半導(dǎo)體器件物理第二章

半導(dǎo)體器件物理第二章第一頁，共102頁。

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，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)體實現(xiàn)冶金學(xué)接觸（原子級接觸）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）,有時也叫做接觸（contact）.第二頁，共102頁。

引言由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同質(zhì)結(jié)（如硅），由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)（如硅和鍺）。由同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同型結(jié)（如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型鍺），由不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異型結(jié)（如P-硅和N-硅、P-硅和N－鍺）。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)）。第三頁，共102頁。

引言70年代以來，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅平面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)：1950年美國人奧爾（R.Ohl）和肖克萊(Shockley)發(fā)明的離子注入工藝。1956年美國人富勒（C.S.Fuller）發(fā)明的擴散工藝。1960年盧爾（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)發(fā)明的外延工藝。1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特蘭尼(E.Castellani)發(fā)明的光刻工藝。正是光刻工藝的出現(xiàn)才使硅器件制造技術(shù)進(jìn)入平面工藝技術(shù)時代，才有大規(guī)模集成電路和微電子學(xué)飛速發(fā)展的今天。上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測試，封裝工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。第四頁，共102頁。

氧化工藝：

1957年人們發(fā)現(xiàn)硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質(zhì)向硅內(nèi)擴散的作用。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了硅平面工藝技術(shù)的出現(xiàn)。

在集成電路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五條：

（1）對雜質(zhì)擴散的掩蔽作用；

（2）作為MOS器件的絕緣柵材料；

（3）器件表面鈍化作用；

（4）集成電路中的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)；

（5）集成電路中電容器元件的絕緣介質(zhì)。

硅表面二氧化硅薄膜的生長方法：熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。

第五頁，共102頁。擴散工藝：由于熱運動，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運動，使其趨于均勻的趨勢，這種現(xiàn)象稱為擴散。

常用擴散工藝：液態(tài)源擴散、片狀源擴散、固-固擴散、雙溫區(qū)銻擴散。

液態(tài)源擴散工藝：使保護(hù)氣體（如氮氣）通過含有擴散雜質(zhì)的液態(tài)源，從而攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫擴散爐中。在高溫下雜質(zhì)蒸汽分解，在硅片四周形成飽和蒸汽壓，雜質(zhì)原子通過硅片表面向內(nèi)部擴散。第六頁，共102頁。離子注入技術(shù)：將雜質(zhì)元素的原子離化變成帶電的雜質(zhì)離子，在強電場下加速，獲得較高的能量（1萬-100萬eV）后直接轟擊到半導(dǎo)體基片（靶片）中，再經(jīng)過退火使雜質(zhì)激活，在半導(dǎo)體片中形成一定的雜質(zhì)分布。離子注入技術(shù)的特點：（1）低溫；（2）可精確控制濃度和結(jié)深；（3）可選出一種元素注入，避免混入其它雜質(zhì)；（4）可在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；（5）控制離子束的掃描區(qū)域，可實現(xiàn)選擇注入，不需掩膜技術(shù)；（6）設(shè)備昂貴。第七頁，共102頁。外延工藝：外延是一種薄膜生長工藝，外延生長是在單晶襯底上沿晶體原來晶向向外延伸生長一層薄膜單晶層。外延工藝可以在一種單晶材料上生長另一種單晶材料薄膜。外延工藝可以方便地形成不同導(dǎo)電類型，不同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外延層。外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、熱壁外延（HWE）、原子層外延技術(shù)。第八頁，共102頁。光刻工藝：光刻工藝是為實現(xiàn)選擇摻雜、形成金屬電極和布線，表面鈍化等工藝而使用的一種工藝技術(shù)。光刻工藝的基本原理是把一種稱為光刻膠的高分子有機化合物（由光敏化合物、樹脂和有機溶劑組成）涂敷在半導(dǎo)體晶片表面上。受特定波長光線的照射后，光刻膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如果光刻膠受光照（曝光）的區(qū)域在顯影時能夠除去，稱之為正性膠；反之如果光刻膠受光照的區(qū)域在顯影時被保留，未曝光的膠被除去稱之為負(fù)性膠；第九頁，共102頁。

引言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)光刻膠層勻膠及堅膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴散窗口膠膜的晶片（f)腐蝕SiO2后的晶片

n-Si光刻膠SiO2N+第十頁，共102頁。

引言

(g)完成光刻后去膠的晶片

(h)通過擴散（或離子注入）形成P-N結(jié)(i)蒸發(fā)/濺射金屬

（j）P-N結(jié)制作完成

采用硅平面工藝制備結(jié)的主要工藝過程

P-SiN-SiSiO2N+第十一頁，共102頁。

引言突變結(jié)與線性緩變結(jié)

（a）突變結(jié)近似（實線）的窄擴散結(jié)（虛線）（b）線性緩變結(jié)近似（實線）的深擴散結(jié)（虛線）圖2.2第十二頁，共102頁。

引言

突變結(jié)：

線性緩變結(jié)：在線性區(qū)

第十三頁，共102頁。2.1熱平衡PN結(jié)第十四頁，共102頁。2.1熱平衡PN結(jié)

（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖（b）接觸后的能帶圖圖2-3第十五頁，共102頁。2.1熱平衡PN結(jié)（c）與（b）相對應(yīng)的空間電荷分布

圖2-3第十六頁，共102頁。電場定義為電勢的負(fù)梯度電勢與電子勢能的關(guān)系為可以把電場表示為（一維）取表示靜電勢。與此類似，定義為費米勢。第十七頁，共102頁。于是式中稱為熱電勢.在熱平衡情況下，費米勢為常數(shù)，可以把它取為零基準(zhǔn)，于是

第十八頁，共102頁。非均勻的雜質(zhì)分布會在半導(dǎo)體中引起電場，稱為自建電場。在熱平衡情況下，由

對于N型半導(dǎo)體，有對于P型半導(dǎo)體，有

第十九頁，共102頁。2.1熱平衡PN結(jié)圖2-4單邊突變結(jié)（a）空間電荷分布

（b）電場（c）電勢圖

單邊突變結(jié)電荷分布、電場分布、電勢分布

第二十頁，共102頁。2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)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、內(nèi)建電勢差、勢壘。分別采用費米能級和載流子漂移與擴散的觀點解釋了PN結(jié)空間電荷區(qū)（SCR）的形成。介紹了熱平衡PN結(jié)的能帶圖（圖2.3a、b）及其畫法。利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出了空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差公式:

第二十一頁，共102頁。2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)解Poisson方程求解了PN結(jié)SCR內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢、內(nèi)建電勢差和耗盡層寬度：

（2-14）

（2-16）

（2-15）

（2-17）

（2-18）

第二十二頁，共102頁。2.1熱平衡PN結(jié)教學(xué)要求

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、內(nèi)建電勢差、勢壘。分別采用費米能級和載流子漂移與擴散的觀點解釋PN結(jié)空間電荷區(qū)（SCR)的形成正確畫出熱平衡PN結(jié)的能帶圖（圖2.3a、b）。利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差公式：

（2-7）解Poisson方程求解單邊突變結(jié)結(jié)SCR內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢、內(nèi)建電勢差和耗盡層寬度。并記憶公式（2-14）―（2-18）作業(yè)題：2.2、2.4、2.5、2.7、2.10

第二十三頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)第二十四頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)

2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖

圖2.5單邊突變結(jié)的電勢分布（a）熱平衡，耗盡層寬度為W

（b）加正向電壓，耗盡層寬度W’W第二十五頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖

（c）加反向電壓，耗盡層寬度W’>W

圖2.5單邊突變結(jié)的電勢分布第二十六頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)注入P+-N結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布

圖2-7注入NP-+結(jié)的N側(cè)的空穴

及其所造成的電子分布

，x

nn

15010=nn

()312100-=Dcmn()xnqD-

x

np

5010=np

()312100-=Dcmp

()xpqD+

第二十七頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)耗盡層寬度隨外加反偏壓變化的實驗結(jié)果與計算結(jié)果第二十八頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)名詞、術(shù)語和基本概念：正向注入、反向抽取、擴散近似、擴散區(qū)介紹了加偏壓PN結(jié)能帶圖及其畫法根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珘篤使得PN結(jié)N型中性區(qū)的費米能級相對于P型中性區(qū)的升高qV。在P型中性區(qū)＝。在空間電荷區(qū)由于n、p<<ni，可以認(rèn)為費米能級不變即等于。在N型中性區(qū)＝。同樣，在空間電荷區(qū)=，于是從空間電荷區(qū)兩側(cè)開始分別有一個費米能級從逐漸升高到和從逐漸下降到的區(qū)域。這就是P側(cè)的電子擴散區(qū)和N側(cè)的空穴擴散區(qū)（以上分析就是畫能帶圖的根據(jù)）。

第二十九頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)在電子擴散區(qū)和空穴擴散區(qū)，不等于常數(shù)，根據(jù)修正歐姆定律必有電流產(chǎn)生，由于，電流沿x軸正方向，即為正向電流。又由于在空間電荷區(qū)邊界注入的非平衡少子濃度很大，因此在空間電荷區(qū)邊界電流密度也很大(J＝)離開空間電荷區(qū)邊界隨著距離的增加注入的非平衡少子濃度越來越?。╡指數(shù)減少），電流密度也越來越小。反偏壓-使得PN結(jié)N型中性區(qū)的費米能級相對于P型中性區(qū)的降低q

。擴散區(qū)費米能級的梯度小于零，因此會有反向電流產(chǎn)生。由于空間電荷區(qū)電場的抽取作用，在擴散區(qū)載流子很少，很小，因此雖然有很大的費米能級梯度，電流卻很小且趨于飽和。第三十頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)根據(jù)載流子擴散與漂移的觀點分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珘菏箍臻g電荷區(qū)內(nèi)建電勢差由下降到-V打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的擴散運動占優(yōu)勢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)建電勢差由上升到+V同樣打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的漂移運動占優(yōu)勢這種漂移是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。在反偏壓下，耗盡層寬度為

（2-23）第三十一頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)根據(jù) （2-7）給出了結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度：

（2-29）和（2-30）在注入載流子的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足，則少數(shù)載流子由于被中和，不帶電，通過擴散運動在電中性區(qū)中輸運。這稱為擴散近似。于是穩(wěn)態(tài)載流子輸運滿足擴散方程

第三十二頁，共102頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)教學(xué)要求

掌握名詞、術(shù)語和基本概念：正向注入、反向抽取、擴散近似、擴散區(qū)正確畫出加偏壓PN結(jié)能帶圖。根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析結(jié)的單向?qū)щ娦愿鶕?jù)載流子擴散與漂移的觀點分析結(jié)的單向?qū)щ娦哉莆辗雌珘合峦蛔兘Y(jié)，耗盡層寬度公式（2-2-1）

導(dǎo)出少數(shù)載流子濃度公式（2-2-11）和（2-2-12）作業(yè)：2-11、2-12、2-13第三十三頁，共102頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性第三十四頁，共102頁。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，如下圖所示，

第三十五頁，共102頁。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第三十六頁，共102頁。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)濃度低的一邊擴散。

第三十七頁，共102頁。突變結(jié)的電場分布在平衡突變結(jié)勢壘區(qū)中，電場強度是位置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，電場強度達(dá)到最大值

第三十八頁，共102頁。第三十九頁，共102頁。突變結(jié)的電勢分布電勢分布是拋物線形式的

第四十頁，共102頁。圖2-4單邊突變結(jié)（a）空間電荷分布

（b）電場（c）電勢圖

單邊突變結(jié)電荷分布、電場分布、電勢分布

第四十一頁，共102頁。突變結(jié)的電勢能（能帶圖）因為V(x)表示點x處的電勢，而-qV(x)則表示電子在x點的電勢能，因此P-N結(jié)勢壘區(qū)的能帶如圖所示?？梢姡瑒輭緟^(qū)中能帶變化趨勢與電勢變化趨勢相反。

第四十二頁，共102頁。注入P+-N結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布

圖2-6注入NP-+結(jié)的N側(cè)的空穴

及其所造成的電子分布

，x

nn

15010=nn

()312100-=Dcmn()xnqD-

x

np

5010=np

()312100-=Dcmp

()xpqD+

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)部流動的空穴擴散流。非平衡少子邊擴散邊與P區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)過擴散長度的距離后，全部被復(fù)合。這一段區(qū)域稱為擴散區(qū)。第四十三頁，共102頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性

正向偏壓情況下的的P-N結(jié)

（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

勢壘區(qū)電場減弱，破壞了載流子的擴散運動和漂移運動之間的平衡，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)的凈擴散電流。電子通過勢壘區(qū)擴散入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)部的電子擴散流。

第四十四頁，共102頁。反向偏壓情況下的的P-N結(jié)（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圖2-9反向偏壓情況下的的P-N結(jié)

第四十五頁，共102頁。練習(xí)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)總的電場強度______（增強/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?。４藭r，電場強度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運動______（大于/小于）擴散運動，形成______（凈擴散/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Ｎ區(qū)形成______（從Ｎ區(qū)勢壘邊界向Ｎ區(qū)內(nèi)部／從Ｎ區(qū)內(nèi)部向Ｎ區(qū)勢壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴散／漂移），在Ｐ區(qū)形成______（從Ｐ區(qū)勢壘邊界向Ｐ區(qū)內(nèi)部／從Ｐ區(qū)內(nèi)部向Ｐ區(qū)勢壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴散／漂移）。第四十六頁，共102頁。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)總的電場強度______（增強/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?。４藭r，電場強度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運動______（大于/小于）擴散運動，形成______（凈擴散/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Ｎ區(qū)形成______（從Ｎ區(qū)勢壘邊界向Ｎ區(qū)內(nèi)部／從Ｎ區(qū)內(nèi)部向Ｎ區(qū)勢壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴散／漂移），在Ｐ區(qū)形成______（從Ｐ區(qū)勢壘邊界向Ｐ區(qū)內(nèi)部／從Ｐ區(qū)內(nèi)部向Ｐ區(qū)勢壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴散／漂移）。第四十七頁，共102頁。PN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式：

（1）（2-3-18）

（2）（2-3-17） （3）（2-3-20 （4）（2-3-19）

第四十八頁，共102頁。電流－電壓公式（Shockley公式）

P—N結(jié)的典型電流電壓特性

（2-3.16）

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)載流子擴散電流之和。因為少子濃度很低，而擴散長度基本沒變化，所以反向偏壓時少子的濃度梯度也較??；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。反向飽和電流第四十九頁，共102頁。實際反偏P-N結(jié)直流特性的補充說明

P-N結(jié)反向擴散電流

P-N結(jié)反偏時，V<0，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，擴散電流方向是體內(nèi)向邊界處擴散。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。第五十頁，共102頁。當(dāng)P-N結(jié)滿足理想假設(shè)條件時，其直流特性具體可分以下四個步驟進(jìn)行。①根據(jù)準(zhǔn)費米能級計算勢壘區(qū)邊界xn和xp處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度；②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，解擴散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式，得到擴散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布；③將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布代入擴散方程，算出擴散流密度后，再算出少數(shù)載流子的電流密度；④將兩種載流子的擴散電流密度相加，得到理想P-N結(jié)模型的電流電壓方程式第五十一頁，共102頁。理想P-N假設(shè)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)是純擴散運動；（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；（4）半導(dǎo)體均勻摻雜；（5）半導(dǎo)體非簡并（隧道電流）。第五十二頁，共102頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流第五十三頁，共102頁。概念

空間電荷區(qū)正偏復(fù)合電流空間電荷區(qū)反偏產(chǎn)生電流

式中W為空間電荷區(qū)寬度，U為空間電荷區(qū)載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的復(fù)合率，G為空間電荷區(qū)載流子產(chǎn)生率IG。

（2-4-1）

（2-4-9）

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。

第五十四頁，共102頁?？臻g電荷區(qū)載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的最大復(fù)合率條件：

正偏復(fù)合電流和反偏產(chǎn)生電流分別為：

（2-4-2）

（2-4-4）

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。（2-4-5）

（2-4-9）

考慮空間電荷區(qū)正偏復(fù)合電流和串聯(lián)電阻的影響的實際I－V曲線

最大復(fù)合率為:第五十五頁，共102頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流

圖2-10襯底摻雜濃度為1016cm3的硅擴散結(jié)的電流電壓特性第五十六頁，共102頁?？臻g電荷區(qū)復(fù)合電流與非平衡載流子注入引起的擴散電流的比較：對于P+-N結(jié)，把擴散電流記為，

而

于是

（2-4-7）上式表明，若越小，電壓愈低，則勢壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大。

第五十七頁，共102頁。低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢偏壓升高：擴散電流占優(yōu)勢更高偏壓：串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了

第五十八頁，共102頁。2.5隧道電流第五十九頁，共102頁。2.5隧道電流

產(chǎn)生隧道電流的條件（1）費米能級位于導(dǎo)帶或價帶的內(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，從而成為簡并半導(dǎo)體時，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。

第六十頁，共102頁。2.5隧道電流圖2-12各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖

第六十一頁，共102頁。2.5隧道電流圖2-12各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖

第六十二頁，共102頁。2.5隧道電流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。

圖2-13對應(yīng)于圖2-12正偏壓隧道結(jié)的勢壘

（a）江崎二極管電流-電壓特性（b）反向二極管電流-電壓特性圖2-14第六十三頁，共102頁。2.5隧道電流隧道二極管的特點和應(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的簡并半導(dǎo)體制成，由于溫度對多子的影響小，使隧道二級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，電子穿越勢壘極其迅速，不受電子渡越時間的限制，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。第六十四頁，共102頁。2.5隧道電流小結(jié)

產(chǎn)生隧道電流的條件：（1）費米能級位于導(dǎo)帶或價帶的內(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，從而成為簡并半導(dǎo)體時，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。

畫出了偏壓變化的能帶圖并根據(jù)能帶圖解釋了隧道二級管的I－V曲線。第六十五頁，共102頁。2.5隧道電流小結(jié)分析了隧道二級管的特點和局限性：（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的簡并半導(dǎo)體制成，所以溫度對多子的影響小，使隧二級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，電子穿越勢壘極其迅速，不受電子渡越時間的限制，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聲微波放大器。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。

第六十六頁，共102頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系第六十七頁，共102頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系式中隨溫度的增加而迅速增加，可見在高于室溫時，不太大的正偏壓（0.3V）就使占優(yōu)勢。

（2-6-1）

當(dāng)P-N結(jié)處于反向偏置時，當(dāng)P-N結(jié)處于正向偏置時，（2-6-1）

隨著溫度增加，增大，也是擴散電流占優(yōu)勢。第六十八頁，共102頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系當(dāng)P-N結(jié)處于反向偏置時，，

（2-6-2）

隨著溫度增加，增大，也是擴散電流占優(yōu)勢。反向偏壓情況下，二極管特性的溫度效應(yīng)：

（2-49b）

相對來說，括號內(nèi)的參量對溫度變化不靈敏。

（2-68）

第六十九頁，共102頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系硅二極管正向和反向兩種偏壓下的溫度依賴關(guān)系示于圖2-15和圖2-16中

圖2-14硅平面二極管電流—電壓特性的溫度效應(yīng)圖2-15在硅P—N結(jié)二極管中反向飽和電流與溫度的關(guān)系第七十頁，共102頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管第七十一頁，共102頁。

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散電容兩部分。第七十二頁，共102頁。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，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”。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。對于加反向偏壓的情況，可作類似分析。第七十三頁，共102頁。勢壘電容(過渡電容,耗盡層電容)（2-7-1）（2-7-2）（2-7-3）常用－關(guān)系：

（2-7-4）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。

第七十四頁，共102頁。1、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計算出施主濃度。2、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處

第七十五頁，共102頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管求雜質(zhì)分布

在雜質(zhì)分布未知的P-N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。看圖2.18所示未知雜質(zhì)分布：式中是在空間電荷層邊緣處的雜質(zhì)濃度。由泊松方程，電場增量是與電荷增量之間具有如下關(guān)系：

電場增量偏壓增量的具有如下關(guān)系：

第七十六頁，共102頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由上式得：C即為過渡電容。

將結(jié)果重新整理得到求雜質(zhì)分布的程序：

在不同反偏壓下測量電容：第七十七頁，共102頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管雜質(zhì)分布的程序：求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度：畫出相對的曲線。從此曲線中取并將其結(jié)果代入（2-7-12）式計算出。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)。第七十八頁，共102頁。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算機算出的結(jié)果示于圖2-19中。第七十九頁，共102頁。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算機算出的結(jié)果示于圖2-18中。第八十頁，共102頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管例題

考慮在的襯底上通過硼的兩步擴散制成的P-N結(jié)。硼的表面濃度為，結(jié)深為。假設(shè)自建電勢為，求在反偏壓下的結(jié)電容。解：因為，以及所以有。此外利用圖2-18b求出

第八十一頁，共102頁。

變?nèi)荻O管根據(jù)

2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管可見反向偏置的P-N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

：對于單邊突變結(jié)，，如式（2-7-6）中所表示。

第八十二頁，共102頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管包括一個P-N結(jié)電容的LC電路，其諧振頻率可表示為在電路應(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。（2-7-13）第八十三頁，共102頁。P+-N結(jié)的擴散電容擴散電容隨頻率的增加而減小

擴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，擴散電容便起主要作用。第八十四頁，共102頁。2.8P-N結(jié)二極管的頻率特性（小信號交流分析）2.9P-N結(jié)二極管的開關(guān)特性（電荷貯存和反響瞬變）

第八十五頁，共102頁。2.8P-N結(jié)二極管的頻率特性

器件處理連續(xù)波時所表現(xiàn)出來的性能叫做器件的頻率特性。在小信號工作時，信號電流與信號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的變化。

掌握概念：交流導(dǎo)納擴散電導(dǎo)擴散電阻擴散電容等效電路第八十六頁，共102頁。PN結(jié)二極管的開關(guān)作用：PN結(jié)二極管處于正向偏置時，允許通過較大的電流，處于反向偏置時通過二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時二極管的工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處于反向偏置時的工作狀態(tài)叫作關(guān)態(tài)。可見結(jié)二極管能起到開關(guān)作用。

了解概念：PN結(jié)二極管的開關(guān)作用、反向瞬變、電荷貯存、貯存時間、電荷控制分析方法、階躍恢復(fù)二極管。第八十七頁，共102頁。2.10P-Ｎ結(jié)擊穿

第八十八頁，共102頁。2.10P-Ｎ結(jié)擊穿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)就會產(chǎn)生很大的反向電流。這種現(xiàn)象叫做結(jié)擊穿。擊穿過程并非具有破壞性的，只要最大電流受到限制，它可以長期地重復(fù)。擊穿機制：齊納擊穿：齊納提出在高電場下耗盡區(qū)的共價鍵斷裂產(chǎn)生電子和空穴，即有些價電子通過量子力學(xué)的隧道效應(yīng)從價帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶，從而形成反向隧道電流。齊納擊穿發(fā)生在低電壓情況下，比如硅PN結(jié)低于4伏特情況下發(fā)生的擊穿。雪崩擊穿：對于高電壓擊穿的結(jié)，例如，在硅中大于的擊穿，雪崩機制是產(chǎn)生擊穿的原因。

第八十九頁，共102頁。2.10P-Ｎ結(jié)擊穿第九十頁，共102頁。發(fā)生P-N結(jié)擊穿的機理主要有以下幾種

雪崩擊穿隧道擊穿熱電擊穿(熱擊穿)

第九十一頁，共102頁。雪崩擊穿

當(dāng)反向偏壓很大時，勢壘區(qū)中的電場很強，在勢壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴由于受到強電場的漂移作用，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（第二代載流子），于是一個載流子變成了三個載流子。這三個載流子在強電場作用下，還會繼續(xù)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生第三代的電子-空穴對。空穴也如此產(chǎn)生第二代、第三代的載流子。如此繼續(xù)下去，載流子就大量增加，這種繁殖載流子的方式稱為載流子的倍增效應(yīng)。由于倍增效應(yīng)，使勢壘區(qū)單位時間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子，迅速增大了反向電流，從而發(fā)生P-N結(jié)擊穿。這就是雪崩擊穿的機理。第九十二頁，共102頁。

雪崩