电子工程物理基础v1.0(5)

1、唐洁影唐洁影 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制 5.1 5.1 半导体与外界作用半导体与外界作用 5.2 半导体与金属 5.3 半导体与半导体 5.4 半导体与绝缘体 5.1 5.1 半导体与外界作用半导体与外界作用 一一. .半导体与热半导体与热 温度可以影响 载流子浓度 载流子运动：温度不均匀 载流子浓度不均匀 扩散运动 低温弱电离 中温全电离 高温本征激发 费米能级费米能级 载流子浓度载流子浓度 ) 2 ln( 2 1 2 1 0 C D DCF N N TkEEE Tk E CD D e NN n 0 2 1 2

2、 0 2 )ln( 0 C D CF N N TkEE D Nn 0 C V VCiF N N TkEEEEln 2 1 2 1 0 Tk E VC i g eNN npn 02 1 2 00 中温中温高温高温低温低温 1.1.环境温度的影响环境温度的影响 由由4.24.2得知得知 （1）n T 分析、讨论分析、讨论 Tk E CD D e NN n 0 2 1 2 0 2 D Nn 0 Tk E VCi g eNNn 02 1 2 希望器件工作在此温区 （2）EF T ) 2 ln( 2 1 2 1 0 C D DCF N N TkEEE )ln( 0 C D CF N N TkEE （3）

3、EF 掺杂（掺杂（T一定，则一定，则NC也一定）也一定） T一定，ND越大，EF越靠近EC T一定，NA越大，EF越靠近EV。 2.2.局部热的影响局部热的影响 温度不均匀 载流子浓度不均匀扩散运动 载流子扩散 内建电场温差电动势 0 0 3 2 CF s kEE T qk T 均匀温度梯度下的半导体的能带图 二二. .半导体与光半导体与光 产生非平衡载流子 g Eh 半导体中会出现阻碍多子扩 散的内建电场，导致能带弯 曲。但当光注入载流子量不 大时，该内建电场可以忽略。 类似于温差电动势，半导体吸收光子也会产生电动势光生伏特效应。 一类是发生在均匀半导体材料内 部丹倍效应 非平衡载流子扩散速

4、度的差异而引导非平衡载流子扩散速度的差异而引导 起的光照方向产生电场和电位差。起的光照方向产生电场和电位差。 一类是发生在半导体的界面PN结光生 伏特效应 （常用于太阳能电池） 光在界面层被吸收，产生电子空穴对。通过光在界面层被吸收，产生电子空穴对。通过 空间电荷的电场作用被相互分离。电子和空穴空间电荷的电场作用被相互分离。电子和空穴 向相反方向运动。产生一个向外的可测试的电向相反方向运动。产生一个向外的可测试的电 压。压。 三三. .半导体与磁半导体与磁 1. 霍耳效应霍耳效应 磁场作用下的通电n半导体的霍尔效应 通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向 上形成电

5、荷积累和出现电势差的现象。 磁场磁场 洛仑兹力洛仑兹力 改变载流子运动的方向和速度改变载流子运动的方向和速度 x y z Ey yxx EJ B yHxx ER J B 比例系数RH 霍尔系数 yxx qEqv B 洛仑兹力电场力 x yxxxHxx J Ev BBR J B nq 1 0 H R nq 霍尔效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，以及判断材料的导 电类型。 （1）判断导电类型 n型 RH0 霍尔电压的正负相反霍尔电压的正负相反 对p型半导体，同理 n型 1 0 H R pq （2）测定载流子浓度及迁移率 yHxx ER J B xH Hx IV RB bbd H H

6、xx V d R I B 1 H R nq 1 H R pq 或 三参量已知，测 出VH求出RH 求出n或p 测出电导率可求出霍尔迁移率 （3）霍尔器件 Hxx VI B 保持其中一个量不变，另一个或两个作变量， 应用于不同场合。 2. 回旋共振回旋共振 u Cyclotron resonance experiments 测测 m* m* 能带结构能带结构 一些物质如半导体中的载(电)流子在一定的恒定(直流)磁场和高频磁场同 时作用下会发生抗磁共振(常称回旋共振) 电子的初速度为电子的初速度为v ,在恒定磁场（在恒定磁场（B）中：）中： n c m qB Bvqf Bqv qvBf sin 2

7、 n v fm r c vr 回旋频率回旋频率 原原 理理 f v/ v r B v 均均 匀匀 磁磁 场场 实验方法实验方法 n c m qB 若等能面是椭球面，若等能面是椭球面，有效质量有效质量 zyx mmm, 沿沿kx、ky、kz方向有效质量方向有效质量 222 2 222 2 222 2 1 2 1 ( *) xxyxz yxyyz zxzyz EEE kkkkk EEE kkkkk EEE kkkkk m 2 2 2 2 2 2 1 1 2 1 00 () 1 ()00 () 00 x y z E k x E y k E z k m m m 2 2 2 2 2 2 2 00 1 0

8、0 00 x y z E k xx E yy k E zz k af af af kx,ky,kz沿张量主轴方向沿张量主轴方向 * x xxxx dv fm am dt *y yyyy dv fm am dt * z zzzz dv fm am dt 离心力离心力 设设B沿沿kx、ky、kz轴的轴的方向方向余弦分别为：余弦分别为： 、 )( zyx vvqBf )( xzy vvqBf )( yxz vvqBf Bvqf 洛伦磁力洛伦磁力 那么：那么： n c m qB 其中：其中： zyx zyx n mmm mmm m 222 1 c c c it xx it yy it zz vv e

9、vv e vv e c v 以以硅硅为例为例,回旋共振回旋共振实验现象实验现象： （1）B沿沿111方向，观察到一个吸收峰。方向，观察到一个吸收峰。 （2）B沿沿110方向，观察到两个吸收峰。方向，观察到两个吸收峰。 （3）B沿沿100方向，观察到两个吸收峰。方向，观察到两个吸收峰。 （4）B沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。 硅导带底附近等能面是沿硅导带底附近等能面是沿100方向的旋转椭球面。方向的旋转椭球面。 B k1 k2 k3 z zz y yy x xx m kk m kk m kk kEkE 2 0 2 0 2 0 2 0 )()()( 2 )()(

10、（2）Si、Ge导带结构分析：导带结构分析： 设：设： B k1 k2 k3 001 适当选取坐标，使适当选取坐标，使B位位 于于k1-k3平面内：平面内： =sin =0 =cos lt m k m kk kE 2 3 2 2 2 1 2 2 )( 选择坐标选择坐标 则：则： 22 sincos l nt tl m mm mm zyx zyx n mmm mmm m 222 1 =sin =0 =cos * xyt mmm * zl mm B k1 k2 k3 n c m qB 2 1 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 212121 )( )cos( lkhlkh l lkkh

11、h 22 cossin lt l tn mm m mm 001 以以硅硅为例为例,回旋共振回旋共振实验现象实验现象： （1）B沿沿111方向，观察到一个吸收峰。方向，观察到一个吸收峰。 （2）B沿沿110方向，观察到两个吸收峰。方向，观察到两个吸收峰。 （3）B沿沿100方向，观察到两个吸收峰。方向，观察到两个吸收峰。 （4）B沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。 硅导带底附近等能面是沿硅导带底附近等能面是沿100方向的旋转椭球面。方向的旋转椭球面。 Constant-Energy Surface （等能面（等能面 ） Ge、Si 四四. .半导体与力半导体与力 压

12、阻效应是指半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻 率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特 性测试中发现的。 半导体 施加力施加力 晶格间距变化周期势场变化 能带结构变化迁移率变化电导率变化 ( ,1,2,3,4) abT a b 压阻系数，四阶张量。反映压电效应的强弱。 第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制 5.1 半导体与外界作用 5.2 5.2 半导体与金属半导体与金属 5.3 半导体与半导体 5.4 半导体与绝缘体 5.2 5.2 半导体与金属半导体与金属（metal-semiconductor contact） s s

13、m m s sm m s sm m s sm m W WW W W WW W P型半导体P型半导体金属金属 W WW W W WW W n型半导体n型半导体金属金属 四种类型四种类型 功函数功函数 电子亲和能 1. 能带图能带图 (1) M-S(n型型), WmWs s sm m s ss sD Dnsns s sm mD D W W W WqVqVq q W WW WqVqV n型阻挡层型阻挡层 (2) M-S(n型型) , WmWs m ms s s ss sD Dnsns m ms sD D W W W WqVqVq q W WW WqVqV )( n型反阻挡层型反阻挡层 (3) M-S

14、(p型型) , WmWs p型反阻挡层型反阻挡层 s sm m s ss sD Dpsps s sm mD D - -W W W WqVqVq q W WW WqVqV )( （对阻挡层而言）（对阻挡层而言） 金属与半导体接触可以形成金属与半导体接触可以形成阻挡层阻挡层（肖特基势垒（肖特基势垒Schottky Barrier）与）与反阻挡层反阻挡层，前者具有与，前者具有与p-n结相似的结相似的整流特性整流特性，而，而 后者具有后者具有欧姆特性欧姆特性。 外加电压对外加电压对n型半导体的影响：型半导体的影响： （1）加正电压（金属接）加正电压（金属接“+”） 2. 整流特性整流特性 势垒高度随外

15、势垒高度随外 加正电压的增加正电压的增 加而降低加而降低, ,因此因此 由半导体流向由半导体流向 金属的净电子金属的净电子 流增加流增加. . （2）加反向电压（金属接）加反向电压（金属接“”） 势垒高度随外加反电压的增加而身升高势垒高度随外加反电压的增加而身升高, ,因而从半导体到金属的电子减因而从半导体到金属的电子减 少少, ,反向电流主要由金属到半导体的电子流构成反向电流主要由金属到半导体的电子流构成, ,金属净电子流增加金属净电子流增加. . 热热电电子子发发射射理理论论 扩扩散散理理论论 V V特特性性的的理理论论有有两两种种描描述述肖肖特特基基I I 扩散理论：扩散理论：假设势垒区

16、宽度较半导体内的电子的平假设势垒区宽度较半导体内的电子的平 均自由程长，必须同时考虑电子在势垒区的漂移和均自由程长，必须同时考虑电子在势垒区的漂移和 扩散运动。扩散运动。 热电子发射：热电子发射：假设势垒区宽度较电子的平均自由程假设势垒区宽度较电子的平均自由程 短，故可略去电子在势垒区的碰撞，当电子的热运短，故可略去电子在势垒区的碰撞，当电子的热运 动有足够大的动能超越势垒的顶点时，就可以自由动有足够大的动能超越势垒的顶点时，就可以自由 地通过势垒区进入金属。同样，金属中能超越势垒地通过势垒区进入金属。同样，金属中能超越势垒 顶的电子也都能到达半导体内。顶的电子也都能到达半导体内。 Ge、Si

17、、GaAs：迁移率较大，则电子平均自由程较大。：迁移率较大，则电子平均自由程较大。 一般采用热电子发射理论，得：一般采用热电子发射理论，得： ) 1exp( kT qV II s )exp( 2 kT q TAAI ns s 其中：其中： A结面积结面积 A*有效理查逊常数有效理查逊常数 实际I-V特性将偏离理想情况。如 1. 反向电流不饱和现象反向电流不饱和现象 2.正向电流上升比较缓慢正向电流上升比较缓慢. 3.肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 (1) 结构结构 (2)与与p-n结二极管的比较结二极管的比较 SDB与与p-n结二极管相比的主要特点是结二极管相比的主要特点是: 1. SDB是

18、多数载流子器件是多数载流子器件,而而p-n结二极管电流取结二极管电流取 决于非平衡少数载流子的扩散运动决于非平衡少数载流子的扩散运动. 2. p-n结二极管中结二极管中,少数载流子注入造成非平衡载流 子在势垒区两侧界面的积累,外加电压变化,电荷积累 和消失需有一弛豫过程(电荷存储效应电荷存储效应),严重影响了严重影响了p- n结二极管的高频性能结二极管的高频性能.SDB器件不发生电荷存储现象器件不发生电荷存储现象, 使得它在高频、高速器件中有重要作用。使得它在高频、高速器件中有重要作用。 3。SDB的正向开启电压比的正向开启电压比p-n的低；而反向饱和电的低；而反向饱和电 流比流比p-n的大。

19、的大。这是因为多数载流子电流远高于少 数载流子电流。SDB中通常存在额外的漏电流和软中通常存在额外的漏电流和软 击穿。击穿。 4.欧姆接触（欧姆接触（Ohmic Contact） 由于表面态的影响，不能通过选择金属的功函数由于表面态的影响，不能通过选择金属的功函数 来实现来实现欧姆接触欧姆接触（理论上说，（理论上说，WmWns WmWpsWmWps可形可形 成反阻挡层）成反阻挡层）。 在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导 体上制造欧姆接触体上制造欧姆接触。采用重掺杂半导体与金属接触。 从电学上讲，理想的欧姆接触的接触电阻应当很小，从电学上讲，

20、理想的欧姆接触的接触电阻应当很小， 同时还应具有线性的和对称的电流同时还应具有线性的和对称的电流电压关系。电压关系。 （1）.表面态对接触势垒的影响表面态对接触势垒的影响 WmWsWmWs WmWs （2）欧姆接触的实现）欧姆接触的实现 用重掺杂 的半导体 与金属接 触 第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制 5.1 半导体与外界作用 5.2 半导体与金属 5.3 5.3 半导体与半导体半导体与半导体 5.4 半导体与绝缘体 p-n结基本结构结基本结构 5.3 5.3 半导体与半导体半导体与半导体 1. Alloyed Junctions (合金结合金结) 2. Diffused

21、 Junctions (扩散结扩散结) 3. Ion Implantation (离子注入离子注入) 4. Epitaxial Growth (外延生长外延生长) 制备方法：制备方法： 最 常 用 一.p-n结 缓变结缓变结与与突变结突变结 1 空间电荷区空间电荷区(Space charge region)(Space charge region)的形成的形成 漂移运动漂移运动 扩散运动扩散运动 +- 内建电场内建电场E 刚接触，扩散刚接触，扩散 （达到动态平衡达到动态平衡） 扩散扩散=漂移漂移建立内建电场建立内建电场漂移漂移 P型半导体型半导体 n型半导体型半导体 阻挡层阻挡层 耗尽区耗尽区

22、 Depletion region 空间电荷区空间电荷区 Space charge region 当当p p型半导体和型半导体和n n型半导体接触在一起时型半导体接触在一起时, ,扩散和漂移这一对相反的运动最终扩散和漂移这一对相反的运动最终 达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。在在 两者的交界面处存在着一个过渡区两者的交界面处存在着一个过渡区, ,通常称为通常称为p-np-n结结. . 中性区中性区 )(E 0 p r A xx qN )(E 0 D xx qN n r Edx,)(V x 突变结空

23、间电荷区突变结空间电荷区 中的电场、电势中的电场、电势 dx dEx dx Vd r 0 2 2 )( Poissons equation: In the p-region: 1 000 )( ECx qN dx qN dx x r A r A r 0E, p xx p r A x qN C 0 1 )(E 0 p r A xx qN 所以所以 In the n-region: )(E 0 D xx qN n r p r n r x qN x qN 0 A 0 D max E Edx,)(V x 及及 0V, p xx 是连续函数 V(x), 0 x 2 0 A 2 0 D 2 ) 2 ()(

24、 p r n r x qNx xx qN xV 2能带图能带图 (Enery band diagram) 势垒区势垒区 - + 0 VDnno ppo Tk EE p n FpFn e n n 0 0 0 0 0 00 0 ln 0 p nD Tk qV p n n n Tk qV e n n D 平衡时 Tk EE in iFn enn 0 0 n型半导体中的电子浓度为型半导体中的电子浓度为 p型半导体中的电子浓度为型半导体中的电子浓度为 Tk EE ip iFp enn 0 0 ApDn NpNn 00 ,全电离非简并 2 0 ln i AD D n NN q Tk V * 势垒高度势垒高

25、度 ND、NA 、Eg 2 00 0 0 00 lnln i pn p n D n pn q Tk n n q Tk V 3.接触电势差接触电势差 (The Contact Potential) VD 4.空间电荷区宽度空间电荷区宽度(Space charge region width) 突变结突变结 nDpA xNxN pnD xxX D DA A n X NN N x D DA D p X NN N x ,V nD xxV )( 2 2 A 2 0 D pnD r D xNxN qN V D DA A n X NN N x 1 0 2 2 X()() rAD DD AD NN V qN N

26、 D DA D p X NN N x 2 0 A 2 0 D 2 ) 2 ()( p r n r x qNx xx qN xV 0 ( ) 0 qV x k T p n xn e 0 ( ) 0 qV x k T p p xp e 0n n 0n p 0p n 0p p )(xn ( )qV x -Xp Xn 0 -Xp Xn 0 -Xp Xn 0 中性区中性区 5 载流子分布载流子分布( Carrier distributions) Tk xqVqV n D enxn 0 )( 0 Tk xqVqV n D epxp 0 )( 0 0n n 0n p 0p n 0p p )(xn ( ) E

27、D qVqV x -Xp Xn 0 -Xp Xn 0 -Xp Xn 0 中性区中性区 Tk xqVqV n D enxn 0 )( 0 Tk xqVqV n D epxp 0 )( 0 或 0 ( ) 0 qV x k T p n xn e 0 ( ) 0 qV x k T p p xp e 二二.p-n.p-n结的常规特性结的常规特性 1. 1. 势垒区的自由载流子全部耗尽势垒区的自由载流子全部耗尽, ,并并忽略忽略势垒区中载流子的势垒区中载流子的产生产生和和复合复合。 现假设现假设: : 2. 2. 小注入小注入: :注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，注入的少数

28、载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时， 扩散区的漂移电场扩散区的漂移电场可可忽略忽略。 1. Pn结的结的I-V特性特性 外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使 势垒两端的电势差由势垒两端的电势差由V VD D减小为减小为（V VD D-V-Vf f），相应地势垒区，相应地势垒区变薄变薄。 (1) 正向偏置正向偏置 （ Forward bias） 由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为- -电注入电注入 漂移漂移 扩散扩散 (2)反向偏置反向偏置 （Revers

29、e bias） V VD D增大为（增大为（V VD D+V+Vr r），相应地势垒区加宽），相应地势垒区加宽 1 0 2 2 X()() rAD DD AD NN V qN N 1 0 2 2 X()()() rAD DDr AD NN VV qN N 势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于边界处的少子浓度低于 体内体内。产生了少子的扩散运动，形成了。产生了少子的扩散运动，形成了反向扩散电流反向扩散电流。 1 0T k qV sr r eJJ 类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度类似于正向偏置的方法，可求得

30、反向电流密度 那么T,T,k kqVqV一般一般 0 0r r sr JJ 式中，式中，JsJs不随反向电压变化，称为不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向；负号表示反向电流方向 与正向电流方向相反。与正向电流方向相反。 p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示： 1 1e eJ JJ J T Tk k qVqV s s 0 0 正向：正向：V= Vf 反向：反向：V= -Vr （3）I-V characteristic of a p-n junction p pn n np s L Dp L D

31、n qJ 00 p-n结的伏结的伏-安特性安特性 v 单向导电性单向导电性-整流整流 Ge、Si、GaAs： 0.3、 0.7、1V v 具有可变电阻性具有可变电阻性 讨论讨论 2. p-n结电容结电容 (Capacitance of p-n Junctions) p-np-n结电容包括结电容包括势垒电容势垒电容和和扩散电容扩散电容两部分。两部分。 （1 1）势垒电容）势垒电容C CT T QXV D 由于势垒区电荷的变化表现出来由于势垒区电荷的变化表现出来 的电容效应的电容效应- -势垒电容势垒电容 也称结电容（也称结电容（Junction capacitance） D T X A dV d

32、Q C v p-n结的结的直流直流伏伏-安特性表明：安特性表明： 1. 具有单向导电性。具有单向导电性。 2. 具有可变电阻性。具有可变电阻性。 特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。 v p-n结的结的交流交流特性表明特性表明: p-n结还具有结还具有可变电容可变电容的性质的性质 )(E 0 p r A xx qN )(E 0 D xx qN n r )( 2 (X 0DA DA r DD NN NNq V 2 0 ln i AD D n NN q Tk V 2 0 A 2 0 D 2 ) 2 ()( p r n r x qNx xx qN xV

33、 dx dEx dx Vd r 0 2 2 )( Poissons equation D T X A dV dQ C 势垒电容势垒电容 对于线性缓变结：对于线性缓变结： 3 1 0 12 j Dr D q VV X 2 1 0 2 DA DAr DD NN NN q VVX 对于突变结：对于突变结： 对于突变结：对于突变结： 2 1 1 2 DA DA D T NN NN VV q AC * 耗尽层近似条件成立耗尽层近似条件成立 12 1 4 2 AD TT DAD N Nq CCA VNN （0）=4 正偏下：正偏下： 3 1 2 12 VV q AC D j T 其中 : 杂质浓度梯度 j

34、 荷荷量量) )变变化化Q Q( (扩扩散散区区内内储储存存电电V V变变化化 扩散电容扩散电容 (2) 扩散电容扩散电容 也称电荷存储电容（也称电荷存储电容（charge storage capacitance charge storage capacitance ） dV dQ dV dQ dV dQ C n p D 00 00 ( )(1)(1) n p nn xx qVqV L k Tk T pnpn xx Qq p x dxqpeedxqL pe V kT q pnnp DnDpD enLpL kT Aq CCC )( 00 2 0 0 ( )(1) n qV k T nnp x Q

35、q n x dxqL ne 同理：同理： dV dQ dV dQ dV dQ C n p D 那么， 显然，显然， CT与与CD都与都与p-n结的面积结的面积A成正比，且随外加电压而变化。成正比，且随外加电压而变化。 （3）总电容）总电容 p-n结的总电容为两者之和：结的总电容为两者之和： DTj CCC 大正向偏置大正向偏置p-n结时，以结时，以CD为主，为主，CjCD 小正向偏置或反向偏置小正向偏置或反向偏置p-n结时，结时， 以以CT为主，为主，CjCT 影响影响p-n结伏结伏-安特性的主要因素：安特性的主要因素： 产生偏差的原因：产生偏差的原因： （1）正向小电压时忽略了）正向小电压时

36、忽略了势垒区的复合势垒区的复合；正向大电压时忽略了；正向大电压时忽略了扩散区的漂移电扩散区的漂移电 流流和和体电阻体电阻上的压降。上的压降。 （2）在反向偏置时忽略了势垒区的）在反向偏置时忽略了势垒区的产生产生电流。电流。 三三.p-n.p-n结的异常特性结的异常特性 1.p-n结结I-V特性的非理想因素特性的非理想因素 Tk EE chnpn nnpCN U it i it 0 2 2 )( 空间电荷区的复合电流空间电荷区的复合电流（正向）（正向） D x r UdxqJ 0 i it npn nnpCN U 2 )( 2 max 0 2 max (1) 2 qV k T ti N Cn e

37、 U it EE Tk qV Di e Xqn 0 2 2 22 max () 2() ti i N C nn U nn pn Tk qV pn p i e Ln D qnJ 0 0 2 空间电荷区的产生电流空间电荷区的产生电流 （反向）（反向） DG qGXJ Tk EE chnpn nnpCN U it i it 0 2 2 )( it EE pnni, 2 i n U 2 i n G 2 Di Xqn 2 0 p RDi np D Jqn n L 注入注入p+-n结的结的n侧的空穴及其所造成的电子分布侧的空穴及其所造成的电子分布 大注入大注入 （正向）（正向） 扩散区产生内建电场扩散区产

38、生内建电场 扩散系数D 2D 2. 2. p-np-n结的击穿结的击穿( (BerakdownBerakdown) ) 齐齐纳纳击击穿穿 雪雪崩崩击击穿穿 电电击击穿穿 热热击击穿穿 击击穿穿 在反向偏置下，当反向电压很大时，在反向偏置下，当反向电压很大时， p-n结的反向电流突然增加，从而破坏结的反向电流突然增加，从而破坏 了了p-n结的整流特性结的整流特性- p-n结的击穿结的击穿。 p-n p-n结中的电场随着结中的电场随着反向电压反向电压的增加而增加，少数载流子通过的增加而增加，少数载流子通过反向扩散反向扩散进入进入 势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与

39、中势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中 性原子碰撞时，可以性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子把中性原子的价电子激发到导带，形成电子- -空穴对空穴对碰碰 撞电离。撞电离。 (1)雪崩击穿雪崩击穿(Avalanche berakdown) 连锁反应，使载流子的数量连锁反应，使载流子的数量倍增式的急剧增多倍增式的急剧增多，因而，因而p-np-n结的反向电流也急剧增大，结的反向电流也急剧增大， 形成了形成了雪崩击穿雪崩击穿。 影响雪崩击穿电压的主要因素：影响雪崩击穿电压的主要因素： 1.掺杂浓度掺杂浓度: 掺杂浓度大掺杂浓度大,击穿电压小击穿电

40、压小. 2.势垒宽度势垒宽度: 势垒宽度足够宽势垒宽度足够宽,击穿电压小击穿电压小 3.禁带宽度禁带宽度: 禁带宽度越宽禁带宽度越宽,击穿电压越大击穿电压越大. 4.温温 度度: 温度升高温度升高,击穿电压增大击穿电压增大. (2)(2)齐纳齐纳击穿击穿(Zener berakdown)或隧道击穿或隧道击穿 是掺杂浓度较高的非简并是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制结中的击穿机制. 根据量子力学的观点根据量子力学的观点, ,当势垒宽度当势垒宽度X XAB AB足够窄时 足够窄时, ,将有将有p p区电子穿透禁带区电子穿透禁带. .当外加反向电当外加反向电 压很大时压很大时, ,能带倾斜严

41、重能带倾斜严重, ,势垒宽度势垒宽度X XAB AB变得更窄 变得更窄. .造成很大的反向电流造成很大的反向电流. .使使p-np-n结击穿结击穿. . XD XAB 影响齐纳击穿电压的主要因素：影响齐纳击穿电压的主要因素： 1.掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度掺杂浓度大大,击穿电压击穿电压小小. 2.禁带宽度禁带宽度:禁带宽度禁带宽度越宽越宽,击穿电压击穿电压越大越大. 3.温度温度:温度温度升高升高,击穿电压击穿电压下降下降. 齐纳击穿齐纳击穿电压具有电压具有负负的温度系数的温度系数,而雪崩击穿而雪崩击穿电压具有电压具有正正的温度系数的温度系数,这种温这种温 度效应是区分两种击穿机构的重要方法度效应是区分两种击穿机构的重要方法. 掺杂浓度高掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下反向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿易发生齐纳击穿. 相反相反,易发生雪崩击穿易发生雪崩击穿. (3)热击穿热击穿 禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿禁带宽度较窄