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)均為重摻雜的情況時，有些載流子可能穿透區(qū)均為重摻雜的情況時，有些載流子可能穿透（代替越過）勢壘而產(chǎn)生額外的電流，這種機制稱為量子力（代替越過）勢壘而產(chǎn)生額外的電流，這種機制稱為量子力學(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)： 費米能級位于導(dǎo)帶或價帶的內(nèi)部；費米能級位于導(dǎo)帶或價帶的內(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)都是重摻雜的區(qū)都是重摻雜的 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到一個極大值個極大值 ，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，達到一極小值電壓。隨后電壓增加，電流反而減小，達到一極小值 ，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)象稱為負阻。反向偏壓時，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加，由反向偏壓時，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加，由重摻雜的重摻雜的 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 在簡并化的重摻雜半導(dǎo)體中，在簡并化的重摻雜半導(dǎo)體中，N 型半導(dǎo)體的費米能級進入了導(dǎo)帶，型半導(dǎo)體的費米能級進入了導(dǎo)帶，P 型半導(dǎo)體的費米能級進入了價帶。型半導(dǎo)體的費米能級進入了價帶。未加電壓時未加電壓時，P 區(qū)價帶和區(qū)價帶和 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)的費米能級相等，在結(jié)區(qū)的費米能級相等，在結(jié)的兩邊，費米能級以下沒有空量子的兩邊，費米能級以下沒有空量子態(tài)，費米能級以上的量子態(tài)沒有電態(tài)，費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、于特征曲線上的點應(yīng)于特征曲線上的點 0。 （a）對應(yīng)點）對應(yīng)點 0（e）對應(yīng)點）對應(yīng)點 4（b）對應(yīng)點）對應(yīng)點 1（c）對應(yīng)點）對應(yīng)點 2（d）對應(yīng)點）對應(yīng)點 3（f）對應(yīng)點）對應(yīng)點 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，時，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 ，這時結(jié)兩邊能量相等的量子態(tài)中，這時結(jié)兩邊能量相等的量子態(tài)中，P 區(qū)價帶的費米能區(qū)價帶的費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)帶的費米能級以下有量子態(tài)被區(qū)導(dǎo)帶的費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穿過隧道到達 P 區(qū)價帶中，產(chǎn)生從區(qū)價帶中，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)于特征曲線上的點流，對應(yīng)于特征曲線上的點 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)穿過隧道到達區(qū)穿過隧道到達 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，這時時，這時 P 區(qū)的費米能級區(qū)的費米能級與與 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、價帶中能量相同區(qū)的價帶中能量相同的量子態(tài)達到最多，如圖（的量子態(tài)達到最多，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)價帶中的空量子態(tài)去，正向電流達到極區(qū)價帶中的空量子態(tài)去，正向電流達到極大值大值 ，這時對應(yīng)于特征曲線的點，這時對應(yīng)于特征曲線的點 2。)(DVVqIpVp 再繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度進一步降低，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)價帶中可能接受穿過隧道的電子的空量子態(tài)均

8、區(qū)價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，這時隧道電流減小，出現(xiàn)負阻現(xiàn)象，）所示，這時隧道電流減小，出現(xiàn)負阻現(xiàn)象，對應(yīng)特性曲線上點對應(yīng)特性曲線上點 3。 正向偏壓增大到正向偏壓增大到 時，時，N 區(qū)導(dǎo)帶底和區(qū)導(dǎo)帶底和 P 區(qū)價帶頂一樣高，區(qū)價帶頂一樣高，如圖（如圖（e）所示，這時）所示，這時 P 區(qū)價帶和區(qū)價帶和 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)特征曲線上點對應(yīng)特征曲線上點 4。Vv但實際上在但實際上在 時正向電流并不完全為零，其數(shù)值要比時正

9、向電流并不完全為零，其數(shù)值要比 下下的正向擴散電流大得多，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，加反向偏壓時，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)價帶中費米能區(qū)價帶中費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)帶中費米能級以上有區(qū)導(dǎo)帶中費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、的價帶電子可以穿過隧道到區(qū)中的價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)價區(qū)價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，如特性曲線上點加，如特性曲線上點 5 所示?？梢?，在隧道結(jié)中，即使反向所示?？梢姡谒淼澜Y(jié)中，即使反向電壓很小時，反向電流也是比較大的，這與一般電壓很小時，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，一般地擴散電時，一般地擴散電流就開始成為主要

11、的，這時隧道結(jié)和一般流就開始成為主要的，這時隧道結(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)用重摻雜的簡并半導(dǎo)體制成，由于隧道結(jié)用重摻雜的簡并半導(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 隧道二極管特點隧道二極管特點 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，因為單位時間通過工作的，因為單位時間通過 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，不受電子渡越時間限制，使隧程，電子穿過勢壘極其迅速，不受電子渡越時間限制，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)擊穿實驗發(fā)現(xiàn)，對實驗發(fā)現(xiàn)，對 PN 結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值時，反結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值時，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)生擊穿時的反向偏壓（圖中擊穿時的反向偏壓（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)擊穿機制主要有結(jié)擊穿機制主要有 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，去撞擊價帶空穴

14、對。新的電子和空穴又可被加速，去撞擊價帶電子，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，所發(fā)生的擊穿往結(jié)摻雜濃度不太高時，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)計工作中，常使用下面的經(jīng)驗公式作為雪崩擊穿電在器件設(shè)計工作中，常使用下面的經(jīng)驗公式作為雪崩擊穿電

15、壓的近似估計。對于硅、鍺、砷化鎵和磷化鎵幾種材料，人壓的近似估計。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)價帶頂時，區(qū)價帶頂時，P 區(qū)價帶中的電子可以區(qū)價帶中的電子可以以隧道穿通的形式跨越禁帶而進入以隧道穿通的形式跨越禁帶而進入 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到一定程度時，反向電流急劇增加當(dāng)電壓加大到使隧道幾率達到一定程度時，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)。因為最初是由齊穿效應(yīng)。因為最初是由齊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，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，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