半导体器件原理第二章

1、CCZU统计物理统计物理能带理论能带理论双双极极晶晶体体管管pn结二极管结二极管肖特基二极管肖特基二极管欧姆接触欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT引言引言u同质结与异质结同质结与异质结u同型结与异型结同型结与异型结1、金属、金属-半导体界面半导体界面第一个被研究的半导体器件。可作为第一个被研究的半导体器件。可作为整流接触整流接触-肖特基势垒，或用作欧姆接肖特基势垒，或用作欧姆接触。也可以得到其他许多器件，如触。也可以得到其他许多器件，如MESFET.具有整流特性，广泛用于电子电路的具有整流特性，广泛用于电子电路的 整流、开关及其他工作中。若再加一整流、开关及其他工作中。若再

2、加一 p型半导体，两个型半导体，两个p-n 结构成结构成 p-n-p双极双极晶体管。晶体管。2、pn结结半导体器件基础半导体器件基础3、异质结界面、异质结界面4、金属、金属-绝缘体绝缘体-半导体结构半导体结构u具有两种半导体各自的具有两种半导体各自的pn结都不结都不能达到的优良光电特性能达到的优良光电特性u适于制作适于制作高速开关器件高速开关器件、太阳能太阳能电池电池及及半导体激光器半导体激光器等。等。u若用氧化物代替绝缘体，可视为若用氧化物代替绝缘体，可视为M-O-S界面。界面。uULSL中最重要的中最重要的MOSFET器件的器件的基本结构。基本结构。o 70年代以来，年代以来，制备结的主要

3、技术制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面是硅平面工艺。硅平面工艺包括以下主要的工艺技术：工艺包括以下主要的工艺技术： 1950年美国人奥尔（年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱）和肖克莱(Shockley)发明的发明的离子注入工艺离子注入工艺。 1956年美国人富勒（年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的）发明的扩散工艺扩散工艺。 1960年卢尔（年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森）和克里斯坦森(Christenson)发明的发明的外延工艺外延工艺。 1970年斯皮勒（年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼）和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明的发明的光刻工艺光刻工艺。正是光

4、刻工艺的。正是光刻工艺的出现才使硅器件制造技术进入平面工艺技术时代，出现才使硅器件制造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。o 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装工上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装工艺等构成了硅平面工艺的主体。艺等构成了硅平面工艺的主体。p 氧化工艺氧化工艺：1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。p 在集成电路中二

5、氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：（1）对杂质扩散的掩蔽作用；）对杂质扩散的掩蔽作用；（2）作为）作为MOS器件的绝缘栅材料；器件的绝缘栅材料；（3）器件表面钝化作用；）器件表面钝化作用；（4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；（5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。）集成电路中电容器元件的绝缘介质。p 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。沉积方法。扩散工艺扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处

6、运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。浓度低处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固- -固扩散、双固扩散、双温区锑扩散。温区锑扩散。液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。子通过硅片表面向内部扩散。离子注入技术：离子注入

7、技术： 将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高的能量（场下加速，获得较高的能量（1万万-100万万eV）后直接轰击）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。导体片中形成一定的杂质分布。离子注入技术的特点：离子注入技术的特点：o低温；低温；o可精确控制浓度和结深；可精确控制浓度和结深；o可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；o可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；可在较大面积上形成薄而均匀的掺

8、杂层；o控制离子束的扫描区域控制离子束的扫描区域,可实现选择注入可实现选择注入,不需掩膜技术；不需掩膜技术；o设备昂贵。设备昂贵。外延工艺：外延工艺：l 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。l 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。薄膜。l 外延工艺可以方便地可以方便地形成不同导电类型，外延工艺可以方便地可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外

9、延层。l 外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。）、原子层外延技术。光刻工艺光刻工艺：l 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化等工艺而使用的一种工艺技术。面钝化等工艺而使用的一种工艺技术。l 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻

10、胶半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。的化学结构发生变化。l 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶.o 采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程 N Si N+ (a)(a)抛光处理后的抛光处理后的n n型硅晶片型硅晶片 N+ (b)(b)采用干法或湿采用干法或湿法氧化工艺的晶片法氧化工艺的晶片氧化层制作氧化层制作 光刻胶 N Si SiO

11、2 N+ (c)(c)光刻胶层匀光刻胶层匀胶及坚膜胶及坚膜 （d)d)图形掩膜、曝光图形掩膜、曝光 光刻胶 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+ (e)(e)曝光后去掉扩曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片散窗口胶膜的晶片（f)f)腐蚀腐蚀SiOSiO2 2后后的晶片的晶片 n Si光刻胶SiO2N+N Si SiO2 N+ N Si SiO2 N+P Si N Si SiO2金属 N+N Si P Si SiO2金属 金 属 N+(g)(g)完成光刻后去胶完成光刻后去胶的晶片的晶片 (h)(h)通过扩散（或离子注入）通过扩散（或离子注入）形成形成 P-NP-N结结(i)(i)蒸发蒸发/ /溅射金

12、属溅射金属 （j j） P-N P-N 结制作完成结制作完成 采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程 P SiN SiSiO2N+13o 电路符号电路符号n PNPN结结+ +引线引线+ +管壳管壳= =封装形成晶体二极管封装形成晶体二极管 类型：类型：o 面接触型面接触型 o 点接触型点接触型 o 平面型平面型pn结二极管PN结面积小，结面积小，结电容小，用于结电容小，用于检波和变频等高检波和变频等高频电路。频电路。PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。用于集成电路制造用于集成电路制造工艺中。工艺中。PN 结面结面积可大可小，用

13、于积可大可小，用于高频整流和开关电高频整流和开关电路中。路中。o半导体器件的半导体器件的特性与工作过程特性与工作过程均与均与pn结有密切联系；结有密切联系；o稳压电路和开关电路稳压电路和开关电路利用利用pn结基本特性来工作。结基本特性来工作。o通过对通过对pn结器件的分析结器件的分析n 建立建立在讨论其他半导体器件时经常用到的在讨论其他半导体器件时经常用到的基本术语和基本术语和概念概念；n 分析分析pn结的基本技巧结的基本技巧也适用于研究也适用于研究其它半导体器件其它半导体器件；o理解和掌握理解和掌握pn结原理结原理是是学习学习半导体器件原理半导体器件原理的关键的关键。o本章学习要点：本章学习

14、要点：opn结基本器件工艺；结基本器件工艺；o掌握掌握平衡状态下平衡状态下pn结的特性：内建电势、内建结的特性：内建电势、内建电场及空间电荷区宽度等；电场及空间电荷区宽度等；o掌握掌握pn结二极管的结二极管的I-V特性；特性；1.了解了解pn结击穿。结击穿。1.1 pn结的基本结构结的基本结构1.2 pn结静态特性：结静态特性：平衡平衡pn结结1.3 反偏反偏1.4 pn结电流结电流1.5 pn结的小信号模型结的小信号模型1.6 产生产生复合电流复合电流1.7 结击穿结击穿1.8 隧道二极管隧道二极管第一章：第一章：pn结二极管结二极管单晶材料单晶材料掺入受主掺入受主杂质原子杂质原子掺入施主掺

15、入施主杂质原子杂质原子净受主杂质净受主杂质Na净施主杂质净施主杂质Nd在一块完整的硅片（锗片）上，用不同的在一块完整的硅片（锗片）上，用不同的掺杂工艺掺杂工艺使其一使其一边形成边形成N型半导体，另一边形成型半导体，另一边形成P型半导体，则在两种半导体的型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了交界面附近就形成了PN结。结。pn结简化图结简化图理想均匀掺杂理想均匀掺杂pn结的掺杂剖面结的掺杂剖面PN空穴扩散空穴扩散电子扩散电子扩散P型和型和N型半导体交界处载流子的扩散型半导体交界处载流子的扩散o 带电粒子（电子和空穴）扩散带电粒子（电子和空穴）扩散P区和区和N区原来的区原来的电中性被破坏电中性

16、被破坏在交界面两侧形成一个不能移动在交界面两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层的带异性电荷的离子层pn结的形成过程结的形成过程热平衡条件下，每种粒子（电子与热平衡条件下，每种粒子（电子与空穴）所受的空穴）所受的“扩散力扩散力”与与“电场电场力力”相互平衡。相互平衡。空间电荷区空间电荷区扩散和漂移相互联系，又相互矛盾扩散和漂移相互联系，又相互矛盾。 多子扩散运动多子扩散运动 ，少子漂移运动，少子漂移运动 ，两者达到动态平，两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结处于相对稳结处于相对稳定状态。定状态。 + + + + + + + + + + +

17、+ + + + + + + + + 根据扩散原理，空穴要从浓度高的根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向区向N区扩散，区扩散，自由电子要从浓度高的自由电子要从浓度高的N区向区向P区扩散，并在交界面发生区扩散，并在交界面发生复合复合(耗尽）。耗尽）。 P区区N区区空间电荷区空间电荷区少子少子漂移漂移 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的形成一定宽度的PN结结 P 区 N 区 载流子的扩散运动 多子多子扩散扩散 形成空间电荷区形成空间电荷区产生内电场产生内电场 P 区 空间电荷区 N 区 PN 结及其内电场 内电场方向 ，对多数载对多数载流子扩散阻力增大，使少数载流子漂移增强；

18、流子扩散阻力增大，使少数载流子漂移增强；，又促使多子扩散容易进，又促使多子扩散容易进行。行。o 当漂移运动达到和扩散运动相等时，当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于结便处于状态状态。n 在平衡状态下，电子从在平衡状态下，电子从N区到区到P区扩散电流必然等区扩散电流必然等于从于从P区到区到N区的漂移电流；区的漂移电流；n 空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。o 即即。 继续讨论继续讨论由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数

19、载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为为。o 扩散作用越强，耗尽层越宽扩散作用越强，耗尽层越宽。o 均匀掺杂均匀掺杂pn结空间电荷区的电场结空间电荷区的电场o 匀掺杂匀掺杂pn结空间电荷区的电势结空间电荷区的电势在内建电场的作用下，空间电荷在内建电场的作用下，空间电荷区内区内不存在电子与空穴不存在电子与空穴，因此，因此空空间电荷区又称为耗尽区间电荷区又称为耗尽区（没有可（没有可自由移动的净电荷，高阻区）。自由移动的净电荷，高阻区）。浓浓度度差差多多子子扩扩散散杂质杂质离子离子形成形成空间空间电荷电荷区区内建电场内建电场阻止多子的进阻止多子的进一步扩散一步扩

20、散促进少子的漂促进少子的漂移移动态平动态平衡（平衡（平衡衡pn结）结）pn结的基本结构以及空间电荷区的形成过程结的基本结构以及空间电荷区的形成过程1.1 pn结的基本结构结的基本结构1.2 pn结静态特性：结静态特性：平衡平衡pn结结1.3 反偏反偏1.4 pn结电流结电流1.5 pn结的小信号模型结的小信号模型1.6 产生产生复合电流复合电流1.7 结击穿结击穿1.8 隧道二极管隧道二极管第一章：第一章：pn结二极管结二极管1.2 pn结静态特性结静态特性：平衡pn结无外加激励和无电流存在的无外加激励和无电流存在的热平衡状态下热平衡状态下突变结的各种特性。突变结的各种特性。零偏状态零偏状态:

21、V:V外外=0=01. 1. 内建电势差内建电势差 由由PNPN结空间电荷区的形成过程可知，在达到平衡状态结空间电荷区的形成过程可知，在达到平衡状态时，时，PNPN结空间电荷区中形成了一个内建电场，该电场在空结空间电荷区中形成了一个内建电场，该电场在空间电荷区中的间电荷区中的积分积分就形成了一个就形成了一个内建电势差内建电势差。 从能量的角度来看，在从能量的角度来看，在N N型区和型区和P P型区之间建立了一个内型区之间建立了一个内建势垒，阻止电子进一步向建势垒，阻止电子进一步向P P型区扩散，该内建势垒的高度型区扩散，该内建势垒的高度即为即为内建电势差内建电势差，用，用V Vbi bi 表示

22、。表示。pn结静态特性结静态特性：平衡平衡pn结结 内建电势差内建电势差内建电势差内建电势差Vbi维持了维持了n区多区多子电子与子电子与p区少子电子之间区少子电子之间及及p区多子空穴与区多子空穴与n区少子区少子空穴之间的平衡。空穴之间的平衡。pn结本征费米能级与导带底之结本征费米能级与导带底之间的距离是相等的，内建电势间的距离是相等的，内建电势差可以由差可以由p区与区与n区内部区内部费米能费米能级的差值级的差值来确定。来确定。对于平衡状态的对于平衡状态的pnpn结我们有：结我们有：0expFFindiEEnNnkT0expFiFpaiEEpNnkT参照前边图中参照前边图中FnFn、 FpFp的

23、定义，可以知道：的定义，可以知道：lndFnFiFiNeEEkTn 22lnlnadadbiFnFpTiiN NN NkTVVenn参照前边图中参照前边图中FnFn、 FpFp的定义，可以知道：的定义，可以知道：lnaFpFiFiNeEEkTn注意注意Nd、Na分别分别表示表示N区和区和P区内区内的的有效施主有效施主掺杂浓掺杂浓度和度和有效受主有效受主掺杂掺杂浓度浓度接触电势差的大小接触电势差的大小直接和杂质浓度、直接和杂质浓度、本征载流子浓度、本征载流子浓度、以及热电压（温度以及热电压（温度及分布）相关。及分布）相关。对照：费米能级和对照：费米能级和掺杂以及温度的关掺杂以及温度的关系系本章开

24、始本章开始Nd,Na分别指分别指n区和区和p区内的净施主和区内的净施主和受主浓度！受主浓度！o例例 计算计算pn结中的内建电势差。结中的内建电势差。 硅硅pn结的环境温度为结的环境温度为T=300K，掺杂浓度分别为，掺杂浓度分别为Na=11018 cm-3，Nd=11015 cm-3。假设假设ni=1.51010 cm-3。 解：解： 由内建电势差公式知：由内建电势差公式知：Vbi=Vtln(NaNd/ni2) Vt=kT/e=0.0259 V(T=300 K) (k 波尔兹曼常数波尔兹曼常数=8.6210-5 eV/K) Na=11018 cm-3 Nd=11015 cm-3 ni=1.51

25、010 cm-3 Vbi=0.754 V 由于进行的是对数运算，当掺杂浓度的数量级改变很大时，由于进行的是对数运算，当掺杂浓度的数量级改变很大时，内建电势差也只是有微小的变化。内建电势差也只是有微小的变化。pn+-E-xp+xneNdeNa内建电场由空间电荷区的电荷所产生，内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度的大小和电荷密度的关系由电场强度的大小和电荷密度的关系由泊松方程泊松方程确定：确定： 22sdxxdE xdxdx 其中其中为电势，为电势，E E为电场强度，为电场强度，为电为电荷密度，荷密度，s s为介电常数。为介电常数。从图可知，电荷密度从图可知，电荷密度(x)(x)为：为： 0

26、0apdnxeNxxxeNxx 耗尽区假设耗尽区假设(假设空间电荷区在假设空间电荷区在n区区的的x=+xn处及处及x=-xp处突然中止）处突然中止）平衡平衡pn结结 电场强度电场强度 1aasssxeNeNEdxdxxC则则p p侧空间电荷区内电场可以积分求得：侧空间电荷区内电场可以积分求得：边界条件（热平衡时，中性区电场为边界条件（热平衡时，中性区电场为0 0）：）：x=-xx=-xp p时，时，E=0E=01apseNCxapseNExx 2ddsssxeNeNEdxdxxC相应，相应，n n侧空空间电荷区电场：侧空空间电荷区电场：边界条件：边界条件：x=xx=xn n时，时，E=0E=0

27、dnseNExx0 x 冶金结所冶金结所在的位置，在的位置，电场函数电场函数连续连续nsdxeNC 2p p侧电场和侧电场和n n侧电场在界面处（侧电场在界面处（x=0 x=0）连续，即：）连续，即：-xpxneNdeNa-xpxnx=0EapdnsseN xeN xEapdpdnaN xN xxNxN因而两侧空间电荷区的宽度因而两侧空间电荷区的宽度x xp p和和x xn n有关系：有关系：空间电荷区整空间电荷区整体保持体保持电中性电中性空间电荷区主空间电荷区主要向低掺杂一要向低掺杂一侧延伸侧延伸n根据电场强度和电势的关系，将根据电场强度和电势的关系，将p p区内电场积分可得区内电场积分可得

28、电势电势： 212apsapseNxE x dxxxdxeNxxx xC 确定具体的电势值需要选择参考点，假设确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=-xx=-xp p处的电势为处的电势为0 0，则可确定积分常数值则可确定积分常数值C C1 1和和p p区内的电势值为：区内的电势值为：212apseNCx 202appseNxxxxx同样的，对同样的，对n n区内的电势表达式积分，可求出：区内的电势表达式积分，可求出： 222dnsdnseNxE x dxxx dxeNxxx xC 当当x=0 x=0时，电势值连续，因而利用时，电势值连续，因而利用p p区电势公式可求出：区电势公式可求出：22

29、2apseNCx 22022aanpnsseNeNxxx xxxxpp0np0nn0pn0-xpxnx=0Epn=0=Vbi电势和距离是二电势和距离是二次函数关系，即次函数关系，即抛物线关系抛物线关系空间电荷区内的空间电荷区内的载流子浓度变化载流子浓度变化显然，显然，x=xx=xn n时，时，=V=Vbibi，因而可以求出：，因而可以求出：222bindnapseVxxN xN xo空间电荷区宽度空间电荷区宽度pn+-xp+xn由整体的电中性条件要求，我们已经由整体的电中性条件要求，我们已经知道：知道：将该式代入用电势公式求出的将该式代入用电势公式求出的V Vbibi式，可得到：式，可得到：1

30、/221sbiandadVNxeNNN1/221sbidpaadVNxeNNN1/ 22sbiadnpadVNNWxxeN N空间电荷区空间电荷区宽度与掺杂宽度与掺杂浓度有关浓度有关ndpaxNxN o例例 计算计算pn结中的空间电荷区宽度和电场。结中的空间电荷区宽度和电场。 硅硅pn结所处的环境温度为结所处的环境温度为T=300K，掺杂浓，掺杂浓度为度为Na=1016 cm-3，Nd=1015 cm-3 ，ni=1.51010 cm-3。o解解 Vbi=Vtln(NaNd/ni2)=0.635 V 由由xn和和xp公式可知公式可知xn=0.864 m， xp=0.086 m 空间电荷区宽度为

31、：空间电荷区宽度为： 冶金结处的最大电场为：冶金结处的最大电场为：n热平衡状态下热平衡状态下pn结处存在着空间电荷区和接触电势差结处存在着空间电荷区和接触电势差;n内建电场从内建电场从n区空间电荷区边界指向区空间电荷区边界指向p区空间电荷区，内区空间电荷区，内建电场在建电场在p、n交界处最强交界处最强;n因为是热平衡状态，因为是热平衡状态，p区、区、n区及空间电荷区内具有统一区及空间电荷区内具有统一的费米能级；的费米能级；n空间电荷区内的漂移电流和扩散电流趋向平衡，无宏观空间电荷区内的漂移电流和扩散电流趋向平衡，无宏观电流。电流。np、n两侧的空间电荷总数量相等，对外部保持整体的电两侧的空间电

32、荷总数量相等，对外部保持整体的电中性，空间电荷区内无（几乎）自由载流子、因而又称中性，空间电荷区内无（几乎）自由载流子、因而又称为耗尽区；为耗尽区；n空间电荷区内形成空间电荷区内形成内建电场内建电场，表现为电子的势垒，因而，表现为电子的势垒，因而又称为又称为势垒区势垒区n空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关.pn结静态特性结静态特性：pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi2lnadbiTiN NVVn 22nExxxapdnN xN x dxExdx -xpxnEMax2biMAXVEW12ppMAXVxEpn结静态特性结静态特性：单边突变结单

33、边突变结：一侧高掺一侧高掺杂，而另一侧低掺杂的杂，而另一侧低掺杂的突变结突变结p p+ +n n或或pnpn+ +单边突变结空间电荷区单边突变结空间电荷区主要向轻掺杂一侧扩展主要向轻掺杂一侧扩展单边突变结的势垒主要单边突变结的势垒主要降落在轻掺杂一侧降落在轻掺杂一侧1212ppMAXppdnnannMAXVxEVxNVxNVxE 这一关系给出了内建电势差在这一关系给出了内建电势差在p p、n n两侧的分配关系。两侧的分配关系。这也解释了为什么对于单边突变结（这也解释了为什么对于单边突变结（p p+ +n n或或pnpn+ +) )来说，电来说，电压主要降落在轻掺杂一侧。压主要降落在轻掺杂一侧。

34、 外加电压同样会分配在外加电压同样会分配在pnpn结两侧，其分配比例不变。结两侧，其分配比例不变。因为在同样的耗尽假设下，求解泊松方程的因为在同样的耗尽假设下，求解泊松方程的过程是完全相同的，只是将整个电场积分后过程是完全相同的，只是将整个电场积分后的电势差的电势差V Vbibi代换为代换为V Vbibi-V-Vappapp1.1 pn结的基本结构结的基本结构1.2 pn结静态特性：结静态特性：平衡平衡pn结结1.3 反偏反偏1.4 pn结电流结电流1.5 pn结的小信号模型结的小信号模型1.6 产生产生复合电流复合电流1.7 结击穿结击穿1.8 隧道二极管隧道二极管第一章：第一章：pn结二极

35、管结二极管n 在在p区与区与n区之间加一个电势，则区之间加一个电势，则pn结就不能结就不能再处于热平衡状态。再处于热平衡状态。反偏状态下，外加电场反偏状态下，外加电场方向和内建电场相同。方向和内建电场相同。反偏反偏：在：在p p、n n区之间施区之间施加一个反向电压。加一个反向电压。反偏电压几乎全部施加反偏电压几乎全部施加于空间电荷区，而中性于空间电荷区，而中性区电压几乎为区电压几乎为0 01.3 反偏PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况PN结加反向电压结加反向电压漂移电流漂移电流扩散电流，扩散电流，耗尽层变宽耗尽层变宽反向电反向电阻增大。阻增大。 此时：由于此时：由于IS很小

36、很小PN结相当于不导通，即称结相当于不导通，即称PN结结截止截止！由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。 外加电场的存在将会使得能带图中外加电场的存在将会使得能带图中N N型区的型区的费米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引费米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量。起的电子势能变化量。 此时，此时，PNPN结上总的势垒高度增大为：结上总的势垒高度增大为：空间电荷区宽度与电场空间电荷区宽度与电场m反偏反偏pn结的空间电荷区宽度结的空间电荷区宽度空间电荷空间电荷量增大量增大反偏电压反偏电压空间电空间电荷区电荷区电场增强场增强势垒势垒升高升高空

37、间电荷区空间电荷区宽度增加宽度增加将零偏时空间电荷区宽度公式中的将零偏时空间电荷区宽度公式中的Vbi用用Vbi+VR=Vtotal代替代替，即可求出反偏时的空间电荷区宽度。，即可求出反偏时的空间电荷区宽度。1/ 22sbiRadadVVNNWeN N空间电荷区宽度与电场空间电荷区宽度与电场空间电荷区的电场增强，电场强度和电荷的关系仍然如空间电荷区的电场增强，电场强度和电荷的关系仍然如泊泊松方程松方程所描述。所描述。maxapdnsseN xeN xE由于由于xn和和xp增大，因而最大场强也增大。将增大，因而最大场强也增大。将xn或或xp中的中的Vbi替换为替换为Vbi+VR可得到：可得到：1/

38、2max22biRadsadbiRe VVN NENNVVW 空间电荷区宽度与电场空间电荷区宽度与电场加反偏电压后，加反偏电压后，pn结空间电荷区宽度、电荷量及电场的结空间电荷区宽度、电荷量及电场的变化。变化。类似于电容的充放电类似于电容的充放电效果，因而反偏效果，因而反偏pnpn结结可以表现为一个电容可以表现为一个电容的特性。的特性。随着反偏电压的增加，空间电荷随着反偏电压的增加，空间电荷区的电荷量也随之增加。区的电荷量也随之增加。 势垒电容势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。是由空间电荷区离子薄层形成的。 当外加电压使当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚结上压降发生变化时，离

39、子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当于度也相应地随之改变，这相当于PN结中存储的电荷量也随结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。之变化，犹如电容的充放电。图 01.09势垒电容的示意图势垒电容的示意图势垒电容示意图 势垒电容（结电容）势垒电容（结电容） 势垒电容（结电容）势垒电容（结电容）n势垒电容势垒电容外加反偏电压增量外加反偏电压增量dVR在在n区形成额外正电荷区形成额外正电荷；p区形成额外负电荷区形成额外负电荷dQ的单位是C/cm2均匀掺杂均匀掺杂pn结空间电荷区宽度随反偏电压改变的微分变化量结空间电荷区宽度随反偏电压改变的微分变化量微分电荷微分电荷 势垒电容（结电容）势垒电容（

40、结电容）势垒电容的表达式为：势垒电容的表达式为：势垒电容势垒电容(耗尽层电容耗尽层电容) n型区内空间电荷区的宽度：型区内空间电荷区的宽度：比较一下描述反偏条件下耗尽区宽度的表达式与势垒电容比较一下描述反偏条件下耗尽区宽度的表达式与势垒电容C 的表达式，我们发现的表达式，我们发现可以看到，势垒电容的大小与可以看到，势垒电容的大小与s s( (材料）、材料）、V Vbibi（掺杂水平）（掺杂水平）、N Na a、N Nd d及反偏电压等因素有关。及反偏电压等因素有关。这表明势垒电容可以等效为其厚度这表明势垒电容可以等效为其厚度为空间电荷区宽度的平板电容为空间电荷区宽度的平板电容 单边突变结单边突

41、变结o 单边突变结单边突变结：冶金结一侧的掺杂浓度远大于：冶金结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的另一侧的掺杂浓度的pn结。结。o NaNd时，这种结称为时，这种结称为p+n结。结。p+n结的势垒电容表达式结的势垒电容表达式简化为简化为：总空间电荷区宽度：总空间电荷区宽度：势垒电容和反偏电压有关系：势垒电容和反偏电压有关系：221biRsdVVeNC可以看到，单边突可以看到，单边突变结的变结的C-V特性可特性可以确定轻掺一侧的以确定轻掺一侧的掺杂浓度。这是掺杂浓度。这是C-V法测定材料法测定材料掺杂掺杂浓度浓度的原理。的原理。电容倒数的平方是外加反电容倒数的平方是外加反偏电压的偏电压的线性

42、函数线性函数1.1 pn结的基本结构结的基本结构1.2 pn结静态特性：结静态特性：平衡平衡pn结；结；1.3 反偏反偏1.4 pn结电流结电流1.5 pn结的小信号模型结的小信号模型1.6 产生产生复合电流复合电流1.7 结击穿结击穿1.8 隧道二极管隧道二极管第一章：第一章：pn结二极管结二极管1.4 pn 结电流o 将二极管电流和器件内部的工作机理、器件参数将二极管电流和器件内部的工作机理、器件参数之间建立定性和定量的关系。之间建立定性和定量的关系。o 定性推导：分析过程，处理方法定性推导：分析过程，处理方法o 定量推导：定量推导： 建立理想模型建立理想模型-写少子扩散方程，边界条件写少

43、子扩散方程，边界条件-求解求解少子分布函数少子分布函数-求扩散电流求扩散电流-结果分析。结果分析。1. 分析实际与理想公式的偏差，造成偏差的原因。分析实际与理想公式的偏差，造成偏差的原因。当给当给pn结外加一个结外加一个正偏电压正偏电压时，时，pn结内就会产生结内就会产生电流电流。定性考虑定性考虑pn结内电荷如何流动结内电荷如何流动给出给出pn结电流结电流 电压关电压关系系的数学推导。的数学推导。1.4 pn结电流58零偏（平衡）零偏（平衡）: pn结能带图电子和空结能带图电子和空穴在扩散过程中遇穴在扩散过程中遇到势垒。势垒维持到势垒。势垒维持热平衡热平衡反偏反偏: pn结能带图增结能带图增高

44、的势垒高度继续阻高的势垒高度继续阻止电子与空穴的流动。止电子与空穴的流动。Pn结内基本没有电流结内基本没有电流正偏正偏: 势垒降低，电场减弱，势垒降低，电场减弱，电子由电子由n区经空间电荷区向区经空间电荷区向p区扩散，同样也形成从区扩散，同样也形成从p区向区向n区扩散的空穴流。区扩散的空穴流。电荷的流电荷的流动在动在pn结内形成电流。结内形成电流。通过通过pn结的能带图，可以定性的了解结的能带图，可以定性的了解pn结电流的形成机制结电流的形成机制1. 热平衡状态o 电子从电子从n区扩散到区扩散到p区需有区需有足 够 的 能 量 克 服足 够 的 能 量 克 服 “ 势势垒垒”。只有少数能量高的

45、。只有少数能量高的电 子 能 越 过 势 垒 到 达电 子 能 越 过 势 垒 到 达 p区，形成区，形成扩散流扩散流。o P区的电子到达区的电子到达n区不存在区不存在势垒，但是少子，少数电势垒，但是少子，少数电子一旦进入耗尽层，内建子一旦进入耗尽层，内建电场就将其扫进电场就将其扫进n区，形区，形成成漂移流漂移流。热平衡：热平衡：电子的扩散流电子的扩散流=漂移流漂移流2. 反向偏置o 势垒高度变高势垒高度变高，n型一侧几型一侧几乎没有电子能越过势垒进入乎没有电子能越过势垒进入p区，区，p区一侧有数目相同区一侧有数目相同的电子进入耗尽层扫入的电子进入耗尽层扫入n区，形成区，形成少子漂移流少子漂移

46、流;o 同理同理n区的空穴漂移形成区的空穴漂移形成少少子漂移流子漂移流，因与少子相关，因与少子相关，电流非常小电流非常小;o 又因少子的漂移与势垒高度又因少子的漂移与势垒高度无关，所以反向电流与外加无关，所以反向电流与外加电压无关。电压无关。3. 加正偏电压PN结加正向电压结加正向电压时的导电情况时的导电情况（1 1）少子注入）少子注入正向电压使正向电压使势垒区宽度变窄势垒区宽度变窄、势垒高度变低势垒高度变低 外加电场与内建电场方向相反外加电场与内建电场方向相反 空间电荷区中的电场减弱空间电荷区中的电场减弱 破坏扩散与漂移运动间的破坏扩散与漂移运动间的平衡平衡扩散运动强于漂移运动扩散运动强于漂

47、移运动 注入少子注入少子 注入的少子边扩散边复合注入的少子边扩散边复合（2 2）正向）正向PN结中载流子的运动结中载流子的运动电流在电流在 N 型区中主要由电子携带型区中主要由电子携带电流在电流在 P 型区中主要由空穴携带型区中主要由空穴携带通过通过 PN 结的电流存在结的电流存在电流载体转换电流载体转换的现象的现象 Pn结的单向导电性 当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，几乎等于零， PN

48、 结处于结处于截止状态截止状态。综上所述：综上所述：可见，可见， PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。1.4 pn结电流 理想电流电压关系o 理想理想p-n结的结的I-V关系的推导，满足以下条件关系的推导，满足以下条件假设：假设：1、耗尽层突变近似。空间电荷区的边界存在突变，且耗尽、耗尽层突变近似。空间电荷区的边界存在突变，且耗尽区以外的半导体区域是电中性的。区以外的半导体区域是电中性的。2、载流子统计分布复合麦克斯韦、载流子统计分布复合麦克斯韦-玻尔兹曼近似。玻尔兹曼近似。3、复合小注入条件。、复合小注入条件。4(a) 、pn结内的电流值处处相等。结内的电流值处处相等。4(b)、 pn结

49、内的电子电流与空穴电流分别为连续函数。结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数。4(c)、耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值、耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。63与与电电流流有有关关理想电流电压关系64o 计算流过计算流过p-n结电流密度的步骤结电流密度的步骤：1、根据费米能级计算耗尽区边界处注入的过剩少子浓度。、根据费米能级计算耗尽区边界处注入的过剩少子浓度。2、以边界处注入的过剩少子浓度作为边界条件，求解扩散区、以边界处注入的过剩少子浓度作为边界条件，求解扩散区中载流子连续性方程中载流子连续性方程双极输运方程。得到过剩载流子双极输运方程。得到过剩载流子分布表达式。分布表达式。3、将过

50、剩少子浓度分布带入扩散电流方程得到扩散电流密度。、将过剩少子浓度分布带入扩散电流方程得到扩散电流密度。4 、将两种载流子扩散电流密度相加，得到理想、将两种载流子扩散电流密度相加，得到理想p-n结电流电压结电流电压方程。方程。65o 加正向偏压后，空间电加正向偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内荷区势垒高度降低，内建电场减弱建电场减弱势垒降低势垒降低空间电荷区缩短空间电荷区缩短内建电场减弱内建电场减弱扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流空间电荷区边界处少空间电荷区边界处少数载流子浓度注入数载流子浓度注入0expbiapne VVnnkTP型一侧耗尽区边界型一侧耗尽区边界X=-xp的电子浓度的电子浓度

51、理想电流电压方程最重要的边界条件理想电流电压方程最重要的边界条件1。边界条件边界条件)exp(浓度为区内少子电子的热平衡浓度为：区内多子电子的热平衡n假设杂质完全电离，exp，再取倒数得exp两边取,/将上式两边除以)ln(内建电势差00022kTeVnnpNnkTeVNNnekTVnNNVVbinpdnbidaitidatbi000expexpexpexpbiapnbianappe VVnnkTeVeVnkTkTeVnnkT偏置状态下偏置状态下p区空间区空间电荷区边界处的非平电荷区边界处的非平衡少数载流子浓度衡少数载流子浓度注入水平和偏注入水平和偏置电压有关置电压有关0expanneVppk

52、Tn型一侧耗尽区边界型一侧耗尽区边界X=xn的空穴浓度的空穴浓度 理想电流电压方程最重要的边界条件理想电流电压方程最重要的边界条件2。注入到注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一）型区中的电子（空穴）会进一步步扩散扩散和和复合复合，因此公式给出的实际上是耗尽区，因此公式给出的实际上是耗尽区边界边界处的处的非平衡少数载流子浓度非平衡少数载流子浓度。 上述边界条件虽然是根据上述边界条件虽然是根据pn结结正偏正偏条件导条件导出的，但是对于反偏情况也是出的，但是对于反偏情况也是适用适用的。因而当反的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界处的处的

53、少数载流子浓度少数载流子浓度基本为零。基本为零。o 少数载流子分布少数载流子分布n 假设：中性区内电场为假设：中性区内电场为0n 无产生无产生n 稳态稳态pn结结n 长长pn结结220nnnnnnnDEgxtx000理想电流电压关系少数载流子分布少数载流子分布解双极输运方程解双极输运方程小注入小注入n型半导体型半导体双极输运方程：双极输运方程：20nnnLD20pppLD2220pppnnnxxxL 2220nnnpppxxxL0expannneVpxpkT0expapppeVnxnkT0ppnxn 0nnpxp 边边界界条条件件双极输运方程可以简化为：双极输运方程可以简化为：nnppWLWL

54、长长pn结结 /0ppx Lx LnnnnpxpxpAeBexx双极输运方程的通解为：双极输运方程的通解为： /0nnx Lx LppppnxnxnCeDexx 从边界条件可以确定系数从边界条件可以确定系数A=D=0A=D=0，同时，在，同时，在x xn n、x x-p-p处的边界条处的边界条件可以得出：件可以得出： 00exp1expannnnnnpeVxxpxpxppxxkTL 00exp1 exppapppppnxxeVnxnxnnxxkTL 由此，我们可以得出由此，我们可以得出PN结处于正偏和反偏条件时，耗尽区结处于正偏和反偏条件时，耗尽区边界处的少数载流子分布边界处的少数载流子分布0

55、expannneVpxpkT0expapppeVnxnkT0 x nxpxpnnpnLpL0pn0np0 xnxpxpnnpnLpL0pn0np正偏正偏反偏反偏o 理想理想pn结电流结电流n pn结电流为空穴电流和电子电流之和结电流为空穴电流和电子电流之和n 空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值因此耗尽区靠近因此耗尽区靠近N N型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为： nnpnpx xdpxJxeDdx 在在pnpn结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为： nnpnpxxdpxJxeDdx 利用

56、前边求得的少子分布公式，可以得到耗尽区靠近利用前边求得的少子分布公式，可以得到耗尽区靠近N N型型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：0exp1pnapnpeD peVJxLkT在在pnpn结正偏条件下，空穴电流密度是沿着结正偏条件下，空穴电流密度是沿着x x轴正向的，轴正向的，即从即从p p型区流向型区流向N N型区。类似地，我们可以计算出耗尽区型区。类似地，我们可以计算出耗尽区靠近靠近P P型区型区一侧边一侧边界处电子的扩散电流密度界处电子的扩散电流密度为：为： ppnpnxxdnxJxeDdx利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：利用前面求得的少子

57、分布公式，上式也可以简化为：0exp1npanpneD peVJxLkT在在pnpn结正偏条件下，上述电子电流密度也是沿着结正偏条件下，上述电子电流密度也是沿着x x轴正轴正方向的。若假设电子电流和空穴电流在通过方向的。若假设电子电流和空穴电流在通过pnpn结耗尽区结耗尽区时保持不变，则流过时保持不变，则流过pnpn结的总电流为：结的总电流为：00exp1pnnpapnnppneD peD neVJJxJxLLkT上式即为理想上式即为理想pnpn结的电流结的电流- -电压特性方程，我们可以进一步定电压特性方程，我们可以进一步定义义J Js s为：为：00pnnpspneD peD nJLL则则

58、理想理想pnpn结的电流结的电流- -电压特性电压特性可简化为：可简化为：exp1aseVJJkT尽管理想尽管理想pnpn结电流结电流- -电压方程是根据正偏电压方程是根据正偏pnpn结推导出来的，结推导出来的，但它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏但它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电流饱和为时，电流饱和为J Js s当当PNPN结正偏电压远大于结正偏电压远大于V Vt t时，上述电流电压特性方程时，上述电流电压特性方程中的中的1 1项就可以忽略不计。项就可以忽略不计。PNPN结二极管的结二极管的I IV V特性及特性及其电路符号如下图所示。其电路符号如下图所示。o

59、 理想理想pn结模型的假设条件结模型的假设条件n 小注入条件小注入条件o 注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多n 突变耗尽层条件突变耗尽层条件o 注入的少子在注入的少子在p区和区和n区是纯扩散运动区是纯扩散运动n 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量通过耗尽层的电子和空穴电流为常量o 不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用n 玻耳兹曼边界条件玻耳兹曼边界条件o 在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布 可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过PNPN结的总电结的总电流不

60、变，流不变，二者之差就是多子的漂移电流二者之差就是多子的漂移电流。 以以N N型区中的电子电流为例，它不仅提供向型区中的电子电流为例，它不仅提供向P P型区中扩型区中扩散的少子电子电流，而且还提供与散的少子电子电流，而且还提供与P P型区中注入过来的过剩型区中注入过来的过剩少子空穴电流相复合的电子电流。因此在流过少子空穴电流相复合的电子电流。因此在流过PNPN结的正向结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所示。示。o 物理意义总结：物理意义总结：PN结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：在流过在流