固體物理 第六講 p-n結(jié)

1、第六講 p-n結(jié)p-n結(jié)和能帶p-n結(jié)的I-V特性p-n結(jié)的電容特性p-n結(jié)的失效機理11 p-n結(jié)與能帶 p-n結(jié)形成和雜質(zhì)分布 p-n結(jié)形成和類型：p-n結(jié)形成方法：一塊n型(或P型)半導體單晶體上， 利用： 合金法 擴散法 生長法 離子注入法等2用適當?shù)墓に嚪椒ò裀型(或n型)雜質(zhì)摻入其中，使單晶體不同區(qū)域分別具有n型和p型的導電類型，在二者的交界面處就形成了p-n結(jié) p-n結(jié)類型：按雜質(zhì)分布一般可以歸納為突變結(jié)和線性緩變結(jié)： 突變結(jié): 合金突變結(jié)兩邊的載流子濃度有數(shù)量級差別，稱之為單邊突變結(jié)。 緩變結(jié): 線性緩變結(jié)3PN結(jié)的形成: 將一塊P型半導體和N型半導體緊密連接在一起，這種緊密連

2、接不能有縫隙，是一種原子半徑尺度上的緊密連接。此時將在N型半導體和P型半導體的結(jié)合面上形成如下物理過程。 N型半導體中的多子電子的濃度遠大于P型半導體中少子電子的濃度；P型半導體中多子空穴的濃度遠大于N型半導體中少子空穴的濃度。于是在兩種半導體的界面上會因載流子的濃度差發(fā)生了擴散運動，見左圖。 圖中蘭色小圓為多子電子；紅色小圓為多子空穴。擴散電流4 隨著擴散運動的進行，在界面N區(qū)的一側(cè)，隨著電子向P區(qū)的擴散，雜質(zhì)變成正離子；在界面P區(qū)的一側(cè)，隨著空穴向N區(qū)的擴散，雜質(zhì)變成負離子。雜質(zhì)在晶格中是不能移動的，所以在N型和P型半導體界面的N型區(qū)一側(cè)會形成正離子薄層；在P型區(qū)一側(cè)會形成負離子薄層。這種

3、離子薄層會形成一個電場，方向是從N區(qū)指向P區(qū)，稱為內(nèi)電場，見左上圖。 內(nèi)電場的出現(xiàn)及內(nèi)電場的方向會對擴散運動產(chǎn)生阻礙作用，限制了擴散運動的進一步發(fā)展。在半導體中還存在少子，內(nèi)電場的電場力會對少子產(chǎn)生作用，促使少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移運動。內(nèi)電場內(nèi)電場漂移電流5 漂移電流的方向正好與擴散電流的方向相反，擴散運動越強，內(nèi)電場越強，對擴散運動的阻礙就越強；內(nèi)電場越強，理應漂移電流就越大。因少數(shù)載流子的濃度與溫度有關(guān)，在一定的溫度條件下，少數(shù)載流子的濃度一定，所以漂移電流的大小就一定，不會隨內(nèi)電場加大而繼續(xù)加大。從而在某個溫度條件下，擴散和漂移會達到動態(tài)平衡，擴散電流和漂移電流相等。內(nèi)電場擴散電流漂移電流擴

4、散電流漂移電流6可以用下列箭頭來描述這一過程: 因濃度差 形成多子的擴散運動 雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 我們稱從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場為PN結(jié)。因為離子薄層中的多數(shù)載流子已經(jīng)擴散盡了，缺少多子，所以這個離子薄層也稱為耗盡層。所以PN結(jié)有許多別名，離子薄層、空間電荷區(qū)、耗盡層、內(nèi)電場等等。 以上PN結(jié)的形成過程可以通過動畫進一步學習。動畫1-3空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散 達到動態(tài)平衡78910pn 結(jié)中的電場和電勢差p區(qū)能帶升高，n區(qū)能帶降低，形成勢壘pn 結(jié)中的電場和勢壘11空間電荷區(qū):（單獨的n和p型半導體是電中性的）產(chǎn)生原因當這兩塊半導體結(jié)合形成p-n結(jié)時，由于

5、它們之間存在載流子濃度梯度，導致了空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴散運動。界面附近p區(qū)留下了不可動的帶負電荷的電離受主，而n區(qū)出現(xiàn)了電離施主構(gòu)成的一個正電荷區(qū)，通常就把在p-n結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所構(gòu)成的電荷稱為空間電荷。它們所存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)12 空間電荷區(qū)中的電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū)的電場內(nèi)建電場。內(nèi)建電場作用:阻礙電子和空穴繼續(xù)擴散的作用。 1314 載流子的擴散和漂移最終將達到動態(tài)平衡，無外加電壓的情況下，電子和空穴的擴散電流和漂移電流的大小相等、方向相反而互相抵消。沒有電流流過p-n結(jié)。這時空間電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)保持一定的寬度其中存在一定的內(nèi)建電場。一

6、般稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)(簡稱為平衡p-n結(jié))。15平衡p-n結(jié)費米能級一致熱平衡態(tài)下無凈電流通過p-n結(jié)：電子電流：平衡下電子密度:電子密度隨位置變化:考慮愛因斯坦關(guān)系:16本征費米能級變化和電子電勢變化一致：17平衡態(tài)下各處費米能級相同；電子電流和電子密度與費米能級隨位置 的梯度成正比；電子電流密度一定時， 電子密度大的地方，費米能級隨地點變 化率小，電子密度小地方費米能級隨地 點變化率大。18接觸電勢差： 平衡p-n結(jié)的空間電荷區(qū)兩端電勢差VD，稱為p-n結(jié)接觸電勢差或內(nèi)建電勢差。相應的電子電勢能之差即能帶的彎曲量qVD稱為p-n結(jié)的勢壘高度。勢壘高度正好補償了n和p區(qū)費米能

7、級之差： 19取nn0和np0分別表示n和p區(qū)的平衡電子濃度，則對非簡并半導體：因 VD和p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度和禁帶寬度相關(guān) 2021Energy Band22勢壘區(qū)電位分布電荷密度： (x) qNA (-xpx0) q ND (0 xxn）由Poisson方程 :根據(jù)結(jié)的邊界電場為零條件，積分得到電場強度表達為： n區(qū)： p區(qū):23各處的電位：考慮在x=0處電位連續(xù)條件，-xp處電位為零 n區(qū): p區(qū):總電位差大小:24平衡p-n中載流子分布 電子分布規(guī)律：在x處能量dE范圍內(nèi)電子數(shù)：取p區(qū)電子勢能為零Ecp=0，n區(qū)電子勢能為：Ecn=qVD。勢壘區(qū)內(nèi)任一處x的內(nèi)建電勢V(x)和位

8、置相關(guān)，電子勢能為Ec(x)=qV(x)，計算出電子濃度分布：25同樣得到空穴濃度分布： 載流子在勢壘區(qū)兩邊的濃度關(guān)系服從玻爾茲曼分布函數(shù)關(guān)系 積分中采用變量代換：Z=(E-E(x)/ k0T，n區(qū)平衡電子濃度為:26根據(jù)電子濃度表達式： x=xn ， V(x)=VD， ，即n區(qū)多子濃度。 x=xp，V(x)=0，有 為p區(qū)少子平衡濃度根據(jù)空穴濃度表達式:在x=xn， ，n區(qū)平衡少子濃度x=xp，為p區(qū)多子平衡濃度27耗盡層近似： 一般情況下，勢壘區(qū)雜質(zhì)全部電離，但勢壘區(qū)載流子的濃度遠小于平衡態(tài)n區(qū)和p區(qū)多子濃度，認為載流子耗盡，空間電荷區(qū)的電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度。 282 p-n結(jié)的電流

9、電壓特性非平衡下的p-n結(jié) 平衡下沒有凈電流通過p-n結(jié),每一種載流子的擴散和漂移電流互相抵消，p-n結(jié)中費米能級處處相等。當p-n結(jié)兩端有外加電壓時，p-n結(jié)處于非平衡狀態(tài)。 外加正向偏壓(即p區(qū)接電源正極n區(qū)接負極) 外加正向偏壓基本降落在勢壘區(qū): 因勢壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很?。徽螂妷簻p弱勢壘區(qū)電場，破壞原載流子擴散和漂移運動之間平衡，削弱了漂移運動，使擴散流大于漂移流。 電子從n區(qū)向p區(qū)以及空穴從p區(qū)向n區(qū)的凈擴散流。29 電子在邊界-xp處形成高濃度電子的積累成為p區(qū)的非平衡少數(shù)載流子，形成了邊界向p區(qū)內(nèi)部的電子擴散流，邊擴散邊與空穴復合，經(jīng)若干倍擴散長度后全部被復合，此區(qū)域為擴散區(qū)。

10、正向偏壓一定時，此處有穩(wěn)定的電子擴散流。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。 正向偏壓增時，勢壘降得更低，流入p區(qū)的電子流和注入n區(qū)的空穴流增大，外加正向偏壓使非平衡載流子進入半導體的過程稱為非平衡載流子的電注入。30正向偏壓在勢壘區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場方向相反的電場，減弱勢壘區(qū)中的場強，空間電荷相應減少。故勢壘區(qū)的寬度也減小，同時勢壘高度下降為： q(VD-V ）p-n結(jié)任一截面處通過的電子流和空穴流并不相等，由電流連續(xù)性原理通過p-n結(jié)的總電流是相等的（勢壘區(qū)載流子的復合不計） ，只是對于不同的截面，電子流和空穴流的比例不同。通過p-n結(jié)的總電流，為兩端少子擴散電流之和

11、。3132PN 結(jié)外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。PN33圖 1.2.3反相偏置的 PN 結(jié)反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高， IS 將急劇增大。R外電場方向內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)PNVIS34綜上所述：當 PN 結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流， PN 結(jié)處于 導通狀態(tài)；當 PN 結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結(jié)處于截止狀態(tài)?？梢?， PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?5正向偏壓勢壘變化 正向偏壓下電流分布 反向偏壓勢壘變化36p-n結(jié)加反向偏壓(V

12、0, exp(qV/k0T)0, 則n區(qū)空穴分布： 在x=xn處，pn(x)pn0，即pn(x) 0； 在n區(qū)內(nèi)部 xLp，pn(x)=pn0。484950小注入時擴散區(qū)中不存在電場在結(jié)區(qū)兩端少子擴散電流密度為 :51 假設(shè)勢壘區(qū)內(nèi)的復合產(chǎn)生作用可以忽略，通過p-n結(jié)的總電流密度J為 :52其中理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程式稱為肖克萊方程式。53可看出： 1）偏壓一定，總電流密度一定。 2）單向?qū)щ娦裕涸谡蚱珘合码娏髅芏入S正向偏 壓呈指數(shù)關(guān)系迅速增大,因qV koT， J Jsexp(qV /koT) , 電流隨正向偏壓呈 指數(shù)增大 3）在反向偏壓下, V0, exp(qV /koT) 0

13、, J=Js 為常量，Js稱為反向飽和電壓。54由于 J主要決定于其中e指數(shù)變化部分， Js隨溫度升高而迅速變大，偏壓一定，無論是正向還是反向電流都隨溫度升高而變大。而反向電流趨于更快。反向偏壓下比正向偏壓下IV特性對溫度更敏感。正向勢壘區(qū)寬度小于反向偏壓勢壘區(qū)寬度。 溫度對p-n結(jié)電流電壓特性影響5556影響p-n結(jié)電流電壓特性偏離理想方程的 各種因素： 表面效應：表面態(tài)影響 勢壘區(qū)內(nèi)的載流子產(chǎn)生及復合 p-n結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時，勢壘區(qū)內(nèi)通過復 合中心的載流子產(chǎn)生率等于復合率。 大注入條件 串聯(lián)電阻效應57 反向偏壓時，勢壘區(qū)內(nèi)的電場加強，所以在勢壘區(qū)內(nèi)，由于熱激發(fā)的作用，通過復合中心產(chǎn)生的

14、電子空穴對在復合前就被強電場驅(qū)走了，勢壘區(qū)內(nèi)通過復合中心的載流子產(chǎn)生率大于復合率，具有凈產(chǎn)生率，從而形成另一部分反向電流，稱之為勢壘區(qū)產(chǎn)生電流。這是實驗所得反向電流比理想方程的計算值大，以及反向電流不飽和的原因。58 正向偏壓下，從n區(qū)注入的電子和從p區(qū)注入的空穴在勢壘區(qū)被復合掉一部分，形成一部分正向電流，稱之為勢壘區(qū)復合電流。正向偏壓下的電流為復合電流和正向偏壓擴散電流之和。低正向偏壓下，復合電流占主導；較高偏壓下，擴散電流為主。59大注入條件影響 正向偏壓較大時，注入的非平衡少子濃度接近或超過該區(qū)多子濃度稱為大注入條件。 如單邊突變結(jié)p+-n結(jié)（指合金結(jié)和高表面濃度的淺擴散結(jié)，雜質(zhì)濃度高，

15、向簡并半導體靠近），正向電流主要是從p區(qū)注入n區(qū)的空穴電流，而由n區(qū)注入p區(qū)的電子電流可以忽略。大注入時p+-n結(jié)只考慮空穴擴散區(qū)內(nèi)的情況。電注入的空穴濃度接近或超過n區(qū)多子濃度nn0ND，注入的空穴在n區(qū)邊界處形成積累。它們向n區(qū)內(nèi)部擴散時，在空穴擴散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個內(nèi)建電場E，這個內(nèi)建電場使空穴的運動加速。所以正向偏壓V在空穴擴散區(qū)降落了一部分 60對p+n結(jié)加正向偏壓時，電流電壓關(guān)系可表為： 其中m在12之間變化，隨外加正向偏壓而定。在很低的正向偏壓下，m2，勢壘區(qū)的復合電流起主要作用；正向偏壓較大時，m1，擴散電流起主要作用，大注入時m2，這時一部分正向電壓降落在空穴擴散區(qū)的結(jié)果。 串聯(lián)電

16、阻效應：在大電流時，還必須考慮體電阻上的電壓降，這樣勢壘區(qū)上的電壓降就更小，正向電流增加更緩慢。 6162633、PN結(jié)電容特性PN結(jié)呈現(xiàn)電容效應有兩種電容效應勢壘電容擴散電容64 勢壘區(qū)的電場隨p-n結(jié)外加正偏壓變化，即空間電荷數(shù)產(chǎn)生變化，因為空間電荷是由不能移動的雜質(zhì)離子組成的，所以空間電荷的變化主要在于載流子數(shù)量變化。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，當正向偏壓減少時，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，這就是有一部分電子和空穴從勢壘區(qū)中“取出”。對于加反向偏壓的情況，可作類似分析。總之，p-n結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的“存

17、入”和“取出”作用，導致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這種電容效應稱為勢壘電容。用CT表示。（1）勢壘電容 CT65PN結(jié)外加反向偏置時，引起 空間電荷區(qū)體積的變化（相當電容的極板間距變化和電荷量的變化） CT = dQ/dv = CTO /(1 V/Vr)n 其中 CTO -外加電壓 v=0 時的CT n - 系數(shù)（決定于材料的雜質(zhì)分布，一般取1/21/3）。 Vr- - PN結(jié)內(nèi)建電壓66勢壘電容CT原理（圖）67擴散電容： 正向偏壓時，有空穴從p區(qū)注入n區(qū)，于是在n區(qū)邊界擴散區(qū)一側(cè)一個擴散長度內(nèi)，便形成了非平衡空穴和電子的積累，同樣在p區(qū)也有非平衡電子空穴的積累。當正向偏壓增加時

18、，由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴增加，注入的空穴一部分擴散走了，一部分則增加了n區(qū)的空穴積累，增加了濃度梯度，所以外加電壓變化時，n區(qū)擴散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴也變化；同樣， p區(qū)擴散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子也要隨外加電壓變化。這種由于擴散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應，稱為p-n結(jié)的擴散電容。用符號CD表示（2）擴散電容 CD68PN結(jié)外加正向偏置時，引起 擴散濃度梯度變化 出現(xiàn)的電容（電荷）效應。69擴散電容CD （圖） 7071突變結(jié)勢壘電容突變結(jié)勢壘區(qū)中的電場、電勢分布：p-n結(jié)勢壘區(qū)耗盡層近似，勢壘區(qū)為雜質(zhì)全部電離，空間電荷區(qū)由電離雜質(zhì)組成，n區(qū)有均勻施主雜質(zhì)濃度NA，p區(qū)有均勻受主

19、雜質(zhì)濃度ND。空間電荷密度:72勢壘區(qū)寬度:電荷總量: 勢壘區(qū)內(nèi)正負空間電荷區(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，勢壘區(qū)寬度主要向雜質(zhì)濃度低的一邊擴展。7374突變結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)的泊松方程為:75根據(jù)勢壘邊界處電場為零條件，得:76電場強度在勢壘中心達到最大 77電勢分布函數(shù)（由電場方程的積分得到，考慮到平衡條件下 V(-xp)=0, V(xn)=VD,以及中心處電勢連續(xù)性 ）突變結(jié)的勢壘寬度xD ：利用在勢壘中心電勢連續(xù)性可得78由79有外加偏壓時：單位面積電容為：80 對單邊突變結(jié)pn，pn結(jié)來說，接觸電勢差VD隨著低摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的增加而升高；而

20、單邊突變結(jié)的勢壘寬度隨輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度增大而下降。勢壘區(qū)幾乎全部在輕摻雜的一邊，因而能帶彎曲主要發(fā)生于這一區(qū)域。則pn電容可簡化為：818283突變結(jié)的特點：突變結(jié)的勢壘電容和結(jié)的面積以及輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的平方根成正比，因此減小結(jié)面積以及降低輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度是減小結(jié)電容的途徑；突變結(jié)勢壘電容和電壓的平方根成反比，反向偏壓越大，則勢壘電容越小，若外加電壓隨時間變化，則勢壘電容也隨時間而變，可利用這一持性制作變?nèi)萜骷４私Y(jié)論在半導體器件的設(shè)計和生產(chǎn)中有重要的實際意義。84 電容表達式導出利用了耗盡層近似，這對于加反向偏壓時是適用的。然而當p-n結(jié)加正向偏壓時，一方面降低了勢壘高度，使勢

21、壘區(qū)變窄，空間電荷數(shù)量減少，所以電容比加反向偏壓時大；另一方面，使大量載流子流過勢壘區(qū)，它們對勢壘電容也有貢獻。因考慮這一因素，這些公式就不適用于正向偏情況下的電容計算。 一般正向偏壓時的勢壘電容近似計算：85線性緩變結(jié)電容 線性緩變結(jié)概念：對于較深的擴散結(jié)，在結(jié)附近其電荷分布為線性，可以近似作為線性緩變結(jié)。線性緩變結(jié)電容也采用耗盡層近似，則勢壘區(qū)的空間電荷密度為：電勢分布表達式：解泊松方程，利用結(jié)邊界電場為零，結(jié)中心處電勢為零條件86外加電場時：87單位截面電容的電荷量： 單位面積電容： 線性緩變結(jié)特點：勢壘電容和結(jié)面積及雜質(zhì)濃度梯度的立方根成正比，因此減小結(jié)面積和降低雜質(zhì)濃度梯度有利于減小

22、勢壘電容；勢壘電容和電壓的立方根成反比，增大反向電壓,電容減小。勢壘電容和電壓關(guān)系，可用來測定雜質(zhì)濃度及梯度分布。8889緩變結(jié)電荷、電場、電勢、電勢能分布圖 90擴散電容概念:p-n結(jié)加正向偏壓時，由于少子的注入，在擴散區(qū)內(nèi)有一定數(shù)量的少子和等量的多子的積累，而且它們的濃度隨正向偏壓的變化而變化，從而形成了擴散電容。91擴散電容計算: 注入到n和p區(qū)非平衡少子濃度分別為：92擴散區(qū)內(nèi)積分得到擴散區(qū)電荷積累量：93單位面積擴散電容:94單位截面積總的擴散電容為:95擴散電容特點:這里用的濃度分布是穩(wěn)態(tài)公式，所以應用于低頻情況，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

23、大的正向偏壓時，擴散電容便起主要作用。對單邊突變結(jié)如p-n而言， np0pn0, CCDn964. p-n結(jié)擊穿 概念 實驗顯示，對p-n結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值VRR時，反向電流密度突然開始迅速增大的現(xiàn)象稱為p-n結(jié)擊穿。發(fā)生擊穿時的反向偏壓稱為p-n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遷移率的增大，而是由于載流子數(shù)目的增加。p-n結(jié)擊穿機理： 雪崩擊穿、隧道擊穿和熱電擊穿97PN結(jié)擊穿特性（圖）981、電擊穿電擊穿有兩種機理機理可以描述： 雪崩擊穿 齊納擊穿99特點如下： 低摻雜， PN結(jié)寬，正溫系數(shù)常發(fā)生于大于7伏電壓的擊穿時（雪崩效應）（1）雪崩擊穿100101雪

24、崩擊穿: 在反向偏壓下，流過p-n結(jié)的反向電流，主要是由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，具有很大的動能，它們與勢壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時，能把價帶上的電子碰撞出來，成為導電電子，同時產(chǎn)生一個空穴。從能帶觀點來看，就是高能量的電子和空穴把滿帶中的電子激發(fā)到導帶，產(chǎn)生了電子空穴對。102 載流子(電子和空穴)在強電場作用下，向相反的方向運動，還會繼續(xù)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生第三代的電子空穴對。如此繼續(xù)下去，載流子就大量增加，這種繁殖載流于的方式稱為載流子的倍增效應。 由于倍增效應，使勢壘

25、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。 103（2）齊納擊穿特點如下： 高摻雜， PN結(jié)窄，負溫系數(shù)，常發(fā)生于小于5伏電壓的擊穿時（隧道效應）104特殊情況在（ 57）V擊穿發(fā)生時，兩種擊穿機理都有。溫度系數(shù)可達到最小。1052、熱擊穿電擊穿后如無限流措施，將發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象。熱擊穿會破壞PN結(jié)結(jié)構(gòu)（燒壞）106隧道擊穿(齊納擊穿) 概念：隧道擊穿是在強電場作用下，由隧道效應，使大量電子從價帶穿過禁帶而進入到導帶引起的一種擊穿現(xiàn)象。因為是由齊納提出來解釋電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象的，故叫齊納擊穿。107EgABq(VD+V)EcEVEgX108EcEVA

26、Bq(VD+V)Eg109機理： p-n結(jié)加反向偏壓時，勢壘區(qū)能帶發(fā)生傾斜；反向偏壓越大，勢壘越高，內(nèi)建電場也超強，勢壘區(qū)能帶也越加傾斜，甚至可以使n區(qū)的導帶底比p區(qū)的價帶頂還低。內(nèi)建電場E使p區(qū)的價帶電子得到附加勢能qEx；當內(nèi)建電場E大到某值以后，p區(qū)價帶中的部分電子所得到的附加勢能qEx可以大于禁帶寬度Eg。隨著反向偏壓的增大，勢壘區(qū)內(nèi)的電場增強，能帶更加傾斜，相同能量的p區(qū)的價帶電子和n區(qū)的導帶上電子水平距離x將變得更短。 當反向偏壓達到一定數(shù)值，x短到一定程度時，量子力學證明p區(qū)價帶中的電子將通過隧道效應穿過禁帶而到達n區(qū)導帶中。110隧道幾率是： 式中E(x)表示點x處的勢壘高度，

27、E為電子能量,x1及x2為勢壘區(qū)的邊界。電子隧道穿過的勢壘可看成為三角形勢壘。一定的半導體材料勢壘區(qū)中的電場愈大，或隧道長度x愈短，則電子穿過隧道的幾率愈大。當電場E大到或x短到一定程度時，將使p區(qū)價帶中大量的電子隧道穿過勢壘到達n區(qū)導帶中去，使反向電流急劇增大，于是p-n結(jié)就發(fā)生隧道擊穿。這時外加的反向電壓即為隧道擊穿電壓(或齊納擊穿電壓)。111EgE112 在雜質(zhì)濃度較低，反向偏壓大時，勢壘寬度增大，隧道長度會變長，不利于隧道擊穿，但是卻有利于雪崩倍增效應，所以在一般雜質(zhì)濃度下，雪崩擊穿機構(gòu)是主要的。而雜質(zhì)濃度高時，反向偏壓不高的情況下就能發(fā)生隧道擊穿，所以在重摻雜的情況下，隧道擊穿機構(gòu)

28、變?yōu)橹饕摹?13114115熱電擊穿 當p-n結(jié)上施加反向電壓時，流過p-n結(jié)的反向電流要引起熱損耗。反向電壓逐漸增大反向飽和電流密度隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，上升速度很快。因此，隨著結(jié)溫的上升，反向飽和電流密度也迅速上升，產(chǎn)生的熱能也迅速增大，進而又導致結(jié)溫上升，反向飽和流密度進一步增大。如此反復循環(huán)下去，最后使Js無限增長而發(fā)生擊穿。這種由于熱不穩(wěn)定性引起的擊穿，稱為熱電擊穿。窄禁帶寬度半導體在室溫下出現(xiàn)熱電擊穿。1165. p-n結(jié)隧道效應 實驗現(xiàn)象實驗發(fā)現(xiàn)，對于兩邊都是重摻雜的p-n結(jié)的電流電壓持性如圖所示，正向電流開始就隨正向電壓的增加而迅速上升達到一個極大值IP稱為蜂值電流，對應的正

29、向電壓VP，稱為峰值電壓。隨后電壓增加，電流反而減小，達到一極小值Iv，稱為谷值電流，對應的電壓Vv。稱為谷值電壓。當電壓大于谷值電壓后電流又隨電壓而上升。在Vp到Vv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，這一段電流電壓特性曲線的斜率為負的，這一特性稱為負阻特性。兩邊都是重摻雜的p-n結(jié)常稱為隧道結(jié)反向時，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加。117 由重摻雜的p區(qū)和n區(qū)形成的p-n結(jié)通常稱為隧道結(jié)。 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獲得了多種用途。例如用于微波放大、高速開關(guān)、激光振蕩源等。隧道結(jié)的這種電流電壓特性，是與它的隧道效應密切相關(guān)的。118119

30、隧道結(jié)電流電壓特性解釋在隧道結(jié)中正向電流由兩部分組成。一是擴散電流，隨正向電壓的增加而指數(shù)增加；正向偏壓微小的情況下，擴散電流很小，以隧道電流為主。隧道電流和偏壓關(guān)系：加偏壓時：處于熱平衡狀態(tài)時n區(qū)和p區(qū)的費米能級相等，雖然n區(qū)導帶和p區(qū)價帶有相同的能量量子態(tài)，但費米能級以下占滿，而費米能級以上為空，在n區(qū)的導帶和P區(qū)的價帶中出現(xiàn)具有相同能量的量子態(tài)。所以隧道電流為零。120121很小正向電壓V，n區(qū)相對于p區(qū)的能級提供qV，p區(qū)費米能級以上有空量子態(tài)，n區(qū)費米能級以下有量子態(tài)被占據(jù)， n區(qū)的導帶帶中的電子可能穿過隧道到P區(qū)價帶中產(chǎn)生從p區(qū)向n區(qū)的正向隧道電流，這時對應于特性曲線上的點1；12

31、2123繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度不斷下降，有更多的電子從n區(qū)穿過隧道到p區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流不斷增大。 當正向電流增大到Ip時，這時p區(qū)的費米能級與n區(qū)導帶底一樣高，n區(qū)的導帶和p區(qū)的價帶中能量相同的量子態(tài)達到最多, n區(qū)的導帶中的電子可能全部穿過隧道到p區(qū)價帶中的空量子態(tài)去，正向電流達到極大值Ip這時對應干特性曲線的點2；124125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)減少使n區(qū)導帶中可能穿過隧道的電子數(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)均減少，所以隧道電流減小，出現(xiàn)負阻，如特性曲線上的點3；126127正向偏壓增大到Vv時，n區(qū)導帶底和p區(qū)價帶頂一樣高，這時p區(qū)價帶和n 區(qū)導帶中沒有能量相同的量子態(tài)，因此不能發(fā)生隧道穿