半导体器件原理(2)..

哈尔滨工程大学微电子学第二章PN结平衡PN结PN结在一块本征半导体中掺进不同的杂质，使一部分为P型半导体，另一部分为N型半导体，那么在P型半导体与N型半导体的交界处就会形成一个具有特殊电学性能过渡区域，称之为PN结。平衡PN结如果PN结没有受外加电压、光照、辐射等的影响，并且其所处环境的温度也保持恒定，则称为平衡PN结。平衡PN结PN结的制造工艺和杂质分布1.合金法及其杂质分布平衡PN结PN结的制造工艺和杂质分布2.扩散法及其杂质分布平衡PN结PN结的制造工艺和杂质分布3.离子注入法及其杂质分布平衡PN结平衡PN结的空间电荷区和能带图1.平衡PN结空间电荷区的形成平衡PN结平衡PN结的空间电荷区和能带图2.平衡PN结能带图当N型和P型半导体结合成PN结时，若没有外加电压，则有统一的费米能级EF，即费米能级处处相等。也就是说，N区的能带相对P区下移（或说P区的能带相对N区上移），使两个区的费米能级拉平为EF。平衡PN结平衡PN结的空间电荷区和能带图3.势垒区在PN结空间电荷区内，能带发生弯曲，它反映了空间电荷区内电子电势能的变化。因能带弯曲，电子从势能低的N区向势能高的P区运动时，必须克服这个势能“高坡”或“势垒”，才能到达P区；同理，空穴也必须克服这个势能“高坡”，才能从P区到达N区，这一势能“高坡”通常称为PN结的势垒，所以空间电荷区也叫势垒区。平衡PN结平衡PN结的空间电荷区和能带图4.平衡PN结接触电势差由于平衡PN结空间电荷区内存在自建电场，使得N区和P区之间存在电势差，这个电势差称为PN结接触电势差，用UD表示。2lniADDnNNqkTU平衡PN结平衡PN结载流子浓度分布平衡PN结耗尽区在空间电荷区内可移动载流子的分布是按指数规律变化的，变化非常显著，绝大部分区域的载流子浓度远小于中性区域，即空间电荷区的载流子基本已被耗尽。所以空间电荷区又叫耗尽区或耗尽层。PN结的直流特性PN结的正向特性1.PN结的正向偏置及其能带图PN结的直流特性PN结的正向特性2.PN结的正向注入效应在加正向偏压时，外加电场的方向与自建场方向相反，结果空间电荷区的电场被削弱了。因此，载流子的扩散大于漂移，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，这种现象称为PN结的正向注入效应。PN结的直流特性PN结的正向特性3.正向PN结的边界少子浓度边界少子浓度是指在空间电荷区靠近N区边界XN处的空穴浓度p（XN）和靠近P区边界XP处的电子浓度n（XP）。kTqUppenXn0)(kTqUNNepXp0)(PN结的直流特性PN结的正向特性3.正向PN结的少子浓度分布非平衡少子浓度等于边界处非平衡少子浓度乘上指数因子，即非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减，衰减常数为少子的扩散长度。当x比少子扩散长度大几倍时，非平衡少子浓度才基本为零，即少子扩散长度并不等于扩散区的长度。Lnxenxn')0()'(Lpxepxp)0()(PN结的直流特性PN结的正向特性4.正向PN结的电流转换和传输在扩散区中，少子扩散电流和多子漂移电流将互相转换。N型区中的电子，在外加电压的作用下，向边界XN漂移．越过空间电荷区，经过边界XP注入P区，然后向前扩散形成电子扩散电流，但在电子扩散区域中，电子边扩散、边复合，不断与从右面漂移过来的空穴复合而转化为空穴漂移电流，直到XP′处注入电子全部复合掉，电子扩散电流全部转变为空穴漂移电流。PN结的直流特性PN结的正向特性5.PN结正向电流-电压关系PN结内各处电流是连续的，则通过PN结的任意截面电流都一样。因此，只要求出空间电荷区与N区的交界面XN处的电子电流与空穴电流，它们的和就是流过PN结的总电流。)1)((00kTqUppNnnpeLDpLDnAqIPN结的直流特性PN结的反向特性1.PN结的反向抽取作用外加电场E`与自建场E方向相同，空间电荷区电场加强，空间电荷区宽度变宽（由Xm变宽为Xm2），破坏了漂移与扩散相抵的动态平衡状态，空间电荷区中载流子的漂移大于扩散。电子向N区运动，空穴向P区运动。使空间电荷区XN附近的空穴浓度和XP附近的电子浓度低于平衡值。PN结的直流特性PN结的反向特性1.PN结的反向抽取作用在N区XN附近，由于存在空穴浓度梯度，XN附近的空穴就向空间电荷区扩散，而且一旦进入空间电荷区，立即被电场扫向P区，这种作用称为PN结空间电荷的反向抽取作用。因此，在XN-X`N区域中空穴浓度低于平衡浓度，就有载流子的净产生。空穴一方面产生，一方面又不断地向空间电荷区扩散，当二者相抵时，便形成稳定分布。PN结的直流特性PN结的反向特性2.反向PN结的边界少子浓度和少子浓度分布kTqUNNepXp0)(kTqUppenXn0)()1()'('0nLxpenxn)1()(0PLxNepxpPN结的直流特性PN结的反向特性3.反向PN结电流的转换和传输在XN-X`N区域净产生的空穴向结区扩散，到达空间电荷区边界XN后，便被电场扫过空间电荷区进入P区；产生的电子，则以漂移的形式流出XN-X`N区。在XP-X`P区域中净产生的电子向XP方向扩散，一到达空间电荷区边界XP，即被电场扫过空间电荷区进入N区；产生的空穴，则以漂移的形式流出XP-X`P区。PN结的直流特性PN结的反向特性3.反向PN结电流的转换和传输由N区流向P区的PN结反向电流，与正向PN结电流方向相反。PN结反向电流在N区X`N的右侧为电子漂移电流，到了扩散区（Ln和Lp内）逐步转换成空穴电流，在P区X`P的左侧全部变为空穴电流。和PN结正向电流一样，反向电子电流与空穴电流的大小在PN结扩散区内各处是不相等的，但两者之和始终相等。PN结的直流特性PN结的伏安特性1.PN结的正、反向电压-电流关系PN结的直流特性PN结的伏安特性2.PN结的单向导电性单向导电性是当PN结的P区接电源正极，N区接负极，PN结能通过较大电流，并且电流随着电压的增加快速增大，PN结处于正向导通；反之，如果P区接电源负极，N区接正极，则电流很小，而且电压增大时电流趋于饱和，PN结处于反向截止。PN结的直流特性PN结的伏安特性2.PN结的单向导电性PN结的单向导电特性是由正向注入和反向抽取所决定的：正向注入使边界少数载流子浓度增加很大（几个数量级），从而形成大的浓度梯度和大的扩散电流，而且注入的少数载流子浓度随正向偏压增加成指数规律增加；而反向抽取使边界少数载流子浓度减少，随反向偏压增加很快趋向于零，边界处少子浓度的变化量最大不超过平衡时少子浓度。这也是PN结反向电流随电压很快增长而反向电流很快趋于饱和的物理原因。PN结的直流特性PN结的伏安特性3.PN结的导通电压（门槛电压）和正向压降正向电流达到某一明显数值时所需外加的正向电压称为PN结的导通电压。当正向电压超过PN结的导通电压后，正向电压的微小变化将引起正向电流的很大变化，即使正向电流有很大的变化，正向电压也几乎不变，称此时的正向电压为PN结的正向压降。PN结空间电荷区的电场和宽度“耗尽层”近似：①空间电荷区不存在自由载流子，只存在电离施主和电离受主的固定电荷。②空间电荷区边界是突变的，边界以外的中性区电离施主和受主的固定电荷突然下降为零。PN结空间电荷区的电场和宽度突变结空间电荷区的电场和宽度1.突变结空间电荷区PN结空间电荷区的电场和宽度突变结空间电荷区的电场和宽度2.突变结空间电荷区的电场PN结空间电荷区的电场和宽度突变结空间电荷区的电场和宽度2.突变结空间电荷区的电场)1()()(0pMSPAXxEAxXqNxE(0＜x＜XP))1()()()(00NMSNDSNDXxExXqNxXqNxE(-XN＜x＜0)PN结空间电荷区的电场和宽度突变结空间电荷区的电场和宽度3.突变结空间电荷区的宽度当PN结加正向偏压时，N区相对于P区的电位差减小；当PN结加反向偏压时，N区相对P区的电位差增加。因此，当单边突变结加有外加偏压时，N区与P区电位差（空间电荷区的电位差）可表示为，则得2102qNUUXADsmPN结空间电荷区的电场和宽度突变结空间电荷区的电场和宽度突变结空间电荷区的宽度为了统一表达单边突变结，有时用N0表示低掺杂一侧的浓度，则21002qNUUXDsm20021msDXqNUUPN结空间电荷区的电场和宽度缓变结空间电荷区的电场和宽度1.线性缓变结的电场线性缓变结的电场强度也是在P区和N区交界处最大，边界处为零。与单边突变结的不同之处是正、负电荷区宽度相等。smjsjXqaxqaxE020282)(PN结空间电荷区的电场和宽度缓变结空间电荷区的电场和宽度2.线性缓变结的电位和空间电荷区宽度空间电荷区电位差为空间电荷区宽度与杂质浓度梯度和结电位差的关系为smjsmjsmjmmdXqaXqaXqaXUXUUU03030312824)2()2(31310)()12(UUqaXDjsmPN结的击穿特性击穿机理1.雪崩击穿在加反向偏压时，流过PN结的反向电流主要是由P区扩散到空间电荷区中的电子电流和N区扩散到空间电荷区中的空穴电流组成的。当反向偏压很大时，在空间电荷区内的电子和空穴由于受到强电场的作用，获得很大的动能，他们与空间电荷区内晶格原子发生碰撞，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。PN结的击穿特性击穿机理1.雪崩击穿电子和空穴在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续发生碰撞，产生第三代载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。当反向偏压增大到某一数值后，载流子数迅速增多，使反向电流急剧增大，从而发生了PN结击穿，称为雪崩击穿。PN结的击穿特性击穿机理2.隧道击穿（齐纳击穿）当PN结施加反向偏压时，势垒升高，能带发生弯曲，势垒区导带和价带的水平距离d随着反向偏压的增加而变窄。能带的弯曲是空间电荷区存在电场的缘故，因为这个电场使得电子有一附加的静电势能。当反向偏压足够高时，这个附加的静电势能可以使一部分价带中的电子在能量上已经达到甚至高于导带底的能量。PN结的击穿特性击穿机理2.隧道击穿（齐纳击穿）例如，价带中A点的电子能量和B点相等，中间有宽度为d的禁带区域，根据量子力学，价带中A点的电子将有一定的几率穿透禁带，而进入导带的B点，穿透几率随着d的减少按指数规律增加，这就是隧道效应。外加反向偏压越大，水平距离d越小，电场就越强，能带弯曲的陡度越大，穿透几率就越大。因此，只要外加反向偏压足够高，空间电荷区中的电场足够强，就有大量电子通过隧道穿透而从价带进入导带，反向电流很快增加，从而发生隧道击穿（齐纳击穿）。PN结的击穿特性击穿机理3.热击穿（热电击穿）当加在PN结上的反向电压增大时，反向电流所引起的热损耗（反向电流和反向电压的乘积）也增大。如果这些热量不能及时传递出去，将引起结温上升，而结温上升又导致反向电流和热损耗的增加。若没有采取有效措施，就会形成恶性循环，一直到PN结被烧毁。这种热不稳定性引起的击穿称为热击穿或热电击穿。PN结的击穿特性雪崩击穿电压1.雪崩击穿条件（1）有效电离率高速运动的电子和空穴与半导体晶格原子碰撞，产生电子-空穴对的现象，称为碰撞电离。电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离时，碰撞电离产生的电子-空穴对数。电离率与电场强度有关。（2）雪崩倍增因子当PN结的反向偏压接近击穿电压时，反向电流出现倍增现象，为表示电流倍增程度，引入雪崩倍增因子M。nieffEcPN结的击穿特性雪崩击穿电压1.雪崩击穿条件有效电离率和雪崩倍增因子M均与碰撞电离有关，因此二者之间存在一定关系，其关系为PN结发生雪崩击穿条件为XmeffdxIIM0011Xmeffdx01PN结的击穿特性雪崩击穿电压2.单边突变结的雪崩击穿电压⑴击穿时的临界电场强度雪崩击穿条件的电场