合工大5第二章21平衡PN結(jié)

1、Physics of Semiconductor Devices第二章第二章 PNPN結(jié)結(jié)如果將如果將P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界處就型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界處就形成了形成了PNPN結(jié)。結(jié)。PNPN結(jié)是構(gòu)成各類半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，如雙極型晶結(jié)是構(gòu)成各類半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，如雙極型晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管等，都是由體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管等，都是由PNPN結(jié)構(gòu)成的。結(jié)構(gòu)成的。PNPN結(jié)的性質(zhì)結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的特點(diǎn)。集中反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的特點(diǎn)。前言前言An interface lying between a P-type region

2、and an N-type region in a semiconductor single crystal is termed a PN junction.Physics of Semiconductor Devices1 1、分析、分析PNPN結(jié)形成的物理過程和結(jié)形成的物理過程和PNPN結(jié)的物理特性結(jié)的物理特性2 2、電流電壓特性、電流電壓特性3 3、擊穿特性、擊穿特性4 4、電容效應(yīng)、電容效應(yīng)5 5、開關(guān)特性等、開關(guān)特性等PNPN結(jié)的主要講解內(nèi)容：結(jié)的主要講解內(nèi)容：Physics of Semiconductor Devices封裝好的集成電路Physics of Semiconduct

3、or Devices硅單晶片與加工好的硅片Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)2.12.1Physics of Semiconductor DevicesPN結(jié)的制備工藝PN結(jié)的形成機(jī)理接觸電勢空間電荷區(qū)的電場與寬度平衡PN結(jié)的載流子分布OutlinePhysics of Semiconductor Devices制造業(yè)制造業(yè)芯片制造過程一 制備方法與工藝過程Physics of Semiconductor DevicesP型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)，在P型半導(dǎo)體一邊，空穴是

4、多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子；在N型半導(dǎo)體一邊，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。在一片純凈的半導(dǎo)體樣品上，通過控制施主濃度和受主濃度的方法可以使得樣品一邊成為施主占優(yōu)勢的N型半導(dǎo)體，另一邊稱為受主占優(yōu)勢的P型半導(dǎo)體。P型區(qū)和N型區(qū)之間的冶金學(xué)邊界稱為PN結(jié)PN結(jié)Physics of Semiconductor Devices1 1、合金法、合金法把一小顆銦球（In）放在N型鍺單晶片上，加熱到一定溫度，形成銦鍺共熔體，然后降低溫度，在降溫的過程中，鍺便從共熔體中析出，沿著鍺片的晶向再結(jié)晶。在再結(jié)晶的鍺區(qū)中，將含有大量的P型雜質(zhì)銦，使得該區(qū)變成P區(qū)，從而形成PN結(jié)。Physics of Sem

5、iconductor Devices雜質(zhì)分布雜質(zhì)分布N區(qū)中施主雜質(zhì)濃度為ND，而且均勻分布；P區(qū)中受主雜質(zhì)濃度為NA，也是均勻分布。在交界處，雜質(zhì)濃度由NA（P型）突變?yōu)镹D（N型），具有這種雜質(zhì)分布的PN結(jié)稱為突變結(jié)。突變結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度相差很多，通常把這種結(jié)稱為單邊突變結(jié)。對于單邊突變結(jié)。如果NA ND，記為：PN結(jié)； 如果ND NA，記為：PN結(jié)。Physics of Semiconductor Devices2 2、擴(kuò)散法、擴(kuò)散法在N型或P型單晶硅片上，通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得的PN結(jié)，其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。在這種PN結(jié)中，雜質(zhì)濃度從P區(qū)到N區(qū)是逐漸變化的，通常稱為

6、緩變結(jié)。Physics of Semiconductor DevicesPN結(jié)的結(jié)深結(jié)的結(jié)深雜質(zhì)分布雜質(zhì)分布ADjDAjNNXxNNXx,)(jjADXxaNN稱為雜質(zhì)濃度梯度，它決定于擴(kuò)散雜質(zhì)的實(shí)際分布。對于高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)，其斜率很大，這時(shí)擴(kuò)散結(jié)可用突變結(jié)來近似，如圖c。在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用 x =Xj 處的切線近似表示，則稱為線性緩變結(jié)。其雜質(zhì)分布可表示為：Physics of Semiconductor Devices3 3、離子注入法、離子注入法在掩模板窗口附近的橫向分布為余誤差分布，縱向近似為高斯分布。Physics of Semiconductor Devices小小

7、結(jié)結(jié)1、制造工藝不同，雜質(zhì)分布不同。2、通常將PN結(jié)的雜質(zhì)分布 分為突變結(jié)和緩變結(jié)。合金法和表面濃度高的淺擴(kuò)散結(jié)可認(rèn)為是突變結(jié)，而表面濃度低的深擴(kuò)散結(jié)，可認(rèn)為是線性緩變結(jié)。Physics of Semiconductor Devices工藝過程Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices硅基PN結(jié)制作工藝過程在在N型或型或P型單晶硅片上，通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得的型單晶硅片上，通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得的PN結(jié)，結(jié)，其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。在這種其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。在這種P

8、N結(jié)中，雜質(zhì)濃度從結(jié)中，雜質(zhì)濃度從P區(qū)到區(qū)到N區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)。區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)。Physics of Semiconductor Devices分析一當(dāng)P型材料和N型材料被連接在一起時(shí)，費(fèi)米能級在熱平衡時(shí)必定恒等，否則就有電流通過(?)。恒定費(fèi)米能級的條件是電子從N型半導(dǎo)體一邊轉(zhuǎn)移至P型半導(dǎo)體一邊，空穴則沿相反方向轉(zhuǎn)移。Physics of Semiconductor Devices一維電場電勢一維電場電勢相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米勢相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米勢思考題：費(fèi)米能級在熱平衡時(shí)必定恒等，否則就有電流通過半導(dǎo)體的熱電勢？Physics of Semiconductor Devices

9、當(dāng)這兩部分半導(dǎo)體靠得很近，甚至相互接觸時(shí)，由于交界面存在著電子當(dāng)這兩部分半導(dǎo)體靠得很近，甚至相互接觸時(shí)，由于交界面存在著電子和空穴得濃度差，和空穴得濃度差，N區(qū)中的電子要向區(qū)中的電子要向P區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)中的空穴要向區(qū)中的空穴要向N 區(qū)擴(kuò)區(qū)擴(kuò)散。這樣，對于散。這樣，對于P區(qū)，空穴離開后，留下了不可動的帶負(fù)電的電離受主區(qū)，空穴離開后，留下了不可動的帶負(fù)電的電離受主這些電離受主在這些電離受主在PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)側(cè)形成了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)；同樣的，在區(qū)側(cè)形成了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)；同樣的，在N區(qū)由區(qū)由出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的正電荷區(qū)，這個(gè)交界區(qū)域就是出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的正電荷區(qū)，這個(gè)交界區(qū)域就是PN結(jié)。通常把

10、結(jié)。通常把PN結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶的電荷稱為空間電荷，它們結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶的電荷稱為空間電荷，它們所在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。所在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。分析分析二二Physics of Semiconductor Devices由于電場的存在使得電子和空穴產(chǎn)生漂移運(yùn)動，與它們的擴(kuò)散運(yùn)動正好相由于電場的存在使得電子和空穴產(chǎn)生漂移運(yùn)動，與它們的擴(kuò)散運(yùn)動正好相反，當(dāng)電場強(qiáng)到使載流子的漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動相抵消時(shí)（大小相等、方反，當(dāng)電場強(qiáng)到使載流子的漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動相抵消時(shí)（大小相等、方向相反），此時(shí)的向相反），此時(shí)的PNPN結(jié)達(dá)到了平衡態(tài)，這就是平衡結(jié)達(dá)到了平衡態(tài)，這就

11、是平衡PNPN結(jié)。結(jié)。出現(xiàn)空間電荷區(qū)后，在空間電荷出現(xiàn)空間電荷區(qū)后，在空間電荷區(qū)中形成一個(gè)電場，電場的方向區(qū)中形成一個(gè)電場，電場的方向由帶正電的由帶正電的N N區(qū)指向帶負(fù)電的區(qū)指向帶負(fù)電的P P區(qū)，區(qū)，這個(gè)電場稱為自建電場。這個(gè)電場稱為自建電場。Physics of Semiconductor Devices平衡平衡PNPN結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖由圖可知：由圖可知：N N半導(dǎo)體的費(fèi)米能級半導(dǎo)體的費(fèi)米能級EFN位于本征費(fèi)米能級位于本征費(fèi)米能級Ei之上，之上，P P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級EFP位于本征費(fèi)米能級位于本征費(fèi)米能級Ei之下。當(dāng)之下。當(dāng)N N型和型和P P型半導(dǎo)體結(jié)合成型半導(dǎo)體

12、結(jié)合成PNPN結(jié)時(shí)，若沒有外加電壓，結(jié)時(shí)，若沒有外加電壓，則有統(tǒng)一的費(fèi)米能級則有統(tǒng)一的費(fèi)米能級EF ，即費(fèi)米能級處處相等。也就是說，即費(fèi)米能級處處相等。也就是說，N N區(qū)的能帶相對于區(qū)的能帶相對于P P區(qū)下區(qū)下移（或者說移（或者說P P區(qū)的能帶相對區(qū)的能帶相對N N區(qū)上移），從而使得兩個(gè)區(qū)的費(fèi)米能級拉平。區(qū)上移），從而使得兩個(gè)區(qū)的費(fèi)米能級拉平。Physics of Semiconductor Devices能帶的相對位移是能帶的相對位移是PNPN結(jié)空間電荷區(qū)存在自建電場的結(jié)果，由于自建電場的方向是由結(jié)空間電荷區(qū)存在自建電場的結(jié)果，由于自建電場的方向是由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)的，表明區(qū)的，表

13、明P P區(qū)的電勢比區(qū)的電勢比N N區(qū)的電勢低。而能帶圖是按電子能量的高低畫的，區(qū)的電勢低。而能帶圖是按電子能量的高低畫的，所以所以P P區(qū)電子的勢能比區(qū)電子的勢能比N N區(qū)的勢能高，也就是電子的電勢能區(qū)的勢能高，也就是電子的電勢能-qU(x)由由N N區(qū)向區(qū)向P P區(qū)不斷升區(qū)不斷升高。高。*平衡PN結(jié)具有統(tǒng)一費(fèi)米能級，恰好體現(xiàn)了每一種載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動電流相互抵消，從而沒有凈電流通過PN結(jié)。DFPFNqUEE接觸電勢差接觸電勢差電勢變化量電勢變化量Physics of Semiconductor Devices自建勢場由自建勢場由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)，表明區(qū)，表明P P區(qū)的電勢（

14、電位）比區(qū)的電勢（電位）比N N區(qū)的電勢區(qū)的電勢低低平衡平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)能帶發(fā)生彎曲，它反映了空間結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)能帶發(fā)生彎曲，它反映了空間電荷區(qū)內(nèi)電子勢能的變化。電子從勢能低的電荷區(qū)內(nèi)電子勢能的變化。電子從勢能低的N區(qū)向勢能區(qū)向勢能高的高的P區(qū)運(yùn)動，必須克服這個(gè)勢能區(qū)運(yùn)動，必須克服這個(gè)勢能“高坡高坡” ；同理，空；同理，空穴必須克服這個(gè)勢能穴必須克服這個(gè)勢能“勢壘勢壘”才能從才能從P區(qū)到達(dá)區(qū)到達(dá)N區(qū)，這區(qū)，這個(gè)勢能個(gè)勢能“高坡高坡”通常稱為通常稱為PN結(jié)的結(jié)的“勢壘勢壘”，所以空間，所以空間電荷區(qū)也叫勢壘區(qū)。電荷區(qū)也叫勢壘區(qū)。Physics of Semiconductor Device

15、s因濃度差因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動多子的擴(kuò)散運(yùn)動由由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散形成形成PN結(jié)結(jié)Physics of Semiconductor DevicesCarrier profiles through a junctionPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices四四 空間電荷區(qū)的電場與寬度空間電荷區(qū)的電場與寬度對于突變結(jié)的邊界層，難以得到解析解，利用數(shù)值法進(jìn)行求解?？傻眠吔鐚?/p>

16、于突變結(jié)的邊界層，難以得到解析解，利用數(shù)值法進(jìn)行求解?？傻眠吔鐚拥脤挾燃s為一特征長度的層得寬度約為一特征長度的3倍，此特征長度稱為非本征德拜倍，此特征長度稱為非本征德拜(Debye)長度：長度：通常情況下，它遠(yuǎn)小于耗盡區(qū)德寬度，因此邊界層可以忽略不計(jì)通常情況下，它遠(yuǎn)小于耗盡區(qū)德寬度，因此邊界層可以忽略不計(jì)因此：因此：可簡單的將可簡單的將PN結(jié)化分為中性區(qū)和耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）結(jié)化分為中性區(qū)和耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）Physics of Semiconductor Devices忽略邊界層的突變結(jié)的空間電荷區(qū)分布圖在載流子完全耗盡的區(qū)域，有：在載流子完全耗盡的區(qū)域，有：Physics of Semi

17、conductor Devices對于對于N側(cè)側(cè)P側(cè)的泊松方程可簡化為：側(cè)的泊松方程可簡化為：對于整個(gè)半導(dǎo)體來說，空間電荷區(qū)的電中性要求對于整個(gè)半導(dǎo)體來說，空間電荷區(qū)的電中性要求PN結(jié)兩邊的電荷相等，即：結(jié)兩邊的電荷相等，即：整個(gè)空間電荷區(qū)的寬度為：整個(gè)空間電荷區(qū)的寬度為：Physics of Semiconductor Devices式中：式中：PN結(jié)的最大電場Physics of Semiconductor Devices由于正負(fù)電荷分布在一定體積中，電力線是從正電荷出發(fā)，終止由于正負(fù)電荷分布在一定體積中，電力線是從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷。因此電場強(qiáng)度在空間電荷區(qū)的各處是不想等的。界面于

18、負(fù)電荷。因此電場強(qiáng)度在空間電荷區(qū)的各處是不想等的。界面處最大，而在邊界處電場強(qiáng)度為零。處最大，而在邊界處電場強(qiáng)度為零。由于電荷密度是均勻的，所以平行結(jié)面方向上電場強(qiáng)度不變。在交由于電荷密度是均勻的，所以平行結(jié)面方向上電場強(qiáng)度不變。在交界面上具有最大的電場強(qiáng)度。界面上具有最大的電場強(qiáng)度。Physics of Semiconductor Devices空間電荷區(qū)的內(nèi)建電勢差為：空間電荷區(qū)的內(nèi)建電勢差為：由電勢連續(xù)性：由電勢連續(xù)性：則有：則有：即：即：2Physics of Semiconductor Devices根據(jù)上式，可得耗盡層的寬度為：根據(jù)上式，可得耗盡層的寬度為：Physics of S

19、emiconductor DevicesDqNdxdEExxDdxqNdE02110)2()(0XxqNxED200XqNEDMPoissons equationIntegrateElectric field profiles (left-hand) PeakElectric-field profiles Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesQAdD321sss) 0()(1 xxNxxqxnDns)0 ()(1pApsxxNxxqx ) 0(maxxNqxNqxEApDnsPhysics of Sem

20、iconductor DevicesElectrostatic-potential profileNxxDdxXxqNd210110)2()48()22(202002XXxXxqNDN8222002XxXxqNDN820XqNDN)(2)(02xXxqNxDPhysics of Semiconductor DevicesContact potential42200qNXNqNX/200Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices五五 平衡平衡PNP

21、N結(jié)的載流子分布結(jié)的載流子分布在空間電荷區(qū)靠近在空間電荷區(qū)靠近P區(qū)邊界區(qū)邊界Xp處，電子濃度等于處，電子濃度等于P區(qū)的平衡少子濃度區(qū)的平衡少子濃度np0，空穴濃度等于空穴濃度等于P區(qū)平衡多子濃度區(qū)平衡多子濃度pp0 ；在靠近；在靠近N區(qū)邊界區(qū)邊界Xn處，空穴濃度等于處，空穴濃度等于N區(qū)的平衡少子濃度區(qū)的平衡少子濃度pN0 ，電子濃度等于，電子濃度等于N區(qū)的平衡多子濃度區(qū)的平衡多子濃度nN0 。在空間。在空間電荷區(qū)，空穴濃度從電荷區(qū)，空穴濃度從Xp處的處的pp0減小到減小到Xn的的pN0 ，電子濃度從，電子濃度從Xn處的處的nN0減減小到小到Xp處的處的np0 。Physics of Semic

22、onductor Devices在在PN結(jié)形成過程中，電子從結(jié)形成過程中，電子從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，從而在結(jié)面的區(qū)擴(kuò)散，從而在結(jié)面的N區(qū)側(cè)留下不能區(qū)側(cè)留下不能移動的電離施主；空穴自移動的電離施主；空穴自P區(qū)向區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，留下了不能移動的電離受主（負(fù)區(qū)擴(kuò)散，留下了不能移動的電離受主（負(fù)電中心）。在空間電荷區(qū)內(nèi)可移動載流子的分布是按指數(shù)規(guī)律變化的，變化電中心）。在空間電荷區(qū)內(nèi)可移動載流子的分布是按指數(shù)規(guī)律變化的，變化顯著，絕大部分區(qū)域的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中性區(qū)域，即在空間電荷區(qū)的載顯著，絕大部分區(qū)域的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中性區(qū)域，即在空間電荷區(qū)的載流子基本已被耗盡，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或耗盡層。流子基本已被耗盡，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或耗盡層。Physics of Semiconductor Devices=5104(V/cm)Physics of Semiconductor Devices對于線性緩變結(jié)，耗盡層內(nèi)空間