半导体物理-第六章-2012

1、半导体物理半导体物理SEMICONDUCTOR PHYSICSSEMICONDUCTOR PHYSICS第六章第六章 p-n结结 1 p-n结及其能带图结及其能带图 2 p-n结的电流电压特性结的电流电压特性 3 p-n结电容结电容 4 4 p-n结击穿结击穿 5 5 p-n结隧道效应结隧道效应 6.1 p-n6.1 p-n结及其其能带图结及其其能带图 (1) p-n结的形成结的形成 (2) p-n结的基本概念结的基本概念 6.1 pn结及其能带图6.1.1 pn结的形成和杂质分析在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散

2、，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由中，最简单的晶体二极管就是由PN结构结构成的。成的。PN p-np-n结的形成结的形成p-np-n结的形成结的形成 控制同一块半导体的掺杂控制同一块半导体的掺杂, ,形成形成pnpn结结 ( (合金法合金法; ; 扩散法扩散法; ; 离子注入法等离子注入法等) ) 在在p(n)p(n)型半导体上外延生长型半导体上外延生长n(p)n(p)型半导体型半导体同质结和异质结同质结和异质结 由导电类型相反的同一种半导体

3、单晶材由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的料组成的pnpn结结- -同质结同质结 由两种不同的半导体单晶材料组成的由两种不同的半导体单晶材料组成的结结异质结异质结工艺简介工艺简介: 合金法合金法合金烧结方法形成合金烧结方法形成pn结结 扩散法扩散法高温下热扩散高温下热扩散,进行掺杂进行掺杂 离子注入法离子注入法将杂质离子轰击到半导体基片将杂质离子轰击到半导体基片中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量决定（典型的离子能量是决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量注入剂量是在是在1011-1016离子数离子数/cm2范围），用于形成浅范围）

4、，用于形成浅结结杂质分布的简化杂质分布的简化: 突变结突变结 线性缓变结线性缓变结合金法合金法杂质分布杂质分布,( ),( )jAjDxx N xNxx N xN突变结杂质分布杂质分布, ,()jADjDADAjjxxNNxxNNNNxx线性缓变结扩散法扩散法 p-np-n结的基本概念结的基本概念空间电荷区空间电荷区: : 在结面附近在结面附近, , 由于存在载流子浓度梯由于存在载流子浓度梯度度, ,导致载流子的扩散导致载流子的扩散. . 扩散的结果扩散的结果: : 在结面附近在结面附近, ,出现静电荷出现静电荷- - -空间电荷空间电荷( (电离施主电离施主, ,电离受主电离受主). ).

5、空间电荷区中存在电场空间电荷区中存在电场- -内建电场内建电场, ,内内建电场的方向建电场的方向: : np np . . 在内建电场作用下在内建电场作用下, ,载流子要作漂移运动载流子要作漂移运动. . PN结的形成结的形成 在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。1PN结的形成结的形成 扩散运动扩散运动 P型和型和N型半导体结合在一起时，由于型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区区的电子必然向的电子必然向P区运

6、动，区运动，P区的空穴也向区的空穴也向N区运动，这种由于区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。浓度差而引起的运动称为扩散运动。 漂移运动漂移运动 在扩散运动同时，在扩散运动同时，PN结构内部形成电结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空区空穴向穴向P区漂移，区漂移，P区的电子向区的电子向N区漂移。区漂移。动态平衡下的PN结漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩

7、散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以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。度固定不变。+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0 空间电荷区空间电荷区 在在PN结的交界面附近，由于扩散结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。空间电荷区，又称为阻挡层，耗

8、尽层，垫垒区。（见下一页的示意图）（见下一页的示意图） 内部电场内部电场由空间电荷区（即由空间电荷区（即PN结的交界面两侧结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向区指向P区的电区的电场场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。的漂移。 耗尽层耗尽层在无外电场或外激发因素时，在无外电场或外激发因素时，PN结处于结处于动态平衡没有电流，内部电场动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。区内没有载流子，故称为耗尽层。平衡平衡p-n

9、p-n结及其能带图结及其能带图: : 当无外加电压当无外加电压, , 载流子的流动终将达到载流子的流动终将达到动态平衡动态平衡( (漂移运动与扩散运动的效果相漂移运动与扩散运动的效果相抵消抵消, , 电荷没有净流动电荷没有净流动), ), p-np-n结有统一的结有统一的E EF F ( (平衡平衡pnpn结结) ) 结面附近结面附近, ,存在内建电场存在内建电场, ,造成能带弯造成能带弯曲曲, ,形成形成势垒区势垒区( (即空间电荷区即空间电荷区). ).热平衡条件PNHolevESilicon (p-type)Silicon (n-type)cEiEfEcEfEiEvE热平衡条件内建电势内

10、建电势内建电势内建电势PNPN结的内建电结的内建电势决定于掺杂势决定于掺杂浓度浓度N ND D、N NA A、材料禁带宽度材料禁带宽度以及工作温度以及工作温度接触电势差接触电势差: : pnpn结的势垒高度结的势垒高度eVeVD D 接触电势差接触电势差V VD D 对非简并半导体对非简并半导体, ,饱和电离近似饱和电离近似, ,接触接触电势为电势为: : V VD D与二边掺杂有关与二边掺杂有关, , 与与EgEg有关有关020lnlnnDADpinN NkTkTVenen图图6-8电势电势电子势能电子势能(能带能带)平衡平衡p-np-n结的载流子浓度分布结的载流子浓度分布: : 当电势零点

11、取当电势零点取x=-xx=-xp p处处, ,则有则有: : 势垒区的载流子浓度为势垒区的载流子浓度为: :)()(xqVExECCCCpExExx)(,DCCnqVExExx)(,kTxqVpkTExqVECeneNxnFC)(0)()(kTxqVpkTxqVEEVepeNxpVF)(0)()()()(xqVExEVV即有即有:00 pppxxnnpp00 nnnxxnnpp0000 DDeVeVkTkTpnnpnn epp e( )( )00( ) ( )npeV xeV xkTkTppxxxn xn ep xp e图6-9平衡平衡p-np-n结载流子浓度分布的基本特点结载流子浓度分布的基

12、本特点: : 同一种载流子在势垒区两边的浓度关同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼关系系服从玻尔兹曼关系 处处都有处处都有n np=np=ni i2 2 势垒区是势垒区是高阻区高阻区( (常称作常称作耗尽层耗尽层) )Step Junction 6.2 p-n6.2 p-n结的电流电压特性结的电流电压特性 (1) dEF/dx与电流密度的关系与电流密度的关系 (2) 正向偏压下的正向偏压下的p-n结结 (3) 反向偏压下的反向偏压下的p-n结结 (4) 理想理想p-n结结 (5) 伏安特性伏安特性 dEdEF F/dx/dx与电流密度的关系与电流密度的关系E EF F随位置的变化随位

13、置的变化与电流密度的关系与电流密度的关系热平衡时热平衡时, E, EF F处处相等处处相等, p-n, p-n结无电流通过结无电流通过( (动态平衡动态平衡). ).当当p-np-n结有电流通过结有电流通过, E, EF F就不再处处相等就不再处处相等. . 且且, ,电流越大电流越大, E, EF F随位置的变化越快随位置的变化越快. . = =FFdEdEJnJpdxdx总之总之: :是否有电荷流动是否有电荷流动, 并不仅仅取决于是否存并不仅仅取决于是否存在电场在电场当电流密度一定时当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓与载流子浓度成反比度成反比上述讨论也适用于电子子系及空穴子系上述讨

14、论也适用于电子子系及空穴子系 (用准费米能级取代费米能级用准费米能级取代费米能级):F= =FdEdEJnJpdxdx 正向偏压下的正向偏压下的p-np-n结结势垒势垒: : 外电压主要降落外电压主要降落于于势垒区势垒区 加正向偏压加正向偏压V, V, 势势垒高度下降为垒高度下降为 e(Ve(VD D-V),-V), 势垒区宽度减少势垒区宽度减少. .图6-10非平衡子的电注入非平衡子的电注入: : 正向偏压下正向偏压下, ,势垒区内电场减少势垒区内电场减少载流的载流的扩散流扩散流 漂移流漂移流非平衡子电注入形成少非平衡子电注入形成少子扩散区子扩散区. ( . (外加正向偏压增大外加正向偏压增

15、大, ,非平衡子非平衡子电注入增加电注入增加) ) 边界处的边界处的 载流子浓度为载流子浓度为: : 稳态时稳态时, ,扩散区内少子分布也是稳定的扩散区内少子分布也是稳定的. .00()() eVkTppeVkTnnnxn ep xp e正向偏压下非平正向偏压下非平衡少子的分布衡少子的分布电流电流: : 在体内在体内, ,电流是多子漂流电流电流是多子漂流电流 在少子扩散区在少子扩散区, ,多子电流主要是漂流电流多子电流主要是漂流电流; ;少子少子电流是扩散电流电流是扩散电流 讨论空穴电流的变化讨论空穴电流的变化: : 在电子扩散区在电子扩散区, ,空空穴穴( (多子多子) )边漂移边与电子复合

16、边漂移边与电子复合; ; 势垒区很势垒区很薄薄, ,势垒区中空穴电流可认为不变势垒区中空穴电流可认为不变; ;在空穴在空穴扩散区扩散区, ,空穴空穴( (少子少子) )边扩散边与电子复合边扩散边与电子复合. . 类似地类似地, , 可讨论电子电流的变化可讨论电子电流的变化: :稳态下稳态下, , 通过任一截面的总电流是相等的通过任一截面的总电流是相等的J=JJ=J+ +J+J- - = J= J+ +(x (xn n)+ J)+ J- - (-x(-xp p) ) 绿色绿色: : 漂移电流漂移电流. . 紫色紫色: : 扩散电流扩散电流. .准费米能级准费米能级: E: EF F- -, E,

17、 EF F+ +在势垒区在势垒区, ,扩散区扩散区, , 电子和空穴有不同的准费电子和空穴有不同的准费米能级米能级: : 在扩散区在扩散区, , 可认为多子的准费米能级保持不可认为多子的准费米能级保持不变变 在势垒区在势垒区, , 近似认为准费米能级保持不变近似认为准费米能级保持不变 在扩散区在扩散区, , 少子的准费米能级与位置有关少子的准费米能级与位置有关, ,且且有有: :FFEEeV正向偏压下正向偏压下pn结的费米能级结的费米能级 反向偏压下的反向偏压下的p-np-n结结势垒高度势垒高度: : e(Ve(VD D+ +| |V V| |) )非平衡子的电抽取非平衡子的电抽取: : (

18、(也形成少子扩散区也形成少子扩散区) )00()()eVkTppeVkTnnnxn ep xp e电流电流: : 仍有仍有 J=JJ=J+ +J+J- -= J= J+ +(x (xn n)+ J)+ J- - (-x(-xp p) ) 正向偏压时，在少子扩散区正向偏压时，在少子扩散区, , 少子复合少子复合率率 产生率产生率( (非平衡载流子注入非平衡载流子注入); ); 反向时反向时, , 产生率产生率 复合率复合率( (少数载流子被抽取少数载流子被抽取) ) 反向时反向时, , 少子浓度梯度很小少子浓度梯度很小反向电流反向电流很小很小准费米能级准费米能级: : 在势垒区在势垒区FFEEe

19、 V反向偏压下反向偏压下pn结的费米能级结的费米能级 理想理想p-np-n结结理想理想p-np-n结结: : 小注入条件小注入条件 突变结突变结, ,耗尽层近似耗尽层近似可认为外加可认为外加电压全降落于耗尽层电压全降落于耗尽层 + +在扩散区在扩散区, ,少子电流只需考虑扩散少子电流只需考虑扩散 忽略耗尽层中的产生忽略耗尽层中的产生, ,复合复合 通过耗尽层时通过耗尽层时, ,可认为电子电流可认为电子电流和空穴电流均保持不变和空穴电流均保持不变 玻耳兹曼边界条件玻耳兹曼边界条件 伏安特性伏安特性定性图象定性图象 正向偏压下正向偏压下, ,势垒降低势垒降低, ,非平衡少子注入非平衡少子注入, ,

20、正向电流随正向电压的增加很快增加正向电流随正向电压的增加很快增加. . 反向偏压下反向偏压下, ,势垒升高势垒升高, ,非平衡少子被抽非平衡少子被抽取取, ,反向电流很小反向电流很小, ,并可达到饱和并可达到饱和. .理想二极管方程PN结正偏时理想二极管方程PN结反偏时定量方程基本假设P P型区及型区及N N型区掺杂均匀分布，是突变结。型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在子在PNPN结中一维流动。结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度空间电荷区

21、宽度远小于少子扩散长度, , 不考虑空间电不考虑空间电荷区的产生荷区的产生复合作用。复合作用。P P型区和型区和N N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。在过渡区上。准中性区的载流子运动情况准中性区的载流子运动情况稳态时稳态时, 假设假设GL=0边界条件边界条件:图图6.4欧姆接触边界欧姆接触边界耗尽层边界耗尽层边界npnnPpnppNxxpdxpdDxxndxndD.0.02222边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22kTqVAipkTqViApppAAeNnxnen

22、Nxnxpxn/2/2)()()()(耗尽层边界耗尽层边界P型一侧型一侧PN)(ppxn)(nnxp1)(/2kTqVAippAeNnxn耗尽层边界耗尽层边界(续续)N型一侧1)(/2kTqVDinnAeNnxp耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关准中性区载流子浓度准中性区载流子浓度理想二极管方程理想二极管方程求解过程求解过程准中性区少子扩准中性区少子扩散方程散方程求求Jp(xn)求求Jn(-xp)J= Jp(xn)+ Jn(-xp)理想二极管方程理想二极管方程(1)新的坐标新的坐标:边界条件边界条件:-xp xn0pnnppdxpdD220 xX1)0(0)(/2kTqVDinnAeN

23、nxpxp空穴电流空穴电流一般解一般解PPPLxLxnDLeAeAxpPP,) (/ 2/ 1其中PAPALxkTqVDiPPnPPLxkTqVDineeNnLDqdxpdqDxJxeeNnxp/ /2/ /21) (01) (电子电流电子电流P型侧型侧NANALxkTqVAiNNpNNLxkTqVAipeeNnLDqdxndqDxJxeeNnxn/ /2/ /21 ) (0 1) (PN结电流结电流1)()(/22kTqVDiPPAiNNnPpNPNAeNnLDNnLDqAIxJxJAIII1/0kTqVAeII 少子在扩散区中的分布少子在扩散区中的分布: : 空穴扩散区空穴扩散区 电子扩散

24、区电子扩散区0()(), ()(1)nx xeVLkTnnnp xp xep xpe 0( )(), ()(1)Px xeVLkTpppn xnxenxne 少子扩散电流少子扩散电流: 边界处的少子扩散电流为边界处的少子扩散电流为00( )()(1)( )()(1)eVkTnXnneVkTpXppeDd p xJxeDpedxLeDd n xJxeDnedxL JV特性特性:00()()(1) eVkTnpSSnpJJxJxJeeDeDJpnLL pn junction diode对对J J V V特性的说明特性的说明: : 单向导电性单向导电性: : 反向饱和电流反向饱和电流JsJs 温度的

25、影响温度的影响: T, Js: T, Js很快增加很快增加 单边突变结单边突变结: Js: Js的表达式中只有一的表达式中只有一项起主要作用项起主要作用只需考虑一边的少子扩只需考虑一边的少子扩散散 正向导通电压正向导通电压: Eg: Eg越大的材料越大的材料, ,具有具有更大的正向导通电压更大的正向导通电压. .伏安特性伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR与理想情况的偏差与理想情况的偏差大注入效应大注入效应空间电荷区的复合空间电荷区的复合 p-n p-n结击穿结击

26、穿现象现象: 对对p-n结施加反向偏压时结施加反向偏压时, 当反向偏压当反向偏压增大到某一数值时增大到某一数值时, 反向电流密度突然开反向电流密度突然开始迅速增大始迅速增大. 发生击穿时的反向偏压发生击穿时的反向偏压- p-n结的击结的击穿电压穿电压.p-np-n结击穿的基本原因结击穿的基本原因: 载流子数目的突然增加载流子数目的突然增加.击穿机理击穿机理: : 雪崩击穿雪崩击穿强电场下的碰撞电离强电场下的碰撞电离, 使载使载流子倍增流子倍增 隧道击穿隧道击穿大反向偏压下大反向偏压下, 隧道贯穿使隧道贯穿使反向电流急剧增加反向电流急剧增加 热电击穿热电击穿不断上升的结温不断上升的结温, 使反向

27、饱使反向饱和电流持续地迅速增大和电流持续地迅速增大 3 p-n3 p-n结电容结电容 (1)(1) 电容效应电容效应 (2)(2) 突变结的空间电荷区突变结的空间电荷区 (3)(3) 突变结势垒电容突变结势垒电容 (4) (4) 扩散电容扩散电容 PN结电容 电容效应电容效应p-np-n结有存储和释放电荷的能力。结有存储和释放电荷的能力。势垒电容势垒电容 C CT T 当当p-np-n结上外加电压变化，势垒区的结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应空间电荷相应变化所对应的电容效应. . 当当p-np-n结上外加的正向电压增加，势垒结上外加的正向电压增加，势垒高度降低高度降低

28、空间电荷减少空间电荷减少 当当p-np-n结上外加的反向电压增加，势垒结上外加的反向电压增加，势垒高度增加高度增加空间电荷增加空间电荷增加图6-19(c)扩散电容扩散电容 C CD D 当当p-np-n结上外加电压变化，扩散区的结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应电容效应. . 当正向偏置电压增加，扩散区内的非平当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加衡载流子积累很快增加 在反向偏置下，非平衡载流子数变化不在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大大, ,扩散电容扩散电容 可忽略可忽略p-np-n结的势垒电容和扩散电容都

29、随外加电结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化压而变化- - C CT T 和和C CD D都是微分电容都是微分电容: : C=dQ/dV C=dQ/dV扩散电容扩散电容 C CD D 突变结的空间电荷区突变结的空间电荷区耗尽层近似下的耗尽层近似下的空间电荷空间电荷: : 突变结突变结+ +杂质完全电离杂质完全电离+ +耗尽近似耗尽近似的条件的条件下，势垒区中电离杂质组成空间电荷下，势垒区中电离杂质组成空间电荷势垒宽度势垒宽度: d= : d= X Xp p +X+Xn n势垒区中正负电荷总量相等：势垒区中正负电荷总量相等： | |Q Q|=eN|=eNA AX Xp p =eN=eND D

30、X Xn n势垒区势垒区能带能带空间电荷分布空间电荷分布矩形近似矩形近似 电场电场: : 泊松方程：泊松方程： E=- ( dV/dx ) +CE=- ( dV/dx ) +C 在在x=0 x=0处处, , 内建电场数值达到极大内建电场数值达到极大 电势电势: : 抛物线分布抛物线分布000ADMpnQeNeNEXX220( )d Vxdx 空间电荷空间电荷电场电场电势电势能带能带 空间电荷区宽度空间电荷区宽度: : 平衡平衡p-np-n结结 当加外电压当加外电压V V 1202()DADDANNdVeN N1202()()DADDANNdVVeN N 单边突变结单边突变结: : 势垒区主要在

31、轻掺杂一边势垒区主要在轻掺杂一边 对对p p+ +-n-n结结, N, NB B代表代表N ND D 对对p-np-n+ +结结, N, NB B代表代表N NA A1202()DBVVdeNP+-n结结 突变结的突变结的势垒电容势垒电容反向偏压下的反向偏压下的突变结突变结势垒电容势垒电容(单位面积单位面积):1202()()DATDADeN NCdQAdVNNVV0TCAd1/21()TDCVV几点说明几点说明: p-np-n结的结的势垒电容可以等效为一个平行势垒电容可以等效为一个平行板电容器板电容器,势垒宽度即两平行极板的距离势垒宽度即两平行极板的距离 这里求得的势垒电容这里求得的势垒电容, 主要适用于主要适用于反向反向偏置情况偏置情况单边突变结的势垒电容单边突变结的势垒电容:120002()BTDBeNCAVVXd 扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容C CD D 当当p-np-n结上外加电压变化，结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应所对应的电容效应. . ( ) ( )DpppxnxpDnnnCdQQp x edxAdVCdQQn x edxAdV 少子在扩散区中的分布少子在扩散区中的分布: : 在在空穴扩散区空穴扩散区 在在电子扩散区电子扩散区0