié)的直流特性2.3PN結(jié)電容2.3.1PN結(jié)電容的成因及影響PN結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個電容器的充放電作用相似。這種P-N結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢壘電容。勢壘電容隨外加電壓的變化，引起電子和空穴在擴散區(qū)內(nèi)的存入和取出，由此產(chǎn)生的電容效應(yīng)稱為PN結(jié)的擴散電容。注意，P區(qū)和N區(qū)各有一個擴散電容。

擴散電容2.3PN結(jié)電容因此在交流電壓的作用下，PN結(jié)的特性就不再是一個單純的電阻了，它好象是一個電阻和兩個電容的并聯(lián)。所以，由于電容具有高通低阻的特性，如果給PN結(jié)外加一個交流電，在交變頻率很低的時候，PN結(jié)有整流作用。如果逐步提高交變頻率，PN結(jié)就失去了整流的作用。PN結(jié)電容的影響2.3PN結(jié)電容微分電容實驗發(fā)現(xiàn)，PN結(jié)的勢壘電容和擴散電容都隨外加電壓而變化，表明它們是可變電容。為此，引入微分電容的概念來表示PN結(jié)的電容。PN結(jié)的直流偏壓數(shù)值不同，微分電容也不同2.3PN結(jié)電容2.3PN結(jié)電容2.3.2突變結(jié)的勢壘電容突變結(jié)勢壘區(qū)的電場和寬度根據(jù)勢壘區(qū)正、負電荷總量相等

上式表明，勢壘區(qū)內(nèi)正負空間電荷區(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。如果兩邊雜質(zhì)濃度差異很大，勢壘區(qū)主要是向雜質(zhì)濃度較低的那一面擴散，這種PN結(jié)我們稱之為單邊突變結(jié)。

2.3PN結(jié)電容根據(jù)電學中的高斯定理，容易證明，從兩個邊界到交界面上，電場強度是線性變化的，交界面上的最大電場強度?？梢运愠鰟輭緟^(qū)寬度為：

NB表示輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度

2.3PN結(jié)電容2.突變結(jié)的勢壘電容可以改寫為

對于單邊突變結(jié)又可簡化為

從上式可以看出：①減小結(jié)面積、降低輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度減小結(jié)電容的途徑。②勢壘電容隨外加電壓而變化，可利用這一特性制作變?nèi)萜骷?/p>

2.3PN結(jié)電容2.3.3擴散電容上式只近似適用于低頻情況，進一步分析表明，擴散電容隨頻率的增大而減小。擴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下，擴散電容起主要作用。而加反向偏壓時，擴散區(qū)中的少子濃度將低于平衡時的濃度，載流子電量隨電壓的變化很小，因此反偏時的擴散電容可以忽略。2.4PN結(jié)的擊穿特性在PN結(jié)上加反向電壓時，反向電流是隨著反向電壓的增大而微小地增加的，然后趨于飽和，這時的電流稱為反向飽和電流。反向電壓繼續(xù)增大到某一定值時，反向電流就會劇增，這種現(xiàn)象叫做反向擊穿。擊穿特性2.4.1擊穿機理1.雪崩擊穿空間電荷區(qū)上存在著很強的電場。在勢壘區(qū)里的電子和空穴都要受到電場的加速，具有很大的能量。這些高速運動的載流子在與硅晶格結(jié)點上的原子發(fā)生碰撞時，會破壞一個共價鍵，撞擊一個出電子，同時產(chǎn)生一個空穴。由于倍增效應(yīng)，引起載流子在數(shù)量上的大大增加，使反向電流猛然增加，引起PN結(jié)的擊穿，這種擊穿叫做雪崩擊穿。

2.4PN結(jié)的擊穿特性2.隧道擊穿隧道擊穿是在強電場作用下，由于隧道效應(yīng)（P區(qū)價帶中的電子有一定的幾率直接穿透禁帶而到達N區(qū)導帶中），使大量電子從價帶進到導帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。因為最初齊納用這種現(xiàn)象解釋電介質(zhì)的擊穿，故又稱齊納擊穿。2.4PN結(jié)的擊穿特性3.熱擊穿PN結(jié)工作時的熱量不能及時傳遞出去，將引起結(jié)溫上升，而結(jié)溫上升又導致反向電流和熱損耗的增加。若沒有采取有效措施，就會形成惡性循環(huán)，一直到PN結(jié)被燒毀。這種熱不穩(wěn)定性引起的擊穿稱為熱擊穿或熱電擊穿。

2.4PN結(jié)的擊穿特性2.4.2雪崩擊穿電壓如圖給出了突變結(jié)的雪崩擊穿電壓與低摻雜一側(cè)雜質(zhì)濃度的關(guān)系曲線，對N型和P型的材料都適用。雜質(zhì)濃度決定了材料的電阻率，所以為了獲得所需的擊穿電壓，原材料的電阻率要注意選擇合適的數(shù)值。突變結(jié)擊穿電壓2.4PN結(jié)的擊穿特性突變結(jié)擊穿電壓如圖給出了線性緩變結(jié)與雜質(zhì)濃度梯度的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，可以采用降低雜質(zhì)濃度梯度的方法來提高擊穿電壓。雪崩擊穿電壓不光跟低摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度或雜質(zhì)濃度梯度有關(guān)，還跟材料的禁帶寬度有關(guān)。在相同的條件下，禁帶寬度大的材料，雪崩擊穿電壓高。

2.4PN結(jié)的擊穿特性2.4.3影響雪崩擊穿電壓的因素雜質(zhì)濃度的影響2.外延層厚度的影響如果外延層厚度小于PN擊穿時的勢壘區(qū)寬度，反向擊穿電壓將降低。2.4PN結(jié)的擊穿特性柱面結(jié)和球面結(jié)區(qū)域都會發(fā)生電場集中效應(yīng)，其電場強度要比平面結(jié)區(qū)域大，所以在這些區(qū)域首先會發(fā)生擊穿，從而使PN結(jié)的擊穿電壓降低。這種效應(yīng)在擴散結(jié)結(jié)深較小時，比較嚴重，因為結(jié)深越小，柱面和球面的曲率半徑越小，結(jié)面彎曲越明顯，電場強度更集中，更容易發(fā)生擊穿。

3.擴散結(jié)結(jié)深的影響2.5PN結(jié)的開關(guān)特性2.5.1PN結(jié)的開關(guān)作用負脈沖輸入0關(guān)態(tài)正脈沖輸入0開態(tài)

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，我們可利用其正反向電流相差懸殊這一特點，把它作為開關(guān)來使用。

2.5PN結(jié)的開關(guān)特性

當二極管的電壓突然從正變到負時，電流將從正向的ID先變到一個很大的反向電流IR，然后再逐漸趨向反向漏電流IO。這稱為反向恢復過程。

如果二極管是一個理想的開關(guān)，那么當正向電壓變?yōu)榉聪螂妷簳r，流過二極管的電流就應(yīng)當從正向比較大的數(shù)值