半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)資料二PPT課件

.,1,P-N結(jié),采用合金、擴(kuò)散、離子注入等制造工藝，可以在一塊半導(dǎo)體中獲得不同摻雜的兩個區(qū)域，這種P型和N型區(qū)之間的冶金學(xué)界面稱為P-N結(jié)。,雙極型及MOS型半導(dǎo)體器件是由一個或幾個P-N結(jié)組成的，P-N結(jié)是很多半導(dǎo)體器件的心臟，所以研究P-N結(jié)的交、直流特性，是搞清器件機(jī)理的基礎(chǔ)。,2.1,P-N結(jié)及其能帶圖,P-N結(jié)的形成,在一塊N型(或P型)半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚕ㄈ绾辖鸱?、擴(kuò)散法、生長法、離子注入法等）把P型（或N型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊半導(dǎo)體單晶的不同區(qū)域分別具有N型和P型的導(dǎo)電類型，在兩者的交界面處就形成了P-N結(jié)。,.,2,制作方法,合金法,把一小粒鋁放在一塊N型單晶硅片上，加熱到一定溫度，形成鋁硅的熔融體，然后降低溫度，熔融體開始凝固，在N型硅片上形成一含有高濃度鋁的P型硅薄層，它和N型硅襯底的交界面即為P-N結(jié)（稱之為鋁硅合金結(jié)）。,.,3,擴(kuò)散法,在N型單晶硅片上，通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得P-N結(jié)。其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。如圖所示在N型硅單晶上，生長一層SiO2，通過光刻、擴(kuò)散將P型雜質(zhì)擴(kuò)散入N型硅單晶中，形成P-N結(jié)（亦稱之為擴(kuò)散結(jié)）。,.,4,突變結(jié),合金結(jié)的雜質(zhì)分布如圖所示，N型區(qū)中施主雜質(zhì)濃度為ND，而且是均勻分布的，P型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度為NA，也是均勻分布的。在交界面處，雜質(zhì)濃度從NA（P型區(qū)中）突變?yōu)镹D（N型區(qū)中），故稱之為突變結(jié)。設(shè)P-N結(jié)的位置在x=xj處，則突變結(jié)的雜質(zhì)分布可表示為,.,5,實際的突變結(jié)，兩邊的雜質(zhì)濃度相差很大。例如N區(qū)的施主雜質(zhì)濃度為1016cm-3，而P區(qū)的受主雜質(zhì)濃度為1019cm-3。如圖所示的雜質(zhì)分布可近似為突變結(jié)。,.,6,緩變結(jié),由擴(kuò)散法形成的P-N結(jié)，雜質(zhì)濃度從P區(qū)到N區(qū)是逐漸變化的，通常稱之為緩變結(jié)，如圖所示。設(shè)P-N結(jié)位置在x=xj處，則結(jié)中的雜質(zhì)分布可表示為,.,7,如果雜質(zhì)分布可用x=xj處的切線近似表示，則稱之為線性緩變結(jié)，如圖所示。此時，線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布可表示為,j是x=xj處切線的斜率，稱之為雜質(zhì)濃度梯度，決定于擴(kuò)散雜質(zhì)的實際分布，可以用實驗方法測得。但對于高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)，xj處的斜率j非常大，這時擴(kuò)散結(jié)可用突變結(jié)來近似。,.,8,合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)一般可認(rèn)為是突變結(jié)，而低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)一般可認(rèn)為是線性緩變結(jié)。,綜上所述,.,9,P-N結(jié)能帶圖,擴(kuò)散,當(dāng)半導(dǎo)體形成P-N結(jié)時，由于結(jié)兩邊存在著載流子濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從P區(qū)到N區(qū)，電子從N區(qū)到P區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動。,空間電荷/空間電荷區(qū),對于P區(qū)空穴離開后，留下了不可移動的帶負(fù)電荷的電離受主，這些電離受主沒有正電荷與之保持電中性，因此，在P-N結(jié)附近P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個負(fù)電荷區(qū)；同理，在P-N結(jié)附近N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的一個正電荷區(qū)，通常把在P-N結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱為空間電荷，它們所存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)（也稱之為勢壘區(qū)）,.,10,內(nèi)建電場,空間電荷區(qū)中的這些電荷產(chǎn)生了從N區(qū)指向P區(qū)，即從正電荷指向負(fù)電荷的電場，稱之為內(nèi)建電場（自建電場）。,漂移,在內(nèi)建電場作用下，載流子作漂移運(yùn)動。顯然，電子和空穴的漂移運(yùn)動方向與它們各自擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反。因此，內(nèi)建電場起到阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作用。,.,11,.,12,隨著擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行，空間電荷逐漸增多，空間電荷區(qū)逐漸擴(kuò)展；同時，內(nèi)建電場逐漸增強(qiáng)，載流子的漂移運(yùn)動逐漸加強(qiáng)，在沒有外加電壓的情況下，載流子的擴(kuò)散和漂移最終達(dá)到動態(tài)平衡，即從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散過去多少電子，同時就有同樣多的電子在內(nèi)建電場作用下返回N區(qū)。因而電子的擴(kuò)散電流和漂移電流的大小相等，方向相反，從而相互抵消。對于空穴，情況完全相似。因此沒有凈電流流過P-N結(jié)，即凈電流為零。這時空間電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)不再繼續(xù)擴(kuò)展，保持一定的寬度，同時存在一定的內(nèi)建電場。一般在這種情況下的P-N結(jié)稱為熱平衡狀態(tài)下的P-N結(jié)（簡稱平衡P-N結(jié)）。,2.2,平衡P-N結(jié),.,13,平衡P-N結(jié)的能帶圖,N型、P型半導(dǎo)體的能帶圖，圖中EFn和EFp分別表示N型和P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級。,.,14,當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成P-N結(jié)時，按照費(fèi)米能級的意義，電子將從費(fèi)米能級高的N區(qū)流向費(fèi)米能級低的P區(qū)，空穴則從P區(qū)流向N區(qū)。因而EFn不斷下移，而EFp不斷上移，直至EFn=EFp。,這時，P-N結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級EF，P-N結(jié)處于平衡狀態(tài)，其能帶圖如圖所示。能帶相對移動的原因是P-N結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場的結(jié)果。,.,15,P-N結(jié)的載流子分布,計算平衡P-N結(jié)中各處的載流子濃度時，取P區(qū)電勢為零，則勢壘區(qū)中一點(diǎn)x的電勢V(x)為正值，越接近N區(qū)的點(diǎn)，其電勢越高，到勢壘區(qū)邊界xn處的N區(qū)電勢最高為VD，如圖所示。圖中xn，-xp分別為N區(qū)和P區(qū)勢壘區(qū)邊界。對電子而言，相應(yīng)的P區(qū)的電勢能為0，比N區(qū)的電勢能E(xn)=Ecn=-qVD高qVD。勢壘區(qū)內(nèi)點(diǎn)x處的電勢能為E(x)=-qV(x)，比N區(qū)高qVD-qV(x)。,.,16,.,17,nn0N區(qū)平衡多數(shù)載流子電子濃度,np0P區(qū)平衡少數(shù)載流子電子濃度,pn0N區(qū)平衡少數(shù)載流子空穴濃度,pp0P區(qū)平衡多數(shù)載流子空穴濃度,.,18,平衡P-N勢壘區(qū)電子和空穴的濃度分布,.,19,當(dāng)x=-xp時，V(x)=0，n(-xp)=np0,當(dāng)x=-xp時，V(x)=0，p(-xp)=pp0,同一種載流子在勢壘區(qū)兩邊的濃度關(guān)系服從玻爾茲曼分布函數(shù)關(guān)系,.,20,耗盡層,室溫附近，對于絕大部分勢壘區(qū)，其中雜質(zhì)雖然都已電離，但載流子濃度比起N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子濃度小得多，好像已經(jīng)耗盡了，所以通常也稱勢壘區(qū)為耗盡層，即認(rèn)為其中載流子濃度很小，可以忽略，空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度。,.,21,勢壘區(qū)和接觸電勢差,從圖中可以看出，在P-N結(jié)的空間電荷區(qū)中能帶發(fā)生彎曲，電子從勢能低的N區(qū)向勢能高的P區(qū)運(yùn)動時，必須克服這一勢能“高坡”，才能達(dá)到P區(qū)；同理，空穴也必須克服這一勢能“高坡”，才能從P區(qū)到達(dá)N區(qū)。這一勢能“高坡”通常稱為P-N結(jié)的勢壘，故空間電荷區(qū)也叫勢壘區(qū)。從圖中還可以看出P區(qū)導(dǎo)帶和價帶的能量比N區(qū)的高qVD。VD稱為P-N結(jié)的接觸電勢差。,.,22,在熱平衡條件下求接觸電勢差,線性緩變結(jié),突變結(jié),.,23,練習(xí),簡單描述P-N結(jié)制作方法和雜質(zhì)分布之間的關(guān)系。什么是空間電荷區(qū)？什么是勢壘區(qū)？什么是耗盡層？內(nèi)建電場是如何形成的，方向如何？試寫出突變結(jié)和線性緩變結(jié)雜質(zhì)分布的表達(dá)式。試概括平衡時的P-N結(jié)有哪些特點(diǎn)。,.,24,突變結(jié)的雜質(zhì)分布,N區(qū)有均勻施主雜質(zhì)，濃度為ND，P區(qū)有均勻受主雜質(zhì)，濃度為NA。勢壘區(qū)的正負(fù)空間電荷區(qū)的寬度分別為xn和-xp。同樣取x=0處為交界面，如圖2-10所示，,.,25,突變結(jié)的電荷分布,勢壘區(qū)的電荷密度為,整個半導(dǎo)體滿足電中性條件，勢壘區(qū)內(nèi)正負(fù)電荷總量相等,NAxp=NDxn,.,26,NAxp=NDxn,表明：勢壘區(qū)內(nèi)正負(fù)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。例如，若NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，則xp比xn大100倍。所以勢壘區(qū)主要向雜質(zhì)濃度低的一邊擴(kuò)散。,.,27,突變結(jié)的電場分布,在平衡突變結(jié)勢壘區(qū)中，電場強(qiáng)度是位置x的線性函數(shù)。電場方向沿x負(fù)方向，從N區(qū)指向P區(qū)。在x=0處，電場強(qiáng)度達(dá)到最大值,.,28,.,29,突變結(jié)的電勢分布,電勢分布是拋物線形式的,.,30,突變結(jié)的電勢能（能帶圖）,因為V(x)表示點(diǎn)x處的電勢，而-qV(x)則表示電子在x點(diǎn)的電勢能，因此P-N結(jié)勢壘區(qū)的能帶如圖所示。可見，勢壘區(qū)中能帶變化趨勢與電勢變化趨勢相反。,.,31,2.3,P-N結(jié)直流特性,平衡P-N結(jié),非平衡P-N結(jié),一定寬度和勢壘高度的勢壘區(qū)；內(nèi)建電場恒定；凈電流為零；費(fèi)米能級處處相等。,當(dāng)P-N結(jié)兩端有外加電壓時,.,32,外加直流電壓下，P-N結(jié)勢壘的變化及載流子的運(yùn)動,正向偏壓,P-N結(jié)加正向偏壓V（即P區(qū)接電源正極，N區(qū)接負(fù)極）勢壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很小，電阻很大，勢壘區(qū)外的P區(qū)和N區(qū)中載流子濃度很大，電阻很小，所以外加正向偏壓基本降落在勢壘區(qū)。正向偏壓在勢壘區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場方向相反的電場，因而減弱了勢壘區(qū)中的電場強(qiáng)度，這就表明空間電荷相應(yīng)減少。故勢壘區(qū)的寬度也減小，同時勢壘高度從qVD下降為q(VD-V)。,.,33,.,34,勢壘區(qū)電場減弱，破壞了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動之間的平衡，削弱了漂移運(yùn)動，使擴(kuò)散電流大于漂移電流。所以在加正向偏壓時，產(chǎn)生了電子從N區(qū)向P區(qū)以及空穴從P區(qū)到N區(qū)的凈擴(kuò)散電流。電子通過勢壘區(qū)擴(kuò)散入P區(qū)，在邊界xp處形成電子的積累，成為P區(qū)的非平衡少數(shù)載流子，結(jié)果使xp處電子濃度比P區(qū)內(nèi)部高，形成了從xp處向P區(qū)內(nèi)部的電子擴(kuò)散流。非平衡少子邊擴(kuò)散邊與P區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)過擴(kuò)散長度的距離后，全部被復(fù)合。這一段區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)。,.,35,.,36,在一定的正向偏壓下，單位時間內(nèi)從N區(qū)來到xp處的非平衡少子濃度是一定的，并在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成一穩(wěn)定的分布。所以，在正向偏壓一定時，在xp處就有一不變的向P區(qū)內(nèi)部流動的電子擴(kuò)散流。同理，在邊界xn處也有一不變的向N區(qū)內(nèi)部流動的空穴擴(kuò)散流。N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴都是多數(shù)載流子，分別進(jìn)入P區(qū)和N區(qū)后形成P區(qū)和N區(qū)的非平衡少數(shù)載流子。當(dāng)增大正偏壓時，勢壘降得更低，增大了流入P區(qū)的電子流和流入N區(qū)的空穴流，這種由于外加正向偏壓的作用使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程稱為非平衡載流子的電注入。,.,37,在假設(shè)通過勢壘區(qū)的電子電流和空穴電流均保持不變的情況下，通過P-N結(jié)的總電流，就是通過邊界xp的電子擴(kuò)散電流與通過邊界xn的空穴擴(kuò)散電流之和。,.,38,反向偏壓,當(dāng)P-N結(jié)加反向偏壓V時（V0）（即N區(qū)接電源正極，P區(qū)接負(fù)極）反向偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向一致，勢壘區(qū)的電場增強(qiáng)，勢壘區(qū)也變寬，空間電荷數(shù)量變多，勢壘高度由qVD增加為q(VD-V)。,.,39,.,40,勢壘區(qū)電場增強(qiáng)，破壞了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動之間的原有平衡，增強(qiáng)了漂移運(yùn)動，使漂移流大于擴(kuò)散流。這時，N區(qū)邊界xn處的空穴被勢壘區(qū)的強(qiáng)電場驅(qū)向P區(qū)，而P區(qū)邊界xp處的電子被驅(qū)向N區(qū)。當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，內(nèi)部的少子就來補(bǔ)充，形成了反向偏壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流，這種情況好像少數(shù)載流子不斷被抽出來，所以稱為少數(shù)載流子的抽取或吸出。,.,41,.,42,P-N結(jié)中總的反向電流等于勢壘區(qū)邊界xn和xp附近的少數(shù)載流子擴(kuò)散電流之和。因為少子濃度很低，而擴(kuò)散長度基本沒變化，所以反向偏壓時少子的濃度梯度也較小；當(dāng)反向電壓很大時，邊界處的少子可以認(rèn)為是零。這時少子的濃度梯度不再隨電壓變化，因此擴(kuò)散電流也不隨電壓變化，所以在反向偏壓下，P-N結(jié)的電流較小并且趨于不變。,.,43,外加直流電壓下，P-N結(jié)的能帶圖（自學(xué)）,理想P-N假設(shè)條件,為了討論P(yáng)-N結(jié)伏安特性方便起見，先合理假設(shè)P-N結(jié)滿足以下條件：（1）小注入條件（即注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多）；（2）突變耗盡層條件：即外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層上，注入的少數(shù)載流子在P區(qū)和N區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動；（3）通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用。,.,44,練習(xí),4-1.當(dāng)P-N結(jié)外加正向偏置電壓時，外加電壓形成的電場方向與內(nèi)建電場_（相反/一致），導(dǎo)致勢壘區(qū)總的電場強(qiáng)度_（增強(qiáng)/減弱），這說明空間電荷數(shù)量_（增多/減少），也就意味著勢壘區(qū)寬度_（增大/減?。瑒輭靖叨萠（增大/減?。?。此時，電場強(qiáng)度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動_（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動，形成_（凈擴(kuò)散/凈漂移），以致勢壘區(qū)邊界載流子濃度_（大于/小于）該區(qū)內(nèi)部，從而在區(qū)形成_（從區(qū)勢壘邊界向區(qū)內(nèi)部從區(qū)內(nèi)部向區(qū)勢壘邊界）的_（電子空穴）的_（擴(kuò)散漂移），在區(qū)形成_（從區(qū)勢壘邊界向區(qū)內(nèi)部從區(qū)內(nèi)部向區(qū)勢壘邊界）的_（電子空穴）的_（擴(kuò)散漂移）。,.,45,4-2.當(dāng)P-N結(jié)外加反向偏置電壓時，外加電壓形成的電場方向與內(nèi)建電場_（相反/一致），導(dǎo)致勢壘區(qū)總的電場強(qiáng)度_（增強(qiáng)/減弱），這說明空間電荷數(shù)量_（增多/減少），也就意味著勢壘區(qū)寬度_（增大/減?。?，勢壘高度_（增大/減小）。此時，電場強(qiáng)度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動_（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動，形成_（凈擴(kuò)散/凈漂移），以致勢壘區(qū)邊界載流子濃度_（大于/小于）該區(qū)內(nèi)部，從而在區(qū)形成_（從區(qū)勢壘邊界向區(qū)內(nèi)部從區(qū)內(nèi)部向區(qū)勢壘邊界）的_（電子空穴）的_（擴(kuò)散漂移），在區(qū)形成_（從區(qū)勢壘邊界向區(qū)內(nèi)部從區(qū)內(nèi)部向區(qū)勢壘邊界）的_（電子空穴）的_（擴(kuò)散漂移）。,.,46,當(dāng)P-N結(jié)滿足上述假設(shè)條件時，其直流特性具體可分以下四個步驟進(jìn)行。根據(jù)準(zhǔn)費(fèi)米能級計算勢壘區(qū)邊界xn和xp處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度；以邊界xn和xp處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度作邊界條件，解擴(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式，得到擴(kuò)散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布；將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布代入擴(kuò)散方程，算出擴(kuò)散流密度后，再算出少數(shù)載流子的電流密度；將兩種載流子的擴(kuò)散電流密度相加，得到理想P-N結(jié)模型的電流電壓方程式（具體分析過程略）。,.,47,JS,理想P-N結(jié)伏安特性表達(dá)式（電流電壓關(guān)系式）,Ln、Lp分別表示電子和空穴的擴(kuò)散長度,2-14,.,48,P-N結(jié)具有單向?qū)щ娦?在正向偏壓下，正向電流密度隨正向偏壓呈指數(shù)關(guān)系迅速增大。在室溫下，k0T/q=0.026V，一般外加正向偏壓約零點(diǎn)幾伏，故exp(qV/k0T)1，式（2-14）可以表示為,.,49,.,50,在反向偏壓下，V0，當(dāng)q|V|遠(yuǎn)大于k0T時，exp(qV/k0T)趨于零，式（2-14）可表示為,負(fù)號表示電流密度方向與正向時相反；反向電流密度為常量，與外加電壓無關(guān)。-Js反向飽和電流密度,（2-16）,.,51,正向及反向偏壓下，曲線是不對稱的，表現(xiàn)出P-N結(jié)具有單向?qū)щ娦曰蛘餍?yīng)。,.,52,作業(yè),P552（補(bǔ)充訂正）、3、5,.,53,實際反偏P-N結(jié)直流特性的補(bǔ)充說明,P-N結(jié)反向擴(kuò)散電流,P-N結(jié)反偏時，V0，此時勢壘邊界處的非平衡少子濃度比平衡時小，勢壘有抽取非平衡少子的作用，擴(kuò)散電流方向是體內(nèi)向邊界處擴(kuò)散。當(dāng)V不變時，邊界處非平衡少子的濃度一定，形成穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。當(dāng)反偏絕對值足夠大時，勢壘邊界處的非平衡少子幾乎被抽取光了，此時邊界少子濃度為零，與體內(nèi)少子濃度的梯度不再隨外加反向偏壓的變化而變化，即反向電流趨于飽和。,.,54,P-N結(jié)反向勢壘產(chǎn)生電流,在反向偏壓時，實際測得的反向電流比理論計算值大得多，而且反向電流是不飽和的，隨反向偏壓的增大略有增加。這說明理想電流電壓方程式?jīng)]有完全反映外加電壓下的P-N結(jié)情況，還必須考慮其他因素的影響。其中的主要因素是存在反向勢壘產(chǎn)生電流。,反偏時，勢壘區(qū)內(nèi)的電場加強(qiáng)，在勢壘區(qū)內(nèi)，由于熱激發(fā)的作用，載流子產(chǎn)生率大于復(fù)合率，具有凈產(chǎn)生，從而形成另一部分反向電流，稱為勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流，以IG表示。,.,55,若P-N結(jié)勢壘區(qū)寬度為Xm，則勢壘區(qū)產(chǎn)生電流密度為,由式（2-16）得P+-N結(jié)反向擴(kuò)散電流密度為,（2-17）,（2-18）,鍺的禁帶寬度小，ni2大，在室溫下從式（2-18）算得的JRD比從式（2-17）算得的JG大得多，所以在反向電流中擴(kuò)散電流起主要作用。硅，禁帶寬度比較寬，ni2小，所以JG的值比JRD值大得多，因此在反向電流中勢壘產(chǎn)生電流占主要地位。由于勢壘區(qū)寬度Xm隨反向偏壓的增加而變寬，所以勢壘區(qū)產(chǎn)生電流不是飽和的，隨反向偏壓增加而緩慢地增加。,.,56,表面對反向漏電流的影響,由于硅P-N結(jié)的勢壘產(chǎn)生電流要比反向擴(kuò)散電流大得多，所以可以用式（2-17）計算硅P-N結(jié)的反向漏電流，只要乘以P-N結(jié)結(jié)面積A即可。但往往用這種方法計算得到的反向漏電流比實際測量得到的漏電流小很多，這說明我們還忽略了其他影響反向漏電流的重要因素。這個因素就是半導(dǎo)體表面對反向漏電流的影響。,.,57,表面對反向漏電流的影響主要表現(xiàn)在以下三個方面,表面漏電流。P-N結(jié)溝道漏電流。表面復(fù)合電流。,.,58,表面漏電流,實際生產(chǎn)中表面漏電流可能比體內(nèi)電流大很多。在P-N結(jié)的生產(chǎn)過程中，硅片表面很可能沾污一些金屬離子（如鈉離子）和水汽分子，這些金屬離子和水汽分子相當(dāng)于在半導(dǎo)體表面并聯(lián)了一個附加的電導(dǎo)，它可以使電流從N區(qū)電極沿半導(dǎo)體表面直接流到P區(qū)的電極，從而引起反向漏電流的增加。如果表面沾污嚴(yán)重的話，由此引出的表面漏電流可能比勢壘產(chǎn)生電流大得多，從而成為反向漏電流的主要成分。,.,59,P-N結(jié)溝道漏電流,硅平面器件通常是用二氧化硅層作保護(hù)的，一方面可以提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，另一方面也可以減小反向漏電流。但如果二氧化硅層質(zhì)量不好的話，會使半導(dǎo)體表面出現(xiàn)反型，形成反型溝道。（具體內(nèi)容還會在本書第七章作詳細(xì)介紹。）反型溝道的存在相當(dāng)于增大了P-N結(jié)的結(jié)面積，即勢壘區(qū)面積增大，從而使勢壘產(chǎn)生電流增大。,.,60,表面復(fù)合電流,半導(dǎo)體存在一些具有復(fù)合中心作用的能級，一部分少數(shù)載流子將在表面通過這些復(fù)合中心能級復(fù)合掉，從而導(dǎo)致反向電流的增加。,.,61,綜上所述，P-N結(jié)的反向電流包括體內(nèi)擴(kuò)散電流、勢壘產(chǎn)生電流和表面漏電流三種成分。在實際P-N結(jié)二極管中，往往是表面漏電流占了主要地位。因此，在生產(chǎn)過程中，如何減小表面漏電流成了一個重要問題，通常可以從以下三個工藝角度加以考慮。,所選用的材料盡量避免摻雜不均勻、位錯密度過高和含有過多的有害雜質(zhì)；避免氧化層結(jié)構(gòu)疏松和光刻中的針孔、小島等問題；注意工藝潔凈度，如去離子水和化學(xué)試劑的純度，特別應(yīng)該注意減小鈉離子的沾污。,.,62,影響P-N結(jié)電流電壓特性偏離理想方程的各種因素,實驗測量表示，理想的電流電壓方程式和小注入下鍺P-N結(jié)的實驗結(jié)果符合較好，但與硅P-N結(jié)的實驗結(jié)果偏離較大。由圖看出，在正向偏壓時，理論與實驗結(jié)果間的偏差表現(xiàn)在：,(1)正向電流小時，理論計算值比實驗值??；(2)正向電流較大時，曲線c段J-V關(guān)系為JexpqV/(2k0T)；(3)在曲線d段，J-V關(guān)系不是指數(shù)關(guān)系，而是線性關(guān)系。,.,63,（1）正向電流小時，理論計算值比實驗值?。唬?）正向電流較大時，曲線c段J-V關(guān)系為JexpqV/(2k0T)；（3）在曲線d段，J-V關(guān)系不是指數(shù)關(guān)系，而是線性關(guān)系。,.,64,引起上述差別的主要原因有：,（1）表面效應(yīng)；（已介紹）（2）勢壘區(qū)中的產(chǎn)生和復(fù)合；（P46自學(xué)）（其中產(chǎn)生已介紹）（3）大注入條件；（c段）（P47自學(xué)）（4）串聯(lián)電阻效應(yīng)。（d段）,.,65,練習(xí),反向偏壓下，硅P-N結(jié)電流偏離理想方程的原因是什么？為什么鍺P-N結(jié)在反偏情況下，伏安特性與理想方程符合比較好？正偏P-N結(jié)實際伏安特性和理想情況的偏差表現(xiàn)在哪些方面？P556,.,66,2.4P-N結(jié)電容,P-N結(jié)有整流效應(yīng)，但是它又包含著破壞整流特性的因素。這個因素就是P-N結(jié)的電容。一個P-N結(jié)在低頻電壓下，能很好地起整流作用，但是當(dāng)電壓頻率增高時，其整流特性變壞，甚至基本上沒有整流效應(yīng)。這是因為P-N結(jié)具有電容特性。討論：P-N結(jié)為什么具有電容特性？P-N結(jié)電容的大小和什么因素有關(guān)？P-N結(jié)電容包括勢壘電容和擴(kuò)散電容兩部分。,.,67,勢壘電容,當(dāng)P-N結(jié)加正向偏壓時，勢壘區(qū)的電場隨正向偏壓的增加而減弱，勢壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少。因為空間電荷是由不能移動的雜質(zhì)離子組成，所以空間電荷的減少是由于N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴過來中和了勢壘區(qū)中一部分電離施主和電離受主。這就是說，在外加正向偏壓增加時，將有一部分電子和空穴“存入”勢壘區(qū)。反之，當(dāng)正向偏壓減小時，勢壘區(qū)的電場增強(qiáng)，勢壘區(qū)寬度增加，空間電荷數(shù)量增多，這就是由一部分電子和空穴從勢壘區(qū)中“取出”。對于加反向偏壓的情況，可作類似分析。,.,68,.,69,反向偏壓的絕對值增大，載流子存入勢壘區(qū)還是從勢壘區(qū)取出？反向偏壓的絕對值減小，載流子存入勢壘區(qū)還是從勢壘區(qū)取出？正向偏壓增大，載流子存入擴(kuò)散區(qū)還是從擴(kuò)散區(qū)取出？正向偏壓減小，載流子存入擴(kuò)散區(qū)還是從擴(kuò)散區(qū)取出？,.,70,P-N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(dǎo)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，以CT表示。,勢壘電容,.,71,擴(kuò)散電容,正向偏壓時，有空穴從P區(qū)注入N區(qū)。當(dāng)正向偏壓增加時，由P區(qū)注入到N區(qū)的空穴增加，注入的空穴一部分?jǐn)U散走了，一部分則增加了N區(qū)的空穴積累，增加了載流子的濃度梯度。電子情況完全相同。在外加電壓變化時，N擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴也增加，與它保持電中性的電子也相應(yīng)增加。P擴(kuò)散區(qū)情況完全相同。這種由于擴(kuò)散區(qū)積累的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為P-N結(jié)的擴(kuò)散電容。用CD表示。,.,72,實驗發(fā)現(xiàn)，P-N結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)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P-N結(jié)的電容。當(dāng)P-N結(jié)在一個固定直流偏壓V的作用下，疊加一個微小的直流電壓dV時，這個微小的電壓變化dV所引起的電荷變化dQ，稱為這個直流偏壓下的微分電容，即,微分電容,P-N結(jié)的直流偏壓數(shù)值不同，微分電容也不同。,.,73,突變結(jié)的勢壘電容,（2-20）,（2-19）,推導(dǎo)略,.,74,勢壘寬度,材料的相對介電系數(shù),真空介電常數(shù),與平行板電容器電容公式在形式上完全一致。因此，可以把P-N結(jié)勢壘電容等效為一個平行板電容器的電容，勢壘區(qū)寬度對應(yīng)于兩平行極板間的距離，P-N結(jié)的面積對應(yīng)于平行極板的面積。,P-N結(jié)面積,將式（2-19）代入（2-20）可得,.,75,對于P+-N結(jié)或N+-P結(jié)，公式（2-20）可簡化為,（2-21）,輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度,（1）和突變結(jié)的勢壘電容和結(jié)的面積以及輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的平方根成正比，因此減小結(jié)面積以及降低輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度是減小結(jié)電容的途徑；（2）和突變結(jié)勢壘電容和電壓（VD-V）的平方根成反比，反向偏壓越大，則勢壘電容越小，若外加電壓隨時間變化，則勢壘電容也隨時間變化，可利用這一特性制作變?nèi)萜骷?.,76,線性緩變結(jié)的勢壘電容,濃度梯度,（1）和結(jié)面積及雜質(zhì)濃度梯度的立方根成正比，因此，減小結(jié)面積和降低雜質(zhì)濃度梯度有利于減小勢壘電容；（2）和（VD-V）的立方根成反比，增大反向電壓，電容將減小。,.,77,突變結(jié)和線性緩變結(jié)的勢壘電容，都與外加電壓有關(guān)，這在實際當(dāng)中很有用處。一方面可以制成變?nèi)萜骷?；另一方面可以用來測量結(jié)附近的雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)濃度梯度等。,小結(jié),.,78,P+-N結(jié)的擴(kuò)散電容,擴(kuò)散電容隨頻率的增加而減小,擴(kuò)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時，擴(kuò)散電容便起主要作用。,.,79,2.5P-N結(jié)擊穿,實驗發(fā)現(xiàn)，對P-N結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值VBR時，反向電流密度突然開始增大，此現(xiàn)象稱為P-N結(jié)擊穿。發(fā)生擊穿時的反向偏壓稱為P-N結(jié)的擊穿電壓，如圖所示。,.,80,發(fā)生P-N結(jié)擊穿的機(jī)理主要有以下幾種,雪崩擊穿隧道擊穿熱電擊穿(熱擊穿),.,81,雪崩擊穿,當(dāng)反向偏壓很大時，勢壘區(qū)中的電場很強(qiáng)，在勢壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴由于受到強(qiáng)電場的漂移作用，具有很大的能量，它們與勢壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時，能把價鍵上的電子碰撞出來，成為導(dǎo)電電子，同時產(chǎn)生一個空穴（第一代載流子）。勢壘區(qū)中電子碰撞出來一個電子和一個空穴