半導(dǎo)體器件物理課件

半導(dǎo)體器件物理課件第一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言PN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除金屬－半導(dǎo)體接觸器件外，所有結(jié)型器件都由PN結(jié)構(gòu)成。PN結(jié)本身也是一種器件－整流器。PN結(jié)含有豐富的物理知識(shí)，掌握PN結(jié)的物理原理是學(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件物理的基礎(chǔ)。由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)接觸（原子級(jí)接觸）所形成的結(jié)構(gòu)叫做PN結(jié)。任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學(xué)接觸都稱為結(jié)（junction）,有時(shí)也叫做接觸（contact）。1.PN結(jié)定義：第二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言2.幾種分類：因此PN結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)、異型同質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)之分。廣義地說，金屬和半導(dǎo)體接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過為了意義更明確，把它們叫做金屬－半導(dǎo)體接觸或金屬－半導(dǎo)體結(jié)（M-S結(jié)）。

同質(zhì)結(jié)：由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如硅）；異質(zhì)結(jié)：由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如硅和鍺）

；同型結(jié)：由同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如P-硅和P-鍺、N-硅和N-鍺）；異型結(jié)：由不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如P-硅和N-硅、P-鍺和N－鍺）；第三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言3.采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程(a)拋光處理后的型硅晶片(b)采用干法或濕法氧化工藝的晶片氧化層制作

(c)光刻膠層勻膠及堅(jiān)膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴(kuò)散窗口膠膜的晶片n-

Si光刻膠SiO2N+（f)腐蝕SiO2后的晶片

第四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程(g)完成光刻后去膠的晶片

(i)蒸發(fā)/濺射金屬

（j）PN結(jié)制作完成

(h)通過擴(kuò)散（或離子注入）形成PN結(jié)P-

SiN-

SiSiO2N+第五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言4.突變結(jié)與線性緩變結(jié)

1)突變結(jié)：

P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)過渡陡峭單邊突變結(jié)（一側(cè)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一側(cè)的質(zhì)濃度的突變結(jié)）第六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言4.突變結(jié)與線性緩變結(jié)

2)線性緩變結(jié)：

在線性區(qū)：兩區(qū)之間雜質(zhì)過渡是漸變的第七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)1.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)恒定原理）在形成結(jié)之前N型材料中費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，P型材料中費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂。當(dāng)N型材料和P型材料被連接在一起時(shí)，費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)必定恒等。p

n

CE

FE

iE

VE

0yq

漂移

漂移

擴(kuò)散

擴(kuò)散

E

ny

py

（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖（b）接觸后的能帶圖第八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日多子擴(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡1.空間電荷區(qū)濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場(chǎng)促使少子漂移阻止多子擴(kuò)散第九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日內(nèi)建電場(chǎng)：

空間電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷間產(chǎn)生的電場(chǎng)，其方向由n區(qū)指向p區(qū)。平衡p-n結(jié)：

載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵時(shí)，所達(dá)到的動(dòng)態(tài)平衡（p-n結(jié)的凈電流為零）。

++++++------空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)第十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日形成擴(kuò)散電流并增加空間電荷區(qū)的寬度平衡時(shí)平衡p-n結(jié)形成漂移電流并減小空間電荷區(qū)的寬度空間電荷區(qū)的寬度也達(dá)到穩(wěn)定，電流為零多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)第十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)2.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)劃分）恒定費(fèi)米能級(jí)的條件是由電子從N型一邊轉(zhuǎn)移至P型一邊，空穴則沿相反方向轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的。電子和空穴的轉(zhuǎn)移在N型和P型各邊分別留下未被補(bǔ)償?shù)氖┲麟x子和受主離子。它們是荷電的，固定不動(dòng)的，稱為空間電荷。空間電荷存在的區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。（c）與（b）相對(duì)應(yīng)的空間電荷分布第十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)3.幾個(gè)概念耗盡近似：在空間電荷區(qū)，與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，這種近似稱為耗盡近似。因此空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)（又稱為耗盡層）。在完全耗盡的區(qū)域，自由載流子密度為零。內(nèi)建電勢(shì)差：由于內(nèi)建電場(chǎng)，空間電荷區(qū)兩側(cè)存在電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差叫做內(nèi)建電勢(shì)差（用表示）。勢(shì)壘區(qū)：N區(qū)電子進(jìn)入P區(qū)需要克服勢(shì)壘，P區(qū)空穴進(jìn)入N區(qū)也需要克服勢(shì)壘。于是空間電荷區(qū)又叫做勢(shì)壘區(qū)。中性近似：假設(shè)耗盡區(qū)以外，在雜質(zhì)飽和電離情況下，多子濃度等于電離雜質(zhì)濃度，因而保持電中性，因此PN結(jié)空間電荷區(qū)外部區(qū)域常稱為中性區(qū)。中性區(qū)自由載流子濃度與雜質(zhì)濃度相等，不存在電場(chǎng)。第十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)4.空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差(N型一邊和P型一邊中性區(qū)之間的電位差）方法一：（中性區(qū)電中性條件）由一維泊松方程：取費(fèi)米勢(shì)為零基準(zhǔn)時(shí)：（2-1-2b）由中性區(qū)電中性條件，即電荷的總密度為零。得到：即：（2-1-4）第十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)方法一：（中性區(qū)電中性條件）（2-1-5）對(duì)于N型的中性區(qū)，假設(shè)，。即

，連并（2-1-2a）代入（2-1-4）中，得N區(qū)中性區(qū)電勢(shì)為：采用同樣的方法，得到P型中性區(qū)的電勢(shì)為：（2-1-6）因而，在N型一邊與P型一邊中性區(qū)之間的電位差為（2-1-7）第十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)方法二：（費(fèi)米能級(jí)恒定）從費(fèi)米能級(jí)恒定的觀點(diǎn)來看，熱平衡PN結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。形成PN結(jié)之前N區(qū)費(fèi)米能級(jí)比P區(qū)費(fèi)米能級(jí)高。形成PN結(jié)之后，費(fèi)米能級(jí)恒定要求N區(qū)費(fèi)米能級(jí)相對(duì)P區(qū)費(fèi)米能級(jí)下降，則原費(fèi)米電勢(shì)差

即PN結(jié)中N型與P型中性區(qū)間電勢(shì)差。未形成PN結(jié)之前的N區(qū)（P區(qū)）的電子（空穴）濃度為：可以得到分別的費(fèi)米能級(jí)為：再由熱電勢(shì)，得：第十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日方法三：（在平衡狀態(tài)下，凈的空穴電流密度為零）并可進(jìn)一步求出內(nèi)建電勢(shì)為從上式可解出內(nèi)建電場(chǎng)，由于，，故得：第十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)5.利用Poisson方程求解單邊突變結(jié)(P+N)SCR內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度N側(cè)Poisson方程：P側(cè)Poisson方程：空間電荷的電中性：空間電荷層寬度：對(duì)于單邊突變結(jié)：?jiǎn)芜呁蛔兘Y(jié)電荷分布、電場(chǎng)分布、電勢(shì)分布第十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)對(duì)N側(cè)Poisson方程邊界條件：應(yīng)用做一次積分：得：邊界條件：再次積分：第十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)很小，由電勢(shì)連續(xù)性，內(nèi)建電勢(shì)差：——擴(kuò)散電勢(shì)或自建電勢(shì)——熱平衡下的勢(shì)壘高度耗盡層寬度：思考：利用Poisson方程求解突變結(jié)SCR（非單邊）內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度第二十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結(jié)6.學(xué)習(xí)要求1)掌握下列名詞、術(shù)語和基本概念：PN結(jié)、突變結(jié)、線性緩變結(jié)、單邊突變結(jié)、空間電荷區(qū)、耗盡近似、中性區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、勢(shì)壘。2)分別采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋PN結(jié)空間電荷區(qū)（SCR)SpaceChargeRegion)的形成3)正確畫出熱平衡PN結(jié)的能帶圖（圖2-3a、b）。4)利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差公式：5)解Poisson方程求解單邊突變結(jié)SCR內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度。（2-1-7）第二十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日第二十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結(jié)1.加偏壓的PN結(jié)的能帶圖1)熱平衡時(shí)2)加正向偏壓時(shí)耗盡層寬度為耗盡層寬度為第二十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結(jié)加正向偏壓時(shí)遠(yuǎn)離PN結(jié)空間電荷區(qū)的中性區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

和

。偏壓

使熱平衡費(fèi)米能級(jí)分裂，N區(qū)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

相對(duì)P區(qū)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

上移

。相應(yīng)地，N區(qū)各個(gè)能級(jí)上移

。勢(shì)壘高度降至。在空間電荷區(qū)由于，可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)

和

通過空間電荷區(qū)時(shí)分別不變。在空間電荷區(qū)N側(cè)，空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)從

逐漸升高,最后與準(zhǔn)電子費(fèi)米能級(jí)

相等。這個(gè)空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)變化的區(qū)域，稱為空穴擴(kuò)散區(qū)。類似地，在空間電荷區(qū)P側(cè)

逐漸下降,最后與空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)相等。這個(gè)電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)變化的區(qū)域，稱為電子擴(kuò)散區(qū)。第二十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結(jié)3)加反偏壓時(shí)耗盡層寬度為N區(qū)接正電位，在遠(yuǎn)離PN結(jié)空間電荷區(qū)的中性區(qū)，

及諸能級(jí)相對(duì)P區(qū)

下移

。在空間電荷區(qū)由于載流子耗盡，通過空間電荷區(qū)時(shí)

和

不變。勢(shì)壘高度增加至，增高的勢(shì)壘阻擋載流子通過PN結(jié)擴(kuò)散，通過PN結(jié)的電流非常小，結(jié)的阻抗很高。耗盡層寬度（突變結(jié)）：（2-2-1）第二十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結(jié)4)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

正偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由下降到

打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)即造成少子的正向注入且電流很大。反偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由上升到

同樣打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的漂移運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì),這種漂移是N區(qū)少子空穴向P區(qū)和P區(qū)少子電子向N區(qū)的漂移，因此電流是反向的且很小。第二十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結(jié)在正偏壓下，外加電壓降低了PN結(jié)的勢(shì)壘，加強(qiáng)了電子從N側(cè)到P側(cè)的擴(kuò)散以及空穴從P側(cè)到N側(cè)的擴(kuò)散。2.少數(shù)載流子的注入與輸運(yùn)1)結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度——N側(cè)和P側(cè)平衡電子濃度——N側(cè)和P側(cè)平衡空穴濃度自建電勢(shì)：（2-2-9）第二十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結(jié)加上偏壓，結(jié)電勢(shì)變?yōu)椤狽側(cè)和P側(cè)空間電荷層邊緣的電子濃度考慮低水平注入，得：類推得：——（2-2-11,12）空間電荷層邊緣的少數(shù)載流子濃度正向少子注入：當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)邊緣反向少子抽?。寒?dāng)PN結(jié)加上反向偏壓時(shí)，在結(jié)邊緣1)結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度第二十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結(jié)2)空間電荷效應(yīng)和擴(kuò)散近似在注入載流子存在的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足。注入載流子通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這種近似稱為擴(kuò)散近似。在擴(kuò)散近似下，穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程。注入PN結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布第二十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日(2-2-3)空穴電流(2-2-4)(2-2-5)電子電流(2-2-6)第三十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結(jié)3.學(xué)習(xí)要求1)掌握名詞、術(shù)語和基本概念：正向注入、反向抽取、擴(kuò)散近似、擴(kuò)散區(qū)2)正確畫出加偏壓PN結(jié)能帶圖。3)根據(jù)修正歐姆定律分析結(jié)的單向?qū)щ娦?)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析結(jié)的單向?qū)щ娦?)掌握反偏壓下突變結(jié)，耗盡層寬度公式（2-2-1）6)導(dǎo)出少數(shù)載流子濃度公式（2-2-11）和（2-2-12）第三十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日第三十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性1.理想的P-N結(jié)的基本假設(shè)及其意義1)外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上，耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體是電中性的，這意味著忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻。2)均勻摻雜。無內(nèi)建電場(chǎng)，載流子不作漂移運(yùn)動(dòng)。3)空間電荷區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流。4)小注入，即5)半導(dǎo)體非簡(jiǎn)并第三十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性2.載流子分布滿足邊界條件解得解穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程第三十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性2.載流子分布對(duì)于長(zhǎng)二極管，上式簡(jiǎn)化為PN結(jié)P側(cè)的電子分布為少數(shù)載流子分布第三十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性3.電流分布對(duì)于長(zhǎng)二極管，空穴注入所引起的擴(kuò)散電流為在空間電荷層邊緣（2-3-8），空穴電流為空穴電流分布改寫為（2-3-9）第三十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性3.電流分布（2-3-15）類似，電子電流分布為空穴電流分布為第三十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性3.電流分布公式（2-3-9）和（2-3-15）指出，由于少子電流沿遠(yuǎn)離PN結(jié)的方向而e指數(shù)地減小。因?yàn)榭傠娏飨鄬?duì)于x來說必定不變，才能滿足電流連續(xù)性。所以多子電流必須隨著x增加而增加，以補(bǔ)償空穴電流的下降。也就是說，少子電流通過電子空穴對(duì)的復(fù)合不斷地轉(zhuǎn)換為多子電流。電子電流和空穴電流：忽略空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流，得總電流：——二極管飽和電流第三十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性4.PN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)方式(一般是反向飽和電流)理想PN結(jié)飽和電流來源于擴(kuò)散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的非平衡少數(shù)載流子。（2-3-21）（2-3-20）二極管飽和電流由電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流兩部分構(gòu)成（2-3-18）（2-3-19）對(duì)于P+N(N+P)單邊突變結(jié)，電子電流（空穴電流）可以忽略與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度有密切的關(guān)系。禁帶寬度大，其值越小。第三十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性5.反向偏置PN結(jié)的少子分布和電流分布（a）少數(shù)載流子分布（b）少數(shù)載流子電流（c）電子電流和空穴電流反向偏壓——反向飽和電流——分別是PN結(jié)空穴擴(kuò)散區(qū)和電子擴(kuò)散區(qū)所發(fā)生的空穴產(chǎn)生電流和電子產(chǎn)生電流第四十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性6.PN結(jié)的典型電流電壓特性

PN結(jié)正向電流隨外加電壓e指數(shù)增加，反向電流則很小，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。第四十一頁，共九十六頁，編輯?023年，星期日2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性7.學(xué)習(xí)要求1)了解理想PN結(jié)基本假設(shè)及其意義。2)根據(jù)公式（2-3-4）導(dǎo)出長(zhǎng)PN結(jié)和短PN結(jié)少子分布表達(dá)式。3)導(dǎo)出公式（2-3-16）、（2-3-17)。4)根據(jù)公式（2-3-21）解釋理想PN結(jié)反向電流的來源。5)畫出正、反偏壓下PN結(jié)少子分布、電流分布和總電流示意圖。第四十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流1.復(fù)合電流（在正偏壓的時(shí)候出現(xiàn)）正偏壓使得空間電荷層邊緣處的載流子濃度增加，以致，這些過量載流子穿越空間電荷層，使得超過平衡值，因此，在空間電荷層中會(huì)有復(fù)合。復(fù)合電流：考慮最大復(fù)合條件外加電壓V時(shí)，在勢(shì)壘區(qū)中，平衡時(shí)，可見：當(dāng)V=0

時(shí)，np=ni2

，U=0

，不發(fā)生凈復(fù)合；當(dāng)V>0時(shí)，np>ni2

，U>0，發(fā)生凈復(fù)合；當(dāng)V<0時(shí)，np<ni2

，U<0，發(fā)生凈產(chǎn)生。？？第四十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日其中：（2-4-5）得：最大復(fù)合率為:考慮最大復(fù)合影響外加電壓V一定時(shí)，第四十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流圖2-11襯底摻雜濃度為1016cm3的硅擴(kuò)散結(jié)的電流電壓特性低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì)偏壓升高：擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)更高偏壓：串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了（擴(kuò)散電流為主）第四十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流2.擴(kuò)散電流對(duì)于P+N結(jié)，當(dāng)外加正向電壓且V>>VT

時(shí)，把擴(kuò)散電流記為3.復(fù)合電流與擴(kuò)散電流的比較（對(duì)于P+N結(jié)）上式表明，若越小，電壓愈低，則勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大；半導(dǎo)體材料的禁帶寬度愈大，勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流愈大；硅PN結(jié)比鍺PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流大；PN結(jié)輕摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度愈大，勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流愈大。

第四十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流4.產(chǎn)生電流（在反向偏壓的時(shí)候出現(xiàn)）PN結(jié)處于反向偏壓，空間電荷區(qū)中，有：產(chǎn)生率：產(chǎn)生電流：由于空間電荷層的寬度隨著反向偏壓的增加而增加因而反向電流是不飽和的，產(chǎn)生電流也隨著反向偏壓的增加而增加。第四十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流5.學(xué)習(xí)要求理解并掌握概念：正偏復(fù)合電流反偏產(chǎn)生電流推導(dǎo)公式（2-4-2）、（2-4-5）、（2-4-9）理解低偏壓下空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)，隨著電壓增加擴(kuò)散電流越來越成為主要成分第四十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流1.量子力學(xué)的隧道效應(yīng)當(dāng)PN結(jié)的P側(cè)和N側(cè)均為重?fù)诫s的情況時(shí)，有些載流子可能穿透勢(shì)壘而產(chǎn)生額外的電流2.產(chǎn)生隧道電流的條件（1）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；（2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；（3）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)。當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體時(shí)，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。第四十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流3.隧道效應(yīng)p(a)0K和沒有外加偏壓(b)外加正向偏壓(c)外加正向偏壓第五十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流4.隧道效應(yīng)(d)外加正向偏壓(e)外加反向偏壓第五十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流5.隧道機(jī)制分析簡(jiǎn)化的隧道穿透幾率：——?jiǎng)輭靖叨取臻g電荷層寬度（勢(shì)壘厚度）代入得：（2-5-1）則隧道電流可為：——隧道電子的速度第五十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流5.隧道機(jī)制分析若摻雜密度稍予減少，使正向隧道電流可予忽略，電流電壓曲線則將被改變成示于圖2-14b中的情形。這稱為反向二極管第五十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流6.隧道二極管的特點(diǎn)和應(yīng)用上的局限性（1）隧道二極管是利用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時(shí)間內(nèi)通過結(jié)的多數(shù)載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低的噪聲。（2）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體制成，由于溫度對(duì)多子的影響小，使隧道二級(jí)管的工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子渡越時(shí)間的限制，因此可以在極高頻率下工作。這種優(yōu)越的性能，使隧道二級(jí)管能夠應(yīng)用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電路以及低噪音微波放大器。由于應(yīng)用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二極管的利用受到限制。第五十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日7.學(xué)習(xí)要求畫出能帶圖解釋隧道二極管的I－V特性了解隧道二極管的特點(diǎn)和局限性2.5隧道電流第五十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日1.PN結(jié)處于正向偏置2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響總電流（擴(kuò)散電流）：（2-3-16）復(fù)合電流：（2-4-5）得：（2-6-1）式中隨溫度的增加而迅速增加，可見在高于室溫時(shí)，不太大的正偏壓（Si0.3V）就使占優(yōu)勢(shì)。

第五十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.PN結(jié)處于反向偏置2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響（2-6-2）隨著溫度增加，增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)。無論是在正向還是反向偏置，PN結(jié)的溫度特性主要取決于二極管方程：（2-3-16）反向偏壓情況下，二極管I－V特性的溫度效應(yīng)：（2-3-18）（2-4-9）第五十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日3.PN結(jié)處于反向偏置2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響相對(duì)來說，括號(hào)內(nèi)的參量對(duì)溫度變化不靈敏。

（2-6-3）對(duì)T求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以，得到（2-6-4）反映了反偏壓情況下，二極管I－V特性的溫度效應(yīng)。20

40

60

80

100

101

102

103

100

VR=6V

T°C

第五十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日4.PN結(jié)處于正向偏置2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響取（2-6-5）導(dǎo)出：代入（2-6-4）式，得到

（2-6-7）I，A

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10-5

150°C

25°C

-55°C

V—V

結(jié)電壓隨溫度變化十分靈敏，常用來精確測(cè)溫和控溫第五十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日5.學(xué)習(xí)要求了解PN結(jié)I－V特性的溫度依賴關(guān)系了解公式（2-6-3）、（2-6-7）、（2-6-8）2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響第六十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日1.耗盡層電容

已經(jīng)證明耗盡層寬度是偏置電壓的函數(shù)，由于在結(jié)的兩個(gè)半邊內(nèi)空間電荷直接正比于耗盡層寬度，則有：2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管（2-7-1）空間電荷層小信號(hào)電容：得：（2-7-3）C稱為過渡電容或耗盡層電容有時(shí)亦稱為勢(shì)壘電容第六十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日1.耗盡層電容

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管PN結(jié)空間電荷區(qū)空間電荷隨外加偏壓變化所引起的電容。

常用關(guān)系：

（2-7-7）21C

0y

RV

1、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計(jì)算出施主濃度。2、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處第六十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.求雜質(zhì)分布

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管在雜質(zhì)分布未知的PN結(jié)中，可以利用電容電壓曲線描繪出輕摻雜一邊的雜質(zhì)分布，此稱求雜質(zhì)分布?？紤]任意雜質(zhì)分布：（2-7-8）x

()xN

()WN

W

dW

式中是在空間電荷層邊緣處的雜質(zhì)濃度。由泊松方程，電場(chǎng)增量是與電荷增量之間具有如下關(guān)系：電場(chǎng)增量偏壓增量的具有如下關(guān)系：

（2-7-9）第六十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.求雜質(zhì)分布

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由

得：

——?jiǎng)輭倦娙莅眩?-7-9）式至（2-7-11）式代入（2-7-8）式并將結(jié)果重新整理得到（2-7-12）（2-7-11）第六十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日3.求雜質(zhì)分布的程序

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管在不同反偏壓下測(cè)量電容：用（2-7-11）式求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度：畫出相對(duì)的曲線。從此曲線中取并將其結(jié)果代入（2-7-12）式計(jì)算出畫出完整的雜質(zhì)分布注意：倘若出現(xiàn)高密度的陷阱中心和界面態(tài)，如硅中摻金情形，前面的分析必須加以修正，以適應(yīng)這些荷電的狀態(tài)。

第六十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日3.求雜質(zhì)分布的程序

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果第六十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日3.求雜質(zhì)分布的程序

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果第六十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日4.變?nèi)荻O管

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管根據(jù)（2-7-3）可見反向偏置的PN結(jié)可以作為電容使用在LC調(diào)諧電路中。專門為此目的制造的二極管稱為變?nèi)荻O管。結(jié)型二極管的電容電壓方程可寫成

：對(duì)于單邊突變結(jié)，，如式（2-7-3）中所表示。

第六十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日4.變?nèi)荻O管

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管包括一個(gè)P-N結(jié)電容的LC電路，其諧振頻率可表示為（2-7-13）在電路應(yīng)用中，總是希望在諧振頻率和控制電壓之間有線性關(guān)系，也就是說，要求。第六十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日5.學(xué)習(xí)要求掌握概念：耗盡層電容、求雜質(zhì)分布、變?nèi)荻O管掌握耗盡層電容公式（2-7-3）、（2-7-11）2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管掌握C－V關(guān)系：公式（2-7-7）及其應(yīng)用掌握求雜質(zhì)分布的概念及求解程序掌握使用圖表2-18求電容的方法了解變?nèi)荻O管的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)原則第七十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日PN結(jié)在小信號(hào)工作時(shí)特點(diǎn)：信號(hào)電流與信號(hào)電壓之間滿足線性關(guān)系，從物理上說，就是器件內(nèi)部的載流子分布的變化跟得上信號(hào)的變化。2.8PN結(jié)二極管的頻率特性器件的頻率特性：器件處理連續(xù)波時(shí)所表現(xiàn)出來的性能。

器件的開關(guān)特性（瞬變）：器件處理數(shù)字信號(hào)和脈沖信號(hào)時(shí)所表現(xiàn)出來的性能。（大信號(hào)）PN結(jié)在大信號(hào)工作時(shí)特點(diǎn)：I－V特性和C－V特性等都是非線性的。討論P(yáng)N結(jié)在小信號(hào)工作時(shí)，可以把電流、電壓以及非平衡載流子的瞬態(tài)值表示成直流成分與交流成分的疊加：小信號(hào)條件：（2-8-1）第七十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結(jié)二極管的頻率特性空穴分布：1.少子邊界條件（2-8-3）在PN結(jié)邊緣N側(cè)處，（2-8-7）對(duì)于采用近似：得：（2-8-3）式中：少子的邊界條件為:

（2-8-11）第七十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結(jié)二極管的頻率特性在N型中性區(qū)，把空穴分布2.交流少子連續(xù)性方程代入連續(xù)性方程：（2-8-4）式中得由于（2-8-5）第七十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結(jié)二極管的頻率特性3.交流少子分布（2-8-14）N區(qū)空穴交流分量對(duì)于長(zhǎng)二極管（

）

（2-8-13）第七十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結(jié)二極管的頻率特性交流少子分布P區(qū)電子交流分量（2-8-16）（2-8-18）第七十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結(jié)二極管的頻率特性4.交流電流（2-8-15）（2-8-20）總的交流電流

而空穴電流：

注入到P區(qū)電子交流分量：

得：

（2-8-18）第七十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結(jié)二極管的頻率特性5.二極管的交流導(dǎo)納二極管的交流導(dǎo)納定義為交流電流與交流電壓之比：（2-8-22）其中為二極管正向電流直流成分。

直流電導(dǎo)也叫做擴(kuò)散電導(dǎo)，其倒數(shù)叫做PN結(jié)擴(kuò)散電阻。稱為P-N結(jié)擴(kuò)散電容。其性質(zhì)如下：1、擴(kuò)散電容在PN結(jié)正偏壓情況下出現(xiàn)。偏壓愈高，擴(kuò)散電容愈大。反偏PN結(jié)不存在貯存電荷，因此不表現(xiàn)出擴(kuò)散電容；2、工作電流愈大，擴(kuò)散電容愈大；3、對(duì)于高頻情形，存貯電荷跟不上結(jié)電壓的變化、很小，對(duì)于

低頻情況，擴(kuò)散電容特別重要；4、減少少子壽命（硅材料中摻金）可以有效地減小擴(kuò)散電容。第七十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結(jié)二極管的頻率特性6.二極管的等效電路

在許多應(yīng)用中，總是根據(jù)在使用條件下半導(dǎo)體器件各部分的物理作用，用電阻，電容，電流源和電壓源等組成一定的電路來達(dá)到等效器件的功能。這種電路叫做等效電路。PN結(jié)小信號(hào)交流等效電路如圖2-20所示?！谋M層電容——串聯(lián)電阻——擴(kuò)散電容——直流電導(dǎo)第七十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結(jié)二極管的頻率特性7.學(xué)習(xí)要求掌握概念：交流導(dǎo)納擴(kuò)散電導(dǎo)擴(kuò)散電阻擴(kuò)散電容等效電路掌握解擴(kuò)散方程求出了交流少子分布、電流分布、交流電流掌握二極管等效電路第七十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性1.二極管的開關(guān)作用PN結(jié)二極管處于正向偏置時(shí)，允許通過較大的電流，處于反向偏置時(shí)通過二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時(shí)二極管的工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處于反向偏置時(shí)的工作狀態(tài)叫作關(guān)態(tài)?？梢娊Y(jié)二極管能起到開關(guān)作用。第八十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性2.PN結(jié)的反向瞬變電流和電壓的延遲現(xiàn)象源于PN結(jié)的電荷貯存效應(yīng)第八十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性3.PN結(jié)二極管的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)PN結(jié)加一恒定的正向偏壓時(shí)，載流子被注入并保持在結(jié)二極管中，在擴(kuò)散區(qū)建立確定的非平衡少數(shù)載流子分布，這種現(xiàn)象稱為電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。當(dāng)正向偏壓突然轉(zhuǎn)至反向偏壓時(shí)，在穩(wěn)態(tài)條件下所保持的載流子并不能立刻消除。第八十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性4.PN結(jié)反向瞬變的定性解釋

到則沿X軸的正方向，于是電流反向。

1、在處注入的載流子濃度結(jié)界面不斷下降，注入載流濃度的梯度2、注入的非平衡少子的濃度梯度不變，因此反向電流變成反向電流的原因。

為常量。這就解釋了當(dāng)偏壓由立即變成擴(kuò)散電流之后，但在這一段時(shí)間內(nèi)，由于在減小，因此平衡少子被去除完畢，于是結(jié)電壓為零。

仍然大于面上，因此PN結(jié)兩端的電壓3、在也在減小，當(dāng)時(shí)，可以認(rèn)為，即全部注入的非第八十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性PN結(jié)反向瞬變的定性解釋

在，因而也愈來愈小，因此也愈來愈小，電流和電壓波形中出現(xiàn)“尾巴”。（即達(dá)到穩(wěn)定的反偏狀態(tài)之后）由于反向偏壓PN結(jié)的抽取作用，在面上達(dá)到反向偏壓PN結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的分布狀況，第八十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性5.PN結(jié)反向瞬變的定量分析（電荷控制分析方法

）

在

考慮長(zhǎng)P+N結(jié)二極管的電荷貯存效應(yīng)。

N側(cè)的總貯存電荷定義為（2-9-1）對(duì)連續(xù)方性程從0至求一次積分（令）并利用（2-9-1）式，得到

（2-9-2）——電荷控制方程

第八十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性PN結(jié)反向瞬變的定量分析（電荷控制分析方法

）

在

為在全部貯存電荷被去除（定義貯存時(shí)間）所需要的時(shí)間，從而

通過解依賴于時(shí)間的連續(xù)性方程進(jìn)行精確分析得到的是（2-9-7）（2-9-8）第八十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日

2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性6.階躍恢復(fù)二極管反向瞬變波形可以通過在二極管中引入一自建場(chǎng)進(jìn)行修正。例如若在P+N二極管輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度為

（2-9-9）自建電場(chǎng)為：式中為在PN結(jié)處的雜質(zhì)濃度；a為常數(shù)。（2-9-10）于是注入的非平衡少子空穴既有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也有在自建場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)。自建場(chǎng)沿著-x方向，漂移電流也沿-x方向，方向當(dāng)二極管由正向偏置轉(zhuǎn)換到反向偏置之后，注入少子空穴開始反向流向空間電荷區(qū)，而此時(shí)自建場(chǎng)E將加速這種流動(dòng)。

第八十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結(jié)二極管的開關(guān)特性7.學(xué)習(xí)要求掌握概念：PN結(jié)二極管的開關(guān)作用、反向瞬變、電荷貯存、貯存時(shí)間、電荷控制分析方法、階躍恢復(fù)二極管根據(jù)PN結(jié)二極管的少數(shù)載流子分布示意圖定量地解釋PN結(jié)二極管的反向瞬變現(xiàn)象。利用電荷控制方法求得貯存時(shí)間并與嚴(yán)格解的結(jié)果比較。掌握階躍恢復(fù)二極管工作原理第八十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.10

PN結(jié)擊穿1.PN結(jié)擊穿當(dāng)加在PN結(jié)上的反偏壓增加到一定數(shù)值，再稍微增加，PN結(jié)就會(huì)