半導(dǎo)體物理課件：第六章 p-n結(jié)

1、半導(dǎo)體物理Semiconductor Physics 第六章 p-n結(jié)2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部2第六章 p-n結(jié)引言 若在同一半導(dǎo)體內(nèi)部，一邊是p型，一邊是n型，則由于在p型區(qū)和n型區(qū)交界面附近形成所謂的pn結(jié)。它是許多重要半導(dǎo)體器件的核心。 pn結(jié)的行為不是簡單等價于一塊p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體串聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)具有特殊的性質(zhì)：單向?qū)щ娦浴?其單向?qū)щ娦院驮谄浣缑娓浇纬傻膭輭久芮新?lián)系。因此這一節(jié)的討論從pn結(jié)的勢壘開始，然后介紹電流電壓特性、電容效應(yīng)以及擊穿特性等。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部3引言6.1 p-n結(jié)及其能帶圖6.2 p-n結(jié)電流電壓特性6.3 p-

2、n結(jié)電容6.4 p-n結(jié)擊穿6.5 p-n結(jié)隧道效應(yīng)2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部46.1 p-n結(jié)及其能帶圖6.1.1 p-n結(jié)的形成及雜質(zhì)分布p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體結(jié)合，在二者的交界面形成的接觸結(jié)構(gòu)，就稱為pn結(jié)。 pn結(jié)實際上是一種非均勻半導(dǎo)體。在5. 6中，關(guān)于非均勻半導(dǎo)體的討論同樣具有啟發(fā)性。在任何非均勻半導(dǎo)體中，熱平衡時必具有統(tǒng)一的費米能級，即各處費米能級在同一水平上。對于pn結(jié)來說，也是成立的。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部56.1.1 p-n結(jié)的形成及雜質(zhì)分布合金法 擴散法加熱溶解突變結(jié)線性緩變結(jié)擴散爐2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部66.1.

3、1 p-n結(jié)的形成及雜質(zhì)分布還有離子注入法等。一般認為合金結(jié)和高表面濃度的淺擴散結(jié)是突變結(jié)（兩邊雜質(zhì)均勻分布），而低表面濃度的深擴散結(jié)是線性緩變結(jié)（從p區(qū)到n區(qū)，雜質(zhì)濃度逐漸變化）。在施主區(qū)和受主區(qū)的分界線處xj，稱為結(jié)深。 2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部76.1.2 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)：2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部86.1.3 平衡p-n結(jié)能帶圖考慮費米能級當(dāng)漂移和擴散達到動態(tài)平衡后，空間電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)不再繼續(xù)擴展，保持一定的寬度。此時，內(nèi)建電場E也一定，一般稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的pn結(jié)，簡稱為平衡pn結(jié)。（統(tǒng)一的）自建電場E靜電勢能V(x)Ec(

4、x)=Ec0+(-q)V(x)2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部96.1.3 平衡p-n結(jié)能帶圖在平衡pn結(jié)中，費米能級處處相等2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部106.1.3 平衡p-n結(jié)能帶圖電子從費米能級高處(n區(qū))向費米能級低處(p區(qū))流動，EFn下移?？昭◤馁M米能級低處(p區(qū))向費米能級高處(n區(qū))流動, EFp上移。平衡時達到統(tǒng)一費米能級 EF。電勢從np逐漸下降，則電勢能(-q)V(x)逐漸上升，所以帶邊逐漸上移，直到和p區(qū)統(tǒng)一。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部116.1.4 p-n結(jié)接觸電勢差沿電場方向電勢降低電勢V(x)曲線，取p區(qū)電勢為0，則n區(qū)為

5、VD接觸電勢差。電勢能-qV(x)曲線，對電子，p區(qū)電勢能為0 -qVD(n區(qū))，形成電子勢壘、空穴勢阱。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部126.1.4 p-n結(jié)接觸電勢差注意：1.接觸電勢差與pn結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度和材料的禁帶寬度有關(guān)。 300K時，ND=1015cm-3，NA=1017cm-3， Si：0.7V；Ge：0.32V2.針對非簡并半導(dǎo)體而言。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部136.1.5 p-n結(jié)的載流子分布考慮p區(qū)邊界處，x=-xp，電勢為零2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部146.1.5 p-n結(jié)的載流子分布考慮n區(qū)邊界處，x=xn2022/

6、7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部156.1.5 p-n結(jié)的載流子分布通常n(x)和p(x)很小，遠小于nn0和pp0，可忽略，故稱該區(qū)域為耗盡區(qū)。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部166.1.5 p-n結(jié)的載流子分布勢壘區(qū)的載流子濃度指數(shù)衰減，則其中的電導(dǎo)率很低，電阻率很高。當(dāng)存在外間電壓時，電壓主要降落在這個勢壘區(qū)，而擴散區(qū)和中性區(qū)幾乎沒有。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部176.2 p-n結(jié)電流電壓特性6.2.1 p-n結(jié)電場和電勢 泊松方程何為泊松方程? 其來歷?反映一定區(qū)域電勢、電場、電荷之關(guān)系。由麥克斯韋方程的微分形式：泊松方程2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教

7、學(xué)部186.2.1 p-n結(jié)電場和電勢a.突變結(jié)p+-n2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部196.2.1 p-n結(jié)電場和電勢電場分布2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部206.2.1 p-n結(jié)電場和電勢討論：電場符號為“-”。（因為定義的坐標(biāo)系是pn，而內(nèi)建電場的方向卻是N區(qū) P區(qū)，所以方向相反。）電場線性變化。當(dāng)x=-xp或x=xn時，Emin=0。當(dāng)x=0時，Emax，存在極值。耗盡區(qū)主要在輕摻雜一側(cè)。（電位移矢量在x=0處連續(xù)）2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部216.2.1 p-n結(jié)電場和電勢電勢分布2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部226.2.1 p-n

8、結(jié)電場和電勢討論：在x=-xp處， V存在極小值，曲線上彎。或x=xn處，V存在極大值，曲線下彎。曲線由兩段拋物線組成。在x=0處，V連續(xù)。1.單邊突變結(jié)的VD隨低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度的增加而升高。2.單邊突變結(jié)的XD隨輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度增加而下降。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部236.2.1 p-n結(jié)電場和電勢b.線性緩變結(jié)以x=0處，V=0進行積分計算2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部246.2.1 p-n結(jié)電場和電勢勢壘寬度注意：突變結(jié)的XD與VD的平方根成正比。線性緩變結(jié)的XD與VD的立方根成正比。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部256.2.2 非平衡p-

9、n結(jié)的能帶圖正向偏壓V(p正，n負，V0)外加電場pn內(nèi)建場np外加電場降低了內(nèi)建場的強度，勢壘降低n區(qū)的EF高于p區(qū)的EF有電子從n區(qū)流進p區(qū)電注入2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部266.2.2 非平衡p-n結(jié)的能帶圖正偏下能帶圖勢壘區(qū)擴散區(qū)擴散區(qū) Ln -xp 0 xn Lp中性區(qū)中性區(qū)2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部276.2.2 非平衡p-n結(jié)的能帶圖電流分布情況電子漂移空穴擴散空穴漂移電子擴散2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部286.2.2 非平衡p-n結(jié)的能帶圖反向偏壓V(p負，n正，V0)外加電場np內(nèi)建場np外加電場加強了內(nèi)建場的強度，勢壘升高n區(qū)的

10、EF低于p區(qū)的EFp區(qū)電子被不斷的抽走少子的抽取2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部296.2.2 非平衡p-n結(jié)的能帶圖載流子分布考慮三種情況下的能帶圖載流子濃度的變化實際上是EF與導(dǎo)帶底/價帶頂?shù)木嚯x的變化2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部306.2.2 非平衡p-n結(jié)的能帶圖正偏下的非平衡少數(shù)載流子注入到n區(qū)的非平衡空穴濃度注入到p區(qū)的非平衡電子濃度2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部316.2.2 非平衡p-n結(jié)的能帶圖反偏下的非平衡少數(shù)載流子（形式與正偏相同）=0相當(dāng)于此處的空穴全被抽走與反向偏壓無關(guān)2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部326.2.3 理想p

11、-n結(jié)的電流電壓關(guān)系理想p-n模型小注入條件突變耗盡層條件外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。因此，注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴散運動通過耗盡層的電子和空穴為常量，不考慮耗盡層中的產(chǎn)生和復(fù)合作用玻耳茲曼邊界條件在耗盡層兩端，載流子的分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計分布2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部336.2.3 理想p-n結(jié)的電流電壓關(guān)系計算電流密度方法計算勢壘區(qū)邊界處注入的非平衡少子濃度，以此為邊界條件，計算擴散區(qū)中非平衡少子的分布將非平衡載流子的濃度代入擴散方程，算出擴散密度，再算出少數(shù)載流子的電流密度將兩

12、種載流子的擴散密度相加，得到理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程式2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部346.2.3 理想p-n結(jié)的電流電壓關(guān)系以正偏為例2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部356.2.3 理想p-n結(jié)的電流電壓關(guān)系代入令理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式（肖克來方程式） 對反偏同樣適用2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部366.2.3 理想p-n結(jié)的電流電壓關(guān)系討論：1.pn結(jié)具有單向?qū)щ娦哉蚱珘合?，電流密度隨電壓指數(shù)增加，方程可表示為反向偏壓下反向飽和電流密度2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部376.2.3 理想p-n結(jié)的電流電壓關(guān)系討論：2.強烈依賴于溫

13、度p-n結(jié)有電阻，電流越大，焦耳熱越多，溫度越高，電流更大，形成正反饋，器件燒壞。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部386.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素勢壘區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合電流表面效應(yīng)大注入的情況串聯(lián)電阻效應(yīng)（自學(xué)）2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部396.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素復(fù)合電流（正向偏壓）2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部406.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部416.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素m=1，擴散電流為主；m=2，復(fù)合電流為主。擴散電流與復(fù)合電流之比和ni及外

14、加電壓V有關(guān)。低正向電壓下，復(fù)合電流占主要地位；較高正向偏壓下，復(fù)合電流可以忽略。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部426.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素產(chǎn)生電流（反向偏壓）2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部436.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素討論：Js與反向偏壓無關(guān)，而JG隨反向偏壓增加而增加。禁帶寬度小的半導(dǎo)體，反向漏電流增加顯著。溫度升高，反向漏電流增加。少子壽命越小，反向漏電流越大。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部446.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素大注入（正向偏壓大）VJVP2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部456.

15、2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部466.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部476.2.4 影響理想p-n結(jié)J-V關(guān)系的因素總結(jié)復(fù)合電流擴散電流大注入串聯(lián)電阻效應(yīng)產(chǎn)生電流2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部486.2 例題 例1. Si p-n結(jié)參數(shù)如下：ND=1016cm-3，NA=51018cm-3，p-n結(jié)截面積A=0.01cm2，n= p =1us，設(shè)結(jié)兩邊的寬度遠大于各自少子的擴散長度，求室溫時正向電流I為1mA時的外加電壓。設(shè)p區(qū)n=500cm2/(Vs)， n區(qū)p =180cm2

16、/(Vs)。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部496.2 例題 例2. Si p-n結(jié)：NA=91015/cm3，ND=21016/cm3，在p區(qū)p1=350cm2/(Vs)，n1=500cm2/(Vs)，在n區(qū)p2=300cm2/(Vs)，n2=900cm2/(Vs)，設(shè)兩區(qū)內(nèi)少子壽命均為1us，截面積為10-2cm2，q/kT=38.7(1/V)，當(dāng)外加正向電壓V=0.65V時，求:(1)300K時流過p-n結(jié)的電流I表達式。(2)若以p區(qū)指向n區(qū)為x軸正向，列出n區(qū)內(nèi)空穴和電子的濃度分布的表達式。(3)確定n區(qū)內(nèi)空穴擴散電流、電子擴散電流、電子漂移電流和總的電子電流隨x變化的表達

17、式。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部506.3 p-n結(jié)電容pn結(jié)電容的來源勢壘電容擴散電容交流情況下，pn結(jié)的存儲電荷對外界的響應(yīng)微分電容空間電荷區(qū)隨外加偏壓的變化而變窄或變寬，從而空間電荷數(shù)量發(fā)生變化。這種勢壘區(qū)寬度對外加電壓變化引起的微分電容稱為勢壘電容。在正偏下，n區(qū)注入空穴，伴生等量的電子。這種隨外加電壓變化，在擴散區(qū)內(nèi)存在等量正、負電荷的變化引起的電容稱為擴散電容。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部516.3.1 勢壘電容突變結(jié)平行板電容（耗盡層近似下）2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部526.3.1 勢壘電容對于單邊突變結(jié)1.突變結(jié)的勢壘電容和結(jié)面積、輕

18、摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度的平方根成正比。2.突變結(jié)的勢壘電容和電壓(VD-V)的平方根成反比。截距就是勢壘高度，斜率就是輕摻雜一側(cè)的濃度2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部536.3.1 勢壘電容注意：采用了耗盡層近似在反向偏壓下更適用。而在正向偏壓下，有載流子進入勢壘區(qū)，它們對電容也有貢獻。我們一般認為：外加偏壓為0時pn結(jié)的勢壘電容2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部546.3.1 勢壘電容線性緩變結(jié)仍然是平行板電容2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部556.3.2 擴散電容在大的正向偏壓下，擴散電容為主！2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部566.3 例題 例3. 一個

19、p-n結(jié)二極管作為壓控電容(變?nèi)荻O管,隨V而變)，反偏電壓為2V時，其可變電容為200PF，問需要加多大的反偏電壓，才能使它的電容減小到100PF? 設(shè)VD=0.85V。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部576.3 例題 例4.由電阻率為1cm的p型Ge和0.1 cm的n型Ge組成一個p-n結(jié)，計算在室溫下內(nèi)建電場的電壓差VD和阻擋層寬度XD。作業(yè)：1、2、3、11補充：簡述pn結(jié)的三種擊穿機理。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部586.4 p-n結(jié)擊穿對pn結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值VBR時，反向電流密度突然迅速增大的現(xiàn)象稱為pn結(jié)擊穿。 發(fā)生擊穿時的反向偏壓稱為結(jié)的擊

20、穿電壓。 擊穿現(xiàn)象中，電流增大的基本原因不是由于遷移率的增大，而是由于載流子數(shù)目的增加。 到目前為止，pn結(jié)擊穿共有三種：雪崩擊穿、隧道擊穿和熱電擊穿。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部596.4.1 雪崩擊穿 反偏時，pn結(jié)的反向電流由p區(qū)擴散到勢壘區(qū)中的電子電流和由n區(qū)擴散到勢壘區(qū)中的空穴電流所組成。反偏勢壘區(qū)中的電場電子和空穴的動能與晶格原子發(fā)生碰撞時，把價鍵上的電子碰撞出來，成為導(dǎo)電電子，同時產(chǎn)生一個空穴碰撞電離。 繼續(xù)碰撞載流子大量增加稱為載流子的倍增效應(yīng)反向電流從而發(fā)生pn結(jié)擊穿這就是雪崩擊穿的機理。 2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部606.4.1 雪崩擊穿 2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部616.4.1 雪崩擊穿 2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部626.4.2 隧道擊穿（齊納擊穿）隧道擊穿是在強電場作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價帶