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(jiǎn)單等價(jià)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)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦浴?其單向?qū)щ娦院驮谄浣缑娓浇纬傻膭?shì)壘密切聯(lián)系。因此這一節(jié)的討論從pn結(jié)的勢(shì)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(shí)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(shí)必具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，即各處費(fèi)米能級(jí)在同一水平上。對(duì)于pn結(jié)來(lái)說(shuō)，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(kuò)散法加熱溶解突變結(jié)線性緩變結(jié)擴(kuò)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(rèn)為合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)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(kuò)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(fèi)米能級(jí)當(dāng)漂移和擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)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(kuò)展，保持一定的寬度。此時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)E也一定，一般稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的pn結(jié)，簡(jiǎn)稱為平衡pn結(jié)。（統(tǒng)一的）自建電場(chǎng)E靜電勢(shì)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(fèi)米能級(jí)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(fèi)米能級(jí)高處(n區(qū))向費(fèi)米能級(jí)低處(p區(qū))流動(dòng)，EFn下移?？昭◤馁M(fèi)米能級(jí)低處(p區(qū))向費(fèi)米能級(jí)高處(n區(qū))流動(dòng), EFp上移。平衡時(shí)達(dá)到統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí) EF。電勢(shì)從np逐漸下降，則電勢(shì)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(shì)差沿電場(chǎng)方向電勢(shì)降低電勢(shì)V(x)曲線，取p區(qū)電勢(shì)為0，則n區(qū)為

5、VD接觸電勢(shì)差。電勢(shì)能-qV(x)曲線，對(duì)電子，p區(qū)電勢(shì)能為0 -qVD(n區(qū))，形成電子勢(shì)壘、空穴勢(shì)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(shì)差注意：1.接觸電勢(shì)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(shí)，ND=1015cm-3，NA=1017cm-3， Si：0.7V；Ge：0.32V2.針對(duì)非簡(jiǎn)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(shì)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(yuǎn)小于nn0和pp0，可忽略，故稱該區(qū)域?yàn)楹谋M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(shì)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(shí)，電壓主要降落在這個(gè)勢(shì)壘區(qū)，而擴(kuò)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(chǎng)和電勢(shì) 泊松方程何為泊松方程? 其來(lái)歷?反映一定區(qū)域電勢(shì)、電場(chǎng)、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(chǎng)和電勢(shì)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(chǎng)和電勢(shì)電場(chǎng)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(chǎng)和電勢(shì)討論：電場(chǎng)符號(hào)為“-”。（因?yàn)槎x的坐標(biāo)系是pn，而內(nèi)建電場(chǎng)的方向卻是N區(qū) P區(qū)，所以方向相反。）電場(chǎng)線性變化。當(dāng)x=-xp或x=xn時(shí)，Emin=0。當(dāng)x=0時(shí)，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(chǎng)和電勢(shì)電勢(shì)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(chǎng)和電勢(shì)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(chǎng)和電勢(shì)b.線性緩變結(jié)以x=0處，V=0進(jìn)行積分計(jì)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(chǎng)和電勢(shì)勢(shì)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(fù)，V0)外加電場(chǎng)pn內(nèi)建場(chǎng)np外加電場(chǎng)降低了內(nèi)建場(chǎng)的強(qiáng)度，勢(shì)壘降低n區(qū)的EF高于p區(qū)的EF有電子從n區(qū)流進(jìn)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(shì)壘區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)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(kuò)散空穴漂移電子擴(kuò)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(fù)，n正，V0)外加電場(chǎng)np內(nèi)建場(chǎng)np外加電場(chǎng)加強(qiáng)了內(nèi)建場(chǎng)的強(qiáng)度，勢(shì)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(shí)際上是EF與導(dǎo)帶底/價(jià)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(wú)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(shì)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)通過(guò)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(jì)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(jì)算電流密度方法計(jì)算勢(shì)壘區(qū)邊界處注入的非平衡少子濃度，以此為邊界條件，計(jì)算擴(kuò)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(kuò)散方程，算出擴(kuò)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(kuò)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(lái)方程式） 對(duì)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(qiáng)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(shì)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(kuò)散電流為主；m=2，復(fù)合電流為主。擴(kuò)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(wú)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(kuò)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(yuǎn)大于各自少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，求室溫時(shí)正向電流I為1mA時(shí)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(shí)，求:(1)300K時(shí)流過(guò)p-n結(jié)的電流I表達(dá)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(dá)式。(3)確定n區(qū)內(nèi)空穴擴(kuò)散電流、電子擴(kuò)散電流、電子漂移電流和總的電子電流隨x變化的表達(dá)

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(lái)源勢(shì)壘電容擴(kuò)散電容交流情況下，pn結(jié)的存儲(chǔ)電荷對(duì)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(shì)壘區(qū)寬度對(duì)外加電壓變化引起的微分電容稱為勢(shì)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(kuò)散區(qū)內(nèi)存在等量正、負(fù)電荷的變化引起的電容稱為擴(kuò)散電容。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部516.3.1 勢(shì)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(shì)壘電容對(duì)于單邊突變結(jié)1.突變結(jié)的勢(shì)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(shì)壘電容和電壓(VD-V)的平方根成反比。截距就是勢(shì)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(shì)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(jìn)入勢(shì)壘區(qū)，它們對(duì)電容也有貢獻(xiàn)。我們一般認(rèn)為：外加偏壓為0時(shí)pn結(jié)的勢(shì)壘電容2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部546.3.1 勢(shì)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(kuò)散電容在大的正向偏壓下，擴(kuò)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(gè)

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(shí)，其可變電容為200PF，問(wèn)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(gè)p-n結(jié)，計(jì)算在室溫下內(nèi)建電場(chǎng)的電壓差VD和阻擋層寬度XD。作業(yè)：1、2、3、11補(bǔ)充：簡(jiǎn)述pn結(jié)的三種擊穿機(jī)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(duì)pn結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值VBR時(shí)，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(shí)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(shí)，pn結(jié)的反向電流由p區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的電子電流和由n區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的空穴電流所組成。反偏勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)電子和空穴的動(dòng)能與晶格原子發(fā)生碰撞時(shí)，把價(jià)鍵上的電子碰撞出來(lái)，成為導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(jī)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(qiáng)電場(chǎng)作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價(jià)帶