半导体物理讲义6第五章p-n结2

1、 Semiconductor Physics2022-5-81一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子反电场方向漂移电子反电场方向漂移，空穴沿电场方向漂移空穴沿电场方向漂移。半导体中的导电半导体中的导电作用是电子导电作用是电子导电和空穴导电的总和空穴导电的总和。和。 Semiconductor Physics2022-5-83= =FFdEdEJnJpdxdx Semiconductor Physics2022-5-84F=

2、 =FdEdEJnJpdxdx Semiconductor Physics2022-5-85 Semiconductor Physics2022-5-86 Semiconductor Physics2022-5-87nn0 N区平衡多数载流子区平衡多数载流子电子浓度电子浓度np0P区平衡少数载流子区平衡少数载流子电子浓度电子浓度pn0 N区平衡少数载流子区平衡少数载流子空穴浓度空穴浓度pp0P区平衡多数载流子区平衡多数载流子空穴浓度空穴浓度 Semiconductor Physics2022-5-8900()() eVkTppeVkTnnnxn ep xp e Semiconductor Ph

3、ysics2022-5-810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 Semiconductor Physics2022-5-811 Semiconductor Physics2022-5-812 Semiconductor Physics2022-5-813FFEEeV Semiconductor Physics2022-5-814 Semiconductor Physics2022-5-81500()()eVkTppeVkTnnnxn ep xp e Semiconductor Physics2022-5-816 Semiconductor Physics2022-5-817

4、体内热平衡产生的少子漂移和穿过耗尽区到达对侧成为多子； Semiconductor Physics2022-5-818 Semiconductor Physics2022-5-819FFEEeV Semiconductor Physics2022-5-820 Semiconductor Physics2022-5-821 Semiconductor Physics2022-5-822 Semiconductor Physics2022-5-823 Semiconductor Physics2022-5-824 Semiconductor Physics2022-5-825 Semiconduc

5、tor Physics2022-5-8260()(), ()(1)nx xeVLkTnnnp xp xep xpe 0( )(), ()(1)Px xeVLkTpppn xnxenxne Semiconductor Physics2022-5-82700( )()(1)( )()(1)eVkTnXnneVkTpXppeDd p xJxeDpedxLeDd n xJxeDnedxL Semiconductor Physics2022-5-82800()()(1) eVkTnpSSnpJJxJxJeeDeDJpnLL Semiconductor Physics2022-5-829 pn junct

6、ion diode Semiconductor Physics2022-5-830 Semiconductor Physics2022-5-831实际反偏实际反偏P-N 结直流特性的补充说明结直流特性的补充说明 P-N结反偏时，结反偏时，V0，此时势垒边界处的非平衡，此时势垒边界处的非平衡少子浓度比平衡时小，势垒有抽取非平衡少子的少子浓度比平衡时小，势垒有抽取非平衡少子的作用，扩散电流方向是体内向边界处扩散。当作用，扩散电流方向是体内向边界处扩散。当V不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳态扩散。当反偏绝对值足够大时，势垒边界处的态扩散。当反偏绝对

7、值足够大时，势垒边界处的非平衡少子几乎被抽取光了，此时边界少子浓度非平衡少子几乎被抽取光了，此时边界少子浓度为零，与体内少子浓度的梯度不再随外加反向偏为零，与体内少子浓度的梯度不再随外加反向偏压的变化而变化，即反向电流趋于饱和。压的变化而变化，即反向电流趋于饱和。 在反向偏压时，实际测得的反向电流比理论计算值在反向偏压时，实际测得的反向电流比理论计算值大得多，而且反向电流是不饱和的，随反向偏压的增大略大得多，而且反向电流是不饱和的，随反向偏压的增大略有增加。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电有增加。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电压下的压下的P-N结情况，还必须考虑其他因素的

8、影响。其中的结情况，还必须考虑其他因素的影响。其中的主要因素是存在反向势垒产生电流。主要因素是存在反向势垒产生电流。 反偏时，势垒区内的电场加强，在势垒区内，由于热反偏时，势垒区内的电场加强，在势垒区内，由于热激发的作用，载流子产生率大于复合率，具有净产生，从激发的作用，载流子产生率大于复合率，具有净产生，从而形成另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流，以而形成另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流，以IG表示。表示。若若P-N结势垒区宽度为结势垒区宽度为Xm，则势垒区产生电流密度为则势垒区产生电流密度为由式（由式（2-16）得）得P+-N结结反向扩散电流密度为反向扩散电流密度为 锗的禁带宽度

9、小，锗的禁带宽度小，ni2大，在室温下从式（大，在室温下从式（1）算得的）算得的JRD比从式（比从式（2）算得的）算得的JG大得多，所以在反向电流中扩散大得多，所以在反向电流中扩散电流起主要作用。电流起主要作用。 硅，禁带宽度比较宽，硅，禁带宽度比较宽，ni2小，所以小，所以JG的值比的值比JRD值大得值大得多，因此在反向电流中势垒产生电流占主要地位。由于势多，因此在反向电流中势垒产生电流占主要地位。由于势垒区宽度垒区宽度Xm随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产生电随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产生电流不是饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。流不是饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。 实际

10、生产中表面漏电流可能比体内电流大实际生产中表面漏电流可能比体内电流大很多。很多。 在在P-N结的生产过程中，硅片表面很可能结的生产过程中，硅片表面很可能沾污一些金属离子（如钠离子）和水汽分子，沾污一些金属离子（如钠离子）和水汽分子，这些金属离子和水汽分子相当于在半导体表面这些金属离子和水汽分子相当于在半导体表面并联了一个附加的电导，它可以使电流从并联了一个附加的电导，它可以使电流从N区区电极沿半导体表面直接流到电极沿半导体表面直接流到P区的电极，从而区的电极，从而引起反向漏电流的增加。引起反向漏电流的增加。 如果如果表面沾污严重的话，由此引出的表面表面沾污严重的话，由此引出的表面漏电流可能比势

11、垒产生电流大得多，从而成为漏电流可能比势垒产生电流大得多，从而成为反向漏电流的主要成分反向漏电流的主要成分。 硅平面器件通常是用二氧化硅层作硅平面器件通常是用二氧化硅层作保护的，一方面可以提高器件的稳定性保护的，一方面可以提高器件的稳定性和可靠性，另一方面也可以减小反向漏和可靠性，另一方面也可以减小反向漏电流。电流。 但如果二氧化硅层质量不好的话，但如果二氧化硅层质量不好的话，会使半导体表面出现反型，形成反型沟会使半导体表面出现反型，形成反型沟道。（具体内容还会在本书第七章作详道。（具体内容还会在本书第七章作详细介绍。）细介绍。） 反型沟道的存在相当于增大了反型沟道的存在相当于增大了P-N结的

12、结面积，即势垒区面积增大，从而结的结面积，即势垒区面积增大，从而使势垒产生电流增大使势垒产生电流增大。 半导体存在一些具有复合中心作用半导体存在一些具有复合中心作用的能级，一部分少数载流子将在表面的能级，一部分少数载流子将在表面通过这些复合中心能级复合掉，从而通过这些复合中心能级复合掉，从而导致反向电流的增加。导致反向电流的增加。 综上所述，综上所述，P-N结的反向电流包括体内扩散电流、势结的反向电流包括体内扩散电流、势垒产生电流和表面漏电流三种成分。垒产生电流和表面漏电流三种成分。 在实际在实际P-N结二极管中，往往是表面漏电流占了主要结二极管中，往往是表面漏电流占了主要地位。因此，在生产过

13、程中，如何减小表面漏电流成了地位。因此，在生产过程中，如何减小表面漏电流成了一个重要问题，通常可以从以下三个工艺角度加以考虑。一个重要问题，通常可以从以下三个工艺角度加以考虑。所选用的材料尽量避免掺杂不均匀、位错密度过高和所选用的材料尽量避免掺杂不均匀、位错密度过高和含有过多的有害杂质；含有过多的有害杂质；避免氧化层结构疏松和光刻中的针孔、小岛等问题；避免氧化层结构疏松和光刻中的针孔、小岛等问题；注意工艺洁净度，如去离子水和化学试剂的纯度，特注意工艺洁净度，如去离子水和化学试剂的纯度，特别应该注意减小钠离子的沾污。别应该注意减小钠离子的沾污。P-N结击穿结击穿 实验发现，对实验发现，对P-N结

14、施加的反向偏压增大到某一数值结施加的反向偏压增大到某一数值VBR时，反向电流密度突然开始增大，此现象称为时，反向电流密度突然开始增大，此现象称为P-N结结击穿。击穿。 Semiconductor Physics2022-5-841 Semiconductor Physics2022-5-842 Semiconductor Physics2022-5-844 当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的能量，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价

15、键能量，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴（第一代载流子）。势垒区中电子碰撞出来一个电子和一（第一代载流子）。势垒区中电子碰撞出来一个电子和一个空穴（第二代载流子），于是一个载流子变成了三个载个空穴（第二代载流子），于是一个载流子变成了三个载流子。这三个载流子在强电场作用下，还会继续发生碰撞，流子。这三个载流子在强电场作用下，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子产生第三代的电子-空穴对。空穴也如此产生第二代、第三空穴对。空穴也如此产生第二代、第三代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这

16、种繁代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流子的方式称为载流子的倍增效应。由于倍增效应，殖载流子的方式称为载流子的倍增效应。由于倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生流，从而发生P-N结击穿。这就是雪崩击穿的机理。结击穿。这就是雪崩击穿的机理。 雪崩击穿除了与势垒区中电场强度有关外，还雪崩击穿除了与势垒区中电场强度有关外，还与势垒区的宽度有关，因为载流子动能的增加，需与势垒区的宽度有关，因为载流子动能的增加，需要有一个加速过程，如果势垒区很薄，即使电场很要有一个加速过程，如果势垒区很薄，即使电场

17、很强，载流子在势垒区加速达不到产生雪崩倍增效应强，载流子在势垒区加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能，就不能产生雪崩击穿。所必须的动能，就不能产生雪崩击穿。 隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿机理。也称为齐纳击穿。的一种击穿机理。也称为齐纳击穿。 对于一定的半导体材料，势垒区中的电场越对于一定的半导体材料，势垒区中的电场越大，或隧道长度越短，则电子穿过隧道的几率越大，或隧道长度越短，则电子穿过隧道的几率越大。大。 一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。一般杂

18、质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。 杂质浓度高时，反向偏压不高的情况就能发生隧杂质浓度高时，反向偏压不高的情况就能发生隧道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。雪崩效应和隧道效应引起的击穿统称为雪崩效应和隧道效应引起的击穿统称为电击穿电击穿。 当当P-N结上施加反向电压时，流过结上施加反向电压时，流过P-N结的反向电结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。随着结温的上升，反