半導(dǎo)體器件物理8

1、 1.7 隧道電流隧道電流1PN 結(jié)隧道效應(yīng)結(jié)隧道效應(yīng)當(dāng)當(dāng) P 區(qū)和區(qū)和 N 區(qū)均為重?fù)诫s的情況時(shí)，有些載流子可能穿透區(qū)均為重?fù)诫s的情況時(shí)，有些載流子可能穿透（代替越過）勢壘而產(chǎn)生額外的電流，這種機(jī)制稱為量子力（代替越過）勢壘而產(chǎn)生額外的電流，這種機(jī)制稱為量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。在下列情況下可以出現(xiàn)隧道效應(yīng)：學(xué)的隧道效應(yīng)。在下列情況下可以出現(xiàn)隧道效應(yīng)： 費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部； 空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透率；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(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的在相同的能量水平上在一側(cè)的能帶中有電子而在另一

2、側(cè)的能帶中有空的狀態(tài)。能帶中有空的狀態(tài)。2 隧道結(jié)的電流隧道結(jié)的電流-電壓特性電壓特性對于對于 P 區(qū)和區(qū)和 N 區(qū)都是重?fù)诫s的區(qū)都是重?fù)诫s的 PN 結(jié)的電流結(jié)的電流-電壓特性如圖所電壓特性如圖所示。示。正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升并達(dá)到一正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升并達(dá)到一個(gè)極大值個(gè)極大值 ，稱為峰值電流，對應(yīng)的正向電壓，稱為峰值電流，對應(yīng)的正向電壓 稱為峰值稱為峰值電壓。隨后電壓增加，電流反而減小，達(dá)到一極小值電壓。隨后電壓增加，電流反而減小，達(dá)到一極小值 ，稱為谷值電流，對應(yīng)的電壓稱為谷值電流，對應(yīng)的電壓 稱為谷值電壓。當(dāng)電壓大于稱為谷值電壓。當(dāng)電壓大于谷值電

3、壓谷值電壓 后，電流又隨電壓而上升。在后，電流又隨電壓而上升。在 這段電這段電壓范圍內(nèi)，隨著電壓的增大電流反而減小的現(xiàn)象稱為負(fù)阻。壓范圍內(nèi)，隨著電壓的增大電流反而減小的現(xiàn)象稱為負(fù)阻。反向偏壓時(shí)，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加，由反向偏壓時(shí)，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加，由重?fù)诫s的重?fù)诫s的 P 區(qū)和區(qū)和 N 區(qū)形成的區(qū)形成的 PN 結(jié)通常稱為隧道結(jié)，由這結(jié)通常稱為隧道結(jié)，由這種隧道結(jié)制成的隧道二極管，由于它具有正向負(fù)阻特性而種隧道結(jié)制成的隧道二極管，由于它具有正向負(fù)阻特性而獲得了很多用途。例如用于微波放大、高速開關(guān)、激光振獲得了很多用途。例如用于微波放大、高速開關(guān)、激光振蕩源等。蕩源等

4、。 IpVpIvVvVvVVvp3 能帶解釋能帶解釋 在簡并化的重?fù)诫s半導(dǎo)體中，在簡并化的重?fù)诫s半導(dǎo)體中，N 型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級進(jìn)入了導(dǎo)帶，型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級進(jìn)入了導(dǎo)帶，P 型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級進(jìn)入了價(jià)帶。型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級進(jìn)入了價(jià)帶。未加電壓時(shí)未加電壓時(shí)，P 區(qū)價(jià)帶和區(qū)價(jià)帶和 N 區(qū)導(dǎo)帶區(qū)導(dǎo)帶雖然具有相同能量的量子態(tài)，但是雖然具有相同能量的量子態(tài)，但是 N 區(qū)和區(qū)和 P 區(qū)的費(fèi)米能級相等，在結(jié)區(qū)的費(fèi)米能級相等，在結(jié)的兩邊，費(fèi)米能級以下沒有空量子的兩邊，費(fèi)米能級以下沒有空量子態(tài)，費(fèi)米能級以上的量子態(tài)沒有電態(tài)，費(fèi)米能級以上的量子態(tài)沒有電子占據(jù)，所以，隧道電流為零，對子占據(jù)，所以，隧道電流為零，對應(yīng)

5、于特征曲線上的點(diǎn)應(yīng)于特征曲線上的點(diǎn) 0。 （a）對應(yīng)點(diǎn)）對應(yīng)點(diǎn) 0（e）對應(yīng)點(diǎn)）對應(yīng)點(diǎn) 4（b）對應(yīng)點(diǎn)）對應(yīng)點(diǎn) 1（c）對應(yīng)點(diǎn)）對應(yīng)點(diǎn) 2（d）對應(yīng)點(diǎn)）對應(yīng)點(diǎn) 3（f）對應(yīng)點(diǎn)）對應(yīng)點(diǎn) 5（b）（e）正向）正向偏壓逐漸增大偏壓逐漸增大（f）為反向偏壓）為反向偏壓 加一很小的正向電壓加一很小的正向電壓 時(shí)，時(shí)，N 區(qū)能帶相對于區(qū)能帶相對于 P 區(qū)將升高區(qū)將升高 ，這時(shí)結(jié)兩邊能量相等的量子態(tài)中，這時(shí)結(jié)兩邊能量相等的量子態(tài)中，P 區(qū)價(jià)帶的費(fèi)米能區(qū)價(jià)帶的費(fèi)米能級以上有空量子態(tài)，而級以上有空量子態(tài)，而 N 區(qū)導(dǎo)帶的費(fèi)米能級以下有量子態(tài)被區(qū)導(dǎo)帶的費(fèi)米能級以下有量子態(tài)被電子占據(jù)，如圖所示（電子占據(jù)，如圖所示（

6、b）。因此，）。因此，N 區(qū)導(dǎo)帶中的電子可能區(qū)導(dǎo)帶中的電子可能穿過隧道到達(dá)穿過隧道到達(dá) P 區(qū)價(jià)帶中，產(chǎn)生從區(qū)價(jià)帶中，產(chǎn)生從 P 區(qū)向區(qū)向 N 區(qū)的正向隧道電區(qū)的正向隧道電流，對應(yīng)于特征曲線上的點(diǎn)流，對應(yīng)于特征曲線上的點(diǎn) 1。VqV 繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度 不斷下降，有更不斷下降，有更多的電子從多的電子從 N 區(qū)穿過隧道到達(dá)區(qū)穿過隧道到達(dá) P 區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流不斷增大。當(dāng)正向偏壓增大到不斷增大。當(dāng)正向偏壓增大到 時(shí)，這時(shí)時(shí)，這時(shí) P 區(qū)的費(fèi)米能級區(qū)的費(fèi)米能級與與 N 區(qū)導(dǎo)帶底一樣高，區(qū)導(dǎo)帶底一樣高，N 區(qū)的導(dǎo)帶和區(qū)的導(dǎo)帶和 P 區(qū)的

7、價(jià)帶中能量相同區(qū)的價(jià)帶中能量相同的量子態(tài)達(dá)到最多，如圖（的量子態(tài)達(dá)到最多，如圖（c）所示，）所示，N 區(qū)導(dǎo)帶中的電子可能區(qū)導(dǎo)帶中的電子可能全部穿過隧道到全部穿過隧道到 P 區(qū)價(jià)帶中的空量子態(tài)去，正向電流達(dá)到極區(qū)價(jià)帶中的空量子態(tài)去，正向電流達(dá)到極大值大值 ，這時(shí)對應(yīng)于特征曲線的點(diǎn)，這時(shí)對應(yīng)于特征曲線的點(diǎn) 2。)(DVVqIpVp 再繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度進(jìn)一步降低，在結(jié)兩邊能再繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度進(jìn)一步降低，在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)開始減少，使量相同的量子態(tài)開始減少，使 N 區(qū)導(dǎo)帶中可能穿過隧道的電區(qū)導(dǎo)帶中可能穿過隧道的電子數(shù)以及子數(shù)以及 P 區(qū)價(jià)帶中可能接受穿過隧道的電子的空量子態(tài)均

8、區(qū)價(jià)帶中可能接受穿過隧道的電子的空量子態(tài)均減少，如圖（減少，如圖（d）所示，這時(shí)隧道電流減小，出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象，）所示，這時(shí)隧道電流減小，出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象，對應(yīng)特性曲線上點(diǎn)對應(yīng)特性曲線上點(diǎn) 3。 正向偏壓增大到正向偏壓增大到 時(shí)，時(shí)，N 區(qū)導(dǎo)帶底和區(qū)導(dǎo)帶底和 P 區(qū)價(jià)帶頂一樣高，區(qū)價(jià)帶頂一樣高，如圖（如圖（e）所示，這時(shí)）所示，這時(shí) P 區(qū)價(jià)帶和區(qū)價(jià)帶和 N 區(qū)導(dǎo)帶中沒有能量相同區(qū)導(dǎo)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(yīng)減少為零，的量子態(tài)，因此不能發(fā)生隧道穿通，隧道電流應(yīng)減少為零，對應(yīng)特征曲線上點(diǎn)對應(yīng)特征曲線上點(diǎn) 4。Vv但實(shí)際上在但實(shí)際上在 時(shí)正向電流并不完全為零，其數(shù)值要比時(shí)正

9、向電流并不完全為零，其數(shù)值要比 下下的正向擴(kuò)散電流大得多，可能原因是，簡并半導(dǎo)體能帶邊緣的正向擴(kuò)散電流大得多，可能原因是，簡并半導(dǎo)體能帶邊緣的延伸；通過禁帶中的某些深能級所產(chǎn)生隧道效應(yīng)。的延伸；通過禁帶中的某些深能級所產(chǎn)生隧道效應(yīng)。VvVv 加反向偏壓時(shí)，加反向偏壓時(shí)，P 區(qū)能帶相對區(qū)能帶相對 N 區(qū)能帶升高，如圖（區(qū)能帶升高，如圖（f）所）所示。在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)范圍內(nèi)，示。在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)范圍內(nèi)，P 區(qū)價(jià)帶中費(fèi)米能區(qū)價(jià)帶中費(fèi)米能級以下的量子態(tài)被電子占據(jù)，而級以下的量子態(tài)被電子占據(jù)，而 N 區(qū)導(dǎo)帶中費(fèi)米能級以上有區(qū)導(dǎo)帶中費(fèi)米能級以上有空的量子態(tài)。因此，空的量子態(tài)。因此，P 區(qū)中

10、的價(jià)帶電子可以穿過隧道到區(qū)中的價(jià)帶電子可以穿過隧道到 N 區(qū)區(qū)導(dǎo)帶中，產(chǎn)生反向隧道電流。隨著反向偏壓的增加，導(dǎo)帶中，產(chǎn)生反向隧道電流。隨著反向偏壓的增加，P 區(qū)價(jià)區(qū)價(jià)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(diǎn)加，如特性曲線上點(diǎn) 5 所示?？梢?，在隧道結(jié)中，即使反向所示?？梢?，在隧道結(jié)中，即使反向電壓很小時(shí)，反向電流也是比較大的，這與一般電壓很小時(shí)，反向電流也是比較大的，這與一般 PN 結(jié)不同。結(jié)不同。 對硅、鍺對硅、鍺 PN 結(jié)來說，正向偏壓大于結(jié)來說，正向偏壓大于 時(shí)，一般地?cái)U(kuò)散電時(shí)，一般地?cái)U(kuò)散電流就開始成為主要

11、的，這時(shí)隧道結(jié)和一般流就開始成為主要的，這時(shí)隧道結(jié)和一般 PN 結(jié)的正向特性結(jié)的正向特性基本一樣。基本一樣。Vv 工作溫度范圍大。工作溫度范圍大。由于隧道結(jié)用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體制成，由于隧道結(jié)用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)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。圍增大。4 隧道二極管特點(diǎn)隧道二極管特點(diǎn) 噪音較低。噪音較低。從前面分析知道，隧道結(jié)是利用多子隧道效應(yīng)從前面分析知道，隧道結(jié)是利用多子隧道效應(yīng)工作的，因?yàn)閱挝粫r(shí)間通過工作的，因?yàn)閱挝粫r(shí)間通過 PN 的多子數(shù)目起伏較小，所以隧的多子數(shù)目起伏較小，所以隧道二極管的噪音較低。

12、道二極管的噪音較低。 工作頻率高。工作頻率高。由于隧道效應(yīng)本質(zhì)上是一種量子態(tài)躍遷的過由于隧道效應(yīng)本質(zhì)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(shí)間限制，使隧程，電子穿過勢壘極其迅速，不受電子渡越時(shí)間限制，使隧道二極管可以在極高頻率下工作。道二極管可以在極高頻率下工作。 1.8 PN 結(jié)擊穿結(jié)擊穿實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對 PN 結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值時(shí)，反結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值時(shí)，反向電流突然開始迅速增大，這種現(xiàn)象稱為向電流突然開始迅速增大，這種現(xiàn)象稱為 PN 結(jié)擊穿結(jié)擊穿。發(fā)生。發(fā)生擊穿時(shí)的反向偏壓（圖中擊穿時(shí)的反向偏壓（圖中 ）稱為）稱為 PN 結(jié)的擊穿電壓

13、。擊結(jié)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。大，而是由于載流子數(shù)目的增加。PN 結(jié)擊穿機(jī)制主要有結(jié)擊穿機(jī)制主要有 3 種：種：雪崩擊穿雪崩擊穿、隧道擊穿隧道擊穿和和熱電擊穿熱電擊穿。 VBR1雪崩擊穿雪崩擊穿在較大的反向電壓下，勢壘區(qū)有很強(qiáng)的電場，通過勢壘區(qū)的載在較大的反向電壓下，勢壘區(qū)有很強(qiáng)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(jià)帶中的電子而流子，被高電場加速而獲得很高能量，去撞擊價(jià)帶中的電子而產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子-空穴對。新的電子和空穴又可被加速，去撞擊價(jià)帶空穴

14、對。新的電子和空穴又可被加速，去撞擊價(jià)帶電子，產(chǎn)生第二代電子電子，產(chǎn)生第二代電子-空穴對。這樣雪崩式地繁衍下去，使空穴對。這樣雪崩式地繁衍下去，使 PN 結(jié)反向電流迅速增大而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，這就是結(jié)反向電流迅速增大而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，這就是雪崩擊穿雪崩擊穿。要發(fā)生雪崩擊穿，除了要有高電場強(qiáng)度外，還必須有較大的勢要發(fā)生雪崩擊穿，除了要有高電場強(qiáng)度外，還必須有較大的勢壘寬度，因此，在壘寬度，因此，在 PN 結(jié)摻雜濃度不太高時(shí)，所發(fā)生的擊穿往結(jié)摻雜濃度不太高時(shí)，所發(fā)生的擊穿往往是雪崩擊穿。往是雪崩擊穿。在器件設(shè)計(jì)工作中，常使用下面的經(jīng)驗(yàn)公式作為雪崩擊穿電在器件設(shè)計(jì)工作中，常使用下面的經(jīng)驗(yàn)公式作為雪崩擊穿電

15、壓的近似估計(jì)。對于硅、鍺、砷化鎵和磷化鎵幾種材料，人壓的近似估計(jì)。對于硅、鍺、砷化鎵和磷化鎵幾種材料，人們總結(jié)出以下通用公式。們總結(jié)出以下通用公式。單邊突變結(jié)雪崩擊穿電壓：單邊突變結(jié)雪崩擊穿電壓：10/1 . 1/6016B4/3g2/3BSNEV線性緩變結(jié)雪崩擊穿電壓：線性緩變結(jié)雪崩擊穿電壓：103/1 . 1/6020j5/2g5/6BLEV 為單邊突變結(jié)輕摻雜一側(cè)的摻雜濃度；為單邊突變結(jié)輕摻雜一側(cè)的摻雜濃度； 為雜質(zhì)濃度梯度。為雜質(zhì)濃度梯度。NBj對于單邊突變結(jié)，低摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度越高則擊穿電壓越低。對于單邊突變結(jié)，低摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度越高則擊穿電壓越低。對于線性緩變結(jié)，雜質(zhì)濃度梯度越大，則擊

16、穿電壓越低。對于線性緩變結(jié)，雜質(zhì)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。對于不同材料，禁帶越窄則雪崩擊穿電壓越低。 2隧道擊穿隧道擊穿當(dāng)當(dāng) PN 結(jié)勢壘區(qū)較薄，在足夠高的反向偏壓下，使勢壘能帶傾結(jié)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斜到使 N 區(qū)導(dǎo)帶底低于區(qū)導(dǎo)帶底低于 P 區(qū)價(jià)帶頂時(shí)，區(qū)價(jià)帶頂時(shí)，P 區(qū)價(jià)帶中的電子可以區(qū)價(jià)帶中的電子可以以隧道穿通的形式跨越禁帶而進(jìn)入以隧道穿通的形式跨越禁帶而進(jìn)入 N 區(qū)導(dǎo)帶形成隧道電流。區(qū)導(dǎo)帶形成隧道電流。當(dāng)電壓加大到使隧道幾率達(dá)到一定程度時(shí)，反向電流急劇增加當(dāng)電壓加大到使隧道幾率達(dá)到一定程度時(shí)，反向電流急劇增加而發(fā)生隧道擊穿。而發(fā)生隧道擊穿。在高摻雜、勢壘寬度小的在高摻雜、勢壘寬度小的 PN 結(jié)中易于產(chǎn)生這種擊結(jié)中易于產(chǎn)生這種擊穿效應(yīng)。因?yàn)樽畛跏怯升R穿效應(yīng)。因?yàn)樽畛跏怯升R納提出來解釋電介質(zhì)擊穿納提出來解釋電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象的，所以隧道擊穿又現(xiàn)象的，所以隧道擊穿又稱為齊納擊穿。稱為齊納擊穿。PN 結(jié)的反向電流在結(jié)中發(fā)生熱損耗，當(dāng)反向電流增大時(shí)，結(jié)的反向電流在結(jié)中發(fā)生熱損耗，當(dāng)反向電流增大時(shí)，熱損耗增大使結(jié)溫升高，其結(jié)果會使本征載流子濃度增高，熱損耗增大使