第二章 PN結(jié)教材

微電子器件與IC設(shè)計

第2章PN結(jié)據(jù)統(tǒng)計：半導體器件主要有67種，另外還有110個相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成：

pn結(jié)：雙極晶體管，二極管金屬－半導體接觸：MESFET

MOS結(jié)構(gòu)：MOSFET

異質(zhì)結(jié)：HBT、HFET

超晶格：量子阱激光器半導體器件物理第2章PN結(jié)2.1PN結(jié)的形成及空間電荷區(qū)2.2PN結(jié)直流V-I特性2.3PN結(jié)電容2.4PN結(jié)擊穿2.1PN結(jié)的形成及空間電荷區(qū)2.1.1、PN結(jié)的形成及類型1、PN

結(jié)含義： 在一塊N型（或P型）半導體單晶上，用特定的工藝方法把P型（或N型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊單晶相連的二個不同區(qū)域分別具有N型和P型的導電類型，在二者交界面的過渡區(qū)即稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)半導體二極管半導體二極管按結(jié)構(gòu)分為點接觸型和面接觸型點接觸型(a)適用于高頻電路，面接觸型(b)適用于整流(c)是硅平面工藝型二極管的結(jié)構(gòu)圖，是集成電路中常見的一種形式。半導體二極管點接觸型二極管——PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。面接觸型二極管——PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。平面型二極管—往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。2.1.1、PN結(jié)的形成及類型2、PN結(jié)的類型(1)、突變結(jié)單邊突變結(jié)

P＋N結(jié)

N＋P結(jié)P區(qū)N區(qū)x雜質(zhì)濃度xjNAND2.1.1、PN結(jié)的形成及類型(2)、緩變結(jié)NPx雜質(zhì)濃度xjND

-NA2.1.1、PN結(jié)的形成及類型(3)、實際PN結(jié)近似緩變PN結(jié)附近雜質(zhì)濃度有兩種近似處理方法A。線性緩變結(jié)近似B。突變結(jié)近似NPx雜質(zhì)濃度xjND

-NA2.1.1、PN結(jié)的形成及類型線性緩變結(jié)近似

適用于表面雜質(zhì)濃度較低、結(jié)深較深的緩變結(jié)x雜質(zhì)濃度xjND

-NA雜質(zhì)濃度xjxαj2.1.1、PN結(jié)的形成及類型突變結(jié)近似

適用于表面雜質(zhì)濃度較高、結(jié)深較淺的緩變結(jié)x雜質(zhì)濃度xjND

-NA雜質(zhì)濃度xjxP2.1.2空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場內(nèi)建電場阻止多子擴散載流子濃度差內(nèi)建電場促使少子漂移多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)的形成N平衡PN結(jié)的結(jié)構(gòu)NP空間電荷區(qū)XMXNXPN型中性區(qū)、P型中性區(qū)空間電荷區(qū)（又稱勢壘區(qū)或耗盡層）2.1.3平衡PN結(jié)能帶圖（沒有外加偏壓）空間電荷區(qū)內(nèi)建電場PNxpxnVDqVD勢電能勢子電帶能qVDECEVEFEi內(nèi)建電場：N→P內(nèi)建電勢差VD形成PN結(jié)前形成PN結(jié)后有統(tǒng)一的費米能級2.1.4、PN結(jié)內(nèi)建電勢差求VD（突變結(jié)）

:

空間電荷區(qū)內(nèi)建電場PNVDqVD勢電能勢子電帶能qVDECEVEFEi0-XpXn2.1.4、PN結(jié)內(nèi)建電勢差式中NA：P區(qū)摻雜濃度；

ND：N區(qū)摻雜濃度;

ni：本征載流子濃度對于鍺PN結(jié)，通常可取VD=0.3—0.4V

對于硅PN結(jié)，通?？扇D=0.6—0.7V影響VD的因素？（1）突變結(jié)：2.1.4、PN結(jié)內(nèi)建電勢差式中，α：雜質(zhì)濃度梯度(X=Xj)，

Xm：PN結(jié)勢壘寬度

（2）線性緩變結(jié)（3）推論2.1.6平衡PN結(jié)耗盡層的厚度和電場、電勢分布突變結(jié)近似：N型一側(cè)有ND＝常數(shù)，P型一側(cè)有NA＝常數(shù)，在界面處突變。耗盡層近似：空間電荷區(qū)的載流子完全耗盡。n=p=0利用Poisson方程，可求出空間電荷區(qū)的電場、電勢分布及厚度。2.1.6平衡PN結(jié)耗盡層的厚度和電場、電勢分布2.1.6平衡PN結(jié)耗盡層的厚度和電場、電勢分布2.1.6平衡PN結(jié)耗盡層的厚度和電場、電勢分布2.1.6平衡PN結(jié)耗盡層的厚度和電場、電勢分布對于單邊突變結(jié)有：2.1.6平衡PN結(jié)耗盡層的厚度和電場、電勢分布2.1.6平衡PN結(jié)耗盡層的厚度和電場、電勢分布2.1.7緩變PN結(jié)耗盡層中電場、電勢分布式中，α：雜質(zhì)濃度梯度(X=Xj)，

Xm：PN結(jié)勢壘寬度

2.2非平衡PN結(jié)直流V-I特性（肖克萊方程）非平衡PN結(jié)處于一定偏置狀態(tài)下的PN結(jié)稱為非平衡PN結(jié)。當P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負極，稱為正向PN結(jié)。反之，則稱反向PN結(jié)。外加電壓基本降落在勢壘區(qū)

2.2.1、正向PN結(jié)（1）正向PN結(jié)中勢壘的變化

正向電壓使勢壘高度變低勢壘區(qū)寬度變窄

外加電場與內(nèi)建電場方向相反:

空間電荷區(qū)中的電場減弱

破壞擴散與漂移運動間的平衡

擴散運動強于漂移運動

注入少子

注入的少子邊擴散邊復(fù)合2.2.1、正向PN結(jié)（2）正向PN結(jié)中載流子的運動電流在N型區(qū)中主要由電子攜帶；電流在P型區(qū)中主要由空穴攜帶；

通過PN結(jié)的電流在擴散區(qū)內(nèi)實現(xiàn)電流載體轉(zhuǎn)換。P區(qū)N區(qū)jnjpLnLp電子擴散空穴漂移空穴擴散電子漂移PN正偏電流方向2.2.2、反向PN結(jié)（1）反向PN結(jié)勢壘變化反向電壓使 勢壘區(qū)寬度變寬

勢壘高度變高外加電場與內(nèi)建電場方向相同增強空間電荷區(qū)中的電場破壞擴散漂移運動平衡漂移運動強于擴散運動抽取少子LnLp內(nèi)建電場方向擴散區(qū)2.2.2、反向PN結(jié)(2)反向PN結(jié)中載流子的運動電流在N型區(qū)中主要由電子攜帶電流在P型區(qū)中主要由空穴攜帶

通過PN結(jié)的電流在擴散區(qū)內(nèi)實現(xiàn)電流載體轉(zhuǎn)換P區(qū)N區(qū)jpjnLnLp電子擴散空穴漂移空穴擴散電子漂移PN反偏電流方向2.2.3非平衡PN結(jié)的能帶圖（1）正偏（2）反偏三種PN結(jié)的能帶、載流子分布比較2.2.4、V-I特性方程1、理想PN結(jié)模型

（1）小注入。即注入的非平衡少數(shù)載流子濃度遠低于平衡多子濃度,即摻雜濃度。

（2）外加電壓全部降落在勢壘區(qū)，勢壘區(qū)以外為電中性區(qū)。

（3）忽略勢壘區(qū)載流子的產(chǎn)生-復(fù)合作用。通過勢壘區(qū)的電流密度不變。

（4）忽略半導體表面對電流的影響。

（5）只考慮一維情況。2.2.4、V-I特性方程2.坐標 以耗盡層中N、P交界處為原點建立坐標系。步驟：→求“非少子”濃度的邊界值；求解“非少子”的連續(xù)性方程；→求“非少子”濃度梯度；→分別求電子、空穴的擴散電流密度；→求PN結(jié)電流。2.2.5

V-I特性方程的補充（實際PN結(jié)的情況）小電流下，正向電流比理論值大；大電流下，正向電流比理論值小；反向電流比理論值大；存在擊穿電壓。2.2.5

V-I特性方程的補充（實際PN結(jié)的情況）（1）小電流下，正向電流比理論值大；要考慮勢壘復(fù)合電流的影響。（2）大電流下，正向電流比理論值??；勢壘區(qū)以外存在大注入自建電場。（3）反向電流比理論值大；要考慮表面漏電流及勢壘產(chǎn)生電流JG的影響。（4）存在擊穿電壓。雪崩擊穿、隧道擊穿、熱擊穿。（1）勢壘區(qū)的復(fù)合電流正偏時要考慮勢壘區(qū)復(fù)合電流：總電流：相對于正向擴散電流而言，勢壘區(qū)復(fù)合電流隨電壓增長比較慢，因此主要在低壓小電流階段起作用。這也是硅雙極晶體管小電流下β下降的原因。（2）勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流反偏時要考慮勢壘區(qū)產(chǎn)生電流：總電流：JG隨勢壘區(qū)寬度W的增加而增大，即沒有飽和值。Eg越大（ni越?。聪螂娏髦蠮G所占的比例越大。（3）PN結(jié)表面電流：表面漏電流＋附加復(fù)合和產(chǎn)生電流（4）PN結(jié)大注入效應(yīng)說明：特大注入下，J－V變化變緩。（5）PN結(jié)溫度特性2.3PN結(jié)電容PN結(jié)電容勢壘電容擴散電容2.3.1.勢壘電容1、勢壘電容的來源 當外加電壓周期性變化時，載流子則周期性地流入或流出勢壘區(qū)，相當于電容周期地充電、放電，這就是PN結(jié)勢壘電容。2.3.1.勢壘電容2、突變結(jié)勢壘電容計算思路：1、求出勢壘區(qū)電量；

2、利用C＝AdQ/dV求出電容。勢壘區(qū)單位面積上總電量為：2.3.1.勢壘電容當PN結(jié)上外加電壓V時，勢壘區(qū)寬度為：若PN結(jié)面積為A，則PN結(jié)的勢壘電容為：2.3.1.勢壘電容3、勢壘電容的討論（1）PN結(jié)勢壘電容和平板電容不同，是非線性電容。（2）PN結(jié)在正偏，零偏及反偏壓下均具有勢壘電容效應(yīng)。（3）PN結(jié)勢壘電容與外加電壓有關(guān)。 正偏電壓越高，電容越大。 反偏電壓越高，電容越小。（4）PN結(jié)勢壘電容與其雜質(zhì)濃度分布有關(guān)。（5）由于采用耗盡層近似，反偏下，計算的結(jié)果與實際值接近，而正偏下計算的CT則誤差較大。2.3.2

PN結(jié)擴散電容

正向偏壓時，擴散區(qū)的電荷隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)稱為“擴散電容”。

當PN結(jié)外加正向偏壓V，在其勢壘區(qū)二邊的擴散區(qū)內(nèi)有著非平衡少數(shù)載流子電荷的積累。 當V升高，注入的“少子”電荷增多。相當于電容“充電”；當V降低，注入的“少子”電荷減少，相當于電容“放電”。

2.3.2、PN結(jié)擴散電容2.3.2擴散電容擴散電容計算思路：1、求出擴散區(qū)載流子總電量Qp和Qn；

2、利用C＝dQ/dV求出電容Cp和Cn；

3、利用C＝A（Cp+Cn）求出總電容。2.3.2、PN結(jié)擴散電容對上面兩式在擴散區(qū)內(nèi)進行積分，得到單位面積擴散區(qū)內(nèi)積累的載流子總電荷量：設(shè)PN結(jié)面積為A，則正偏時擴散電容為：2.3.2、PN結(jié)擴散電容擴散電容的討論勢壘電容是由于多子的存入和取出，而擴散電容是由于少子的增加和減少；PN結(jié)擴散電容也是非線性電容；PN結(jié)擴散電容隨電壓呈指數(shù)增加，其大小一般為數(shù)百至數(shù)千皮法；推導公式近似應(yīng)用于低頻情況，擴散電容隨頻率的增加而減小。2.4PN結(jié)擊穿2.4.1、PN結(jié)擊穿的含義 PN結(jié)反向電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加的現(xiàn)象稱為“PN結(jié)擊穿”，這時的電壓稱為擊穿電壓（VR）VRIV2.4.2、產(chǎn)生擊穿的機制產(chǎn)生擊穿的機制熱效應(yīng)隧道效應(yīng)雪崩效應(yīng)2.4.2、產(chǎn)生擊穿的機制

1、雪崩擊穿

PN結(jié)加大的反向偏壓

載流子從電場獲得能量

載流子與勢壘區(qū)晶格碰撞

能量足夠大時價帶電子被激發(fā)到導帶產(chǎn)生一對電子－空穴

新形成的電子、空穴被電場加速，碰撞出新的電子、空穴

載流子倍增硅PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿的電場強度為105～106

V/cm雪崩擊穿為非破壞性可逆擊穿2.4.2、產(chǎn)生擊穿的機構(gòu)2、隧道擊穿

反向偏壓升高

P區(qū)價帶頂高于N區(qū)導帶底

當勢壘區(qū)寬度較小

P區(qū)價帶電子按一定幾率穿透勢壘到達N區(qū)導帶

形成電子空穴對。這種效應(yīng)稱“隧道效應(yīng)”一般： 隧道擊穿的電壓較低，如SiPN結(jié)，VB<4.5V

雪崩擊穿的電壓較高，如SiPN結(jié)，VB>6.7V隧道擊穿為非破壞性可逆擊穿P+區(qū)N+區(qū)勢壘區(qū)ECEV2.4.2、產(chǎn)生擊穿的機構(gòu)對于禁帶寬度比較小的半導體如鍺p-n結(jié)，由于反向飽和電流密度較大，在室溫下熱電擊穿很重要。熱擊穿不可逆。反向電壓↑熱損耗功率↑散熱條件限制T↑3、熱擊穿2.5基于PN結(jié)的器件齊納二極管（Zenerdiode）發(fā)光二極管（LightEmittingDiodes，LED）太陽能電池（Solar

Cells）2.5.1齊納二極管通常齊納二極管摻雜濃度為1：105。齊納二極管的正向偏置和一般二極管相同，但是其反向崩潰電壓的范圍遠大于一般的二極管，能承受比一般二極管更高的電壓，而且齊納二極管的反向電壓操作是可逆的。常見的齊納電壓從3伏特到100伏特。常用于穩(wěn)壓管。2.5.2發(fā)光二極管（LED）LED工作原理：PN結(jié)加上正向電壓，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少子與多子復(fù)合而發(fā)光。光的顏色與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度Eg有關(guān)。產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63

eV之間。LED光源的優(yōu)點：

１、LED光源發(fā)光效率高；２、LED光源耗電量少；３、LED光源使用壽命長；４、LED光源安全可靠性強；５、LED光源有利于環(huán)保；2.5.3太陽能電池工作原理電池結(jié)構(gòu)制備工藝太陽電池一般制成p+/n型結(jié)構(gòu)或n+/p型結(jié)構(gòu)，其中第一個符號，即p+和n+表示太陽電池正面光照半導體材料的導電類型；第二個符號，即n和p表示太陽電池背面襯底半導體材料的導電類型。上圖為在p型半導體材料上擴散磷元素，形成n+/p型結(jié)構(gòu)的太陽電池。上表面為負極；下表面為正極。太陽電池在光照下，能量大于半導體禁帶寬度的光子，使得半導體中原子的價電子受到激發(fā)，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會產(chǎn)生光生電子-空穴對，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對由于熱運動，向各個方向遷移。光生電子-空穴對在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被推進n區(qū)，光生空穴被推進p區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0