半导体器件原理(2)

1、哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学微电子学微电子学第二章第二章 PNPN结结平衡平衡PN结结nPN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。 平衡平衡PN结结nPN结的制造工艺和杂质分布1.合金法及其杂质分布 平衡平衡PN结结nPN结的制造工艺和杂质分布 2.扩散法及其杂质分布 平衡平衡PN结结nPN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平衡PN结结

2、n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 平衡平衡PN结结n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。 平衡平衡PN结结n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

3、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。 平衡平衡PN结结n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平衡平衡PN结结n平衡PN结载流子浓度分布 平衡平衡PN结结n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结的直流特性结的直流特性nPN结的正向特性1.P

4、N结的正向偏置及其能带图PN结的直流特性结的直流特性nPN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结的直流特性结的直流特性nPN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结的直流特性结的直流特性nPN结的正向特性3.正向PN结的少子浓度分布 非平衡

5、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结的直流特性结的直流特性nPN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，

6、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结的直流特性结的直流特性nPN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)(00kTqUppNnnpeLDpLDnAqIPN结的直流特性结的直流特性nPN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

7、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结的直流特性结的直流特性nPN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-XN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结的直流特性结的直流特性nPN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)

8、()1 () (0nLxpenxn)1 ()(0PLxNepxpPN结的直流特性结的直流特性nPN结的反向特性3.反向PN结电流的转换和传输 在XN-XN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-XN区。在XP-XP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-XP区。PN结的直流特性结的直流特性nPN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XN的右侧为

9、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XP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结的直流特性结的直流特性nPN结的伏安特性1.PN结的正、反向电压-电流关系PN结的直流特性结的直流特性nPN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结的直流特性结的直流特性n

10、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结的直流特性结的直流特性nPN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

11、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结空间电荷区的电场和宽度“耗尽层”近似：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。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结空间电荷区的电场和宽度n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结空间电荷区的电场和宽度n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结空间电荷区的电

12、场和宽度n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 xX P)1 ()()()(00NMSNDSNDXxExXqNxXqNxE(-XNx0) PN结空间电荷区的电场和宽度结空间电荷区的电场和宽度n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2102qNUUXADsmPN结空间电荷区的电场和宽度结空间电荷区的电场和宽度n突变结空间电荷

13、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21002qNUUXDsm20021msDXqNUUPN结空间电荷区的电场和宽度结空间电荷区的电场和宽度n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。 smjsjXqaxqaxE020282)(PN结空间电荷区的电场和宽度结空间电荷区的电场和宽度n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 smjsmjsm

14、jmmdXqaXqaXqaXUXUUU03030312824)2()2(31310)()12(UUqaXDjsmPN结的击穿特性结的击穿特性n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结的击穿特性结的击穿特性n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

15、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结的击穿特性结的击穿特性n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结的击穿特性结的击穿特性n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

16、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结的击穿特性结的击穿特性n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

17、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结的击穿特性结的击穿特性n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。nieffEcPN结的击穿特性结的击穿特性n雪崩击穿电压1.雪崩击穿条件 有效电离率和雪

18、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 XmeffdxIIM0011Xmeffdx01PN结的击穿特性结的击穿特性n雪崩击穿电压2.单边突变结的雪崩击穿电压 击穿时的临界电场强度雪崩击穿条件的电场强度（临界电场强度）为8108isAmBcqNEPN结的击穿特性结的击穿特性n雪崩击穿电压2.单边突变结的雪崩击穿电压 击穿电压与临界电场强度的关系为 202mBAsBEqNU 适用于各种半导体材料的单边突变结雪崩击穿电压的经验公式： 4316023101 . 160NEUgBPN结的击穿特性结的击穿特性n雪崩击穿电压3.线性缓变结的雪崩击穿电压线性

19、缓变结的雪崩击穿时的临界电场强度为 1522102636. 01 sjimBqacE 电场强度达到雪崩击穿时的临界电场强度时，外加电压U就是击穿电压23210932mBjsBEqaUPN结的击穿特性结的击穿特性n雪崩击穿电压4.实际扩散结的雪崩击穿电压 实际扩散结的雪崩击穿电压，在扩散层表面杂质浓度NS比较高，结深又比较浅时，可用突变结的雪崩击穿电压公式近似计算；而在NS较低，Xj较深的情况下，则可用线性缓变结的雪崩击穿电压公式计算。一般情况下，由于扩散结的杂质分布为高斯分布或余误差分布，要计算扩散结的雪崩击穿电压是比较复杂的。 PN结的击穿特性结的击穿特性n影响雪崩击穿电压的因素1.杂质浓度

20、对击穿电压的影响 如果衬底杂质浓度N0低或杂质浓度梯度小，则PN结的雪崩击穿电压就高。因为N0低（或小），意味着在同样的外加反向偏压下，空间电荷区宽度Xm较宽，最大电场强度EM较低，因而达到临界电场EmB所需加的电压就高。因此，要得到反向耐压高的PN结，可选用低掺杂的高阻材料做衬底，或通过深扩散以减小。 PN结的击穿特性结的击穿特性n影响雪崩击穿电压的因素2.雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系 如果N型外延层比较薄，则在较低的反偏压下，空间电荷区就扩展满了低掺杂半导体层（空间电荷区占满低掺杂半导体层的情况称为穿通，相应的电压为穿通电压），见图中的虚线，显然这时PN结还没有击穿。当反向偏压继续

21、增大时，空间电荷区就要进入杂质浓度很高的N+区。PN结的击穿特性结的击穿特性n影响雪崩击穿电压的因素2.雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系 在N+区中，只要空间电荷区宽度稍有增加，空间电荷数量就增加很多，因此空间电荷区的宽度基本上不随外加偏压增加而增大，但空间电荷区内电场强度随着偏压升高而增大。由N+层内新增加的空间电荷区发出的电力线均通过厚度为W的低掺杂区，所以该区各处电场强度的增加量都相同。随着反向偏压的增加，空间电荷区中E(x)函数曲线平行地向上移动。 PN结的击穿特性结的击穿特性n影响雪崩击穿电压的因素3.扩散结深对击穿电压的影响 用平面工艺制造的PN结，在杂质原子通过二氧化硅窗口从

22、表面向体内扩散的同时，也沿表面方向横向扩散。因此，扩散结的底部是一个平面；而其侧面近似为1/4圆柱形曲面，这部分结叫柱面结。如果扩散掩膜中有尖锐的角，则尖角附近结的形状近似为球面(1/8个球体），称为球面结。柱面结和球面结将会引起电场集中，电场强度比平面结大，因而在这些区域中先发生雪崩击穿，从而使击穿电压降低。最大电场强度为 （平面）（柱）（球）BBBUUUPN结的击穿特性结的击穿特性n影响雪崩击穿电压的因素 为了减小结深对击穿电压的影响，可采取下面一些措施： 深结扩散：增大曲率半径，减弱电场集中现象，从而提高雪崩击穿电压； 磨角法：将电场集中的柱面结和球面结磨去，形成台面PN结； 采用分压环

23、：环结与主结是同时扩散制成的，环结与主结的距离d较小。当对主结所加的反向电压U还低于主结的雪崩击穿电压UB时，主结的空间电荷区已经扩展到了环结（Xm=d），使主结和环结的空间电荷区连成一片。此时，若进一步增加反向偏压，所增加的电压在表面处附近将由环结承担。 PN结的击穿特性结的击穿特性PN结的击穿特性结的击穿特性n影响雪崩击穿电压的因素4.表面状态对击穿电压的影响 对于平面晶体管中的PN结来说，表面状态将在表面产生沟道效应对于P+N结来说，氧化层中的正电荷会在原来是N型半导体表面感应出负电荷，形成N+层，从而使表面层中的势垒宽度变薄，使击穿电压下降，对于PN+结来说，正电荷的感应会使P型半导体

24、表面变成N型层，扩散的N+区与表面反型层连在一起，造成了沟道漏电。PN结的电容效应结的电容效应nPN结的势垒电容PN结的电容效应发生在势垒区，所以常称为PN结势垒电容。 单边突变结势垒电容 2100)(2UUNqACDST线性缓变结缓变电容 31202)(12UUqaACDsjTPN结的电容效应结的电容效应nPN结的扩散电容 PN结电流是由P型扩散区中的电子扩散电流和N型扩散区中的空穴扩散电流组成的。这两部分电流都是非平衡少子的扩散电流，它们的增减与扩散区中作平衡载流子浓度梯度的增减相联系。要增大或减小载流子的浓度梯度，就要有载流子“充入”或“放出”扩散区。当PN结正向电压加大时，为了使正向电

25、流随着加大，扩散区就要积累更多的非平衡载流子。当正向电压减小时，为了使正向电流随着减小，积累在扩散区中的非平衡载流子就要减少。在扩散区中积累电荷量也随着外加电压而改变，PN结也可等效成一个电容，称为PN结的扩散电容。 PN结的电容效应结的电容效应nPN结的扩散电容 正向PN结的扩散电容CD为空穴扩散区电容CDP和电子扩散区电容CDN之和。 扩散电容随正向电压加大而呈指数增加，所以扩散电容和正向电流成正比，正向电流较大时，扩散电容也较大，将起主要作用。二极管和晶体管的开关特性与扩散电容有关。 kTqUnppNDNDPDeLnLpkTAqCCC)(002N结的电容效应结的电容效应nPN结的扩散电容

26、 PN结电流是由P型扩散区中的电子扩一散电流和N型扩散区中的空穴打散电流组成的。这两部分电流都是非平衡少子的扩散电流，它们的增减是与扩散区中作平衡载流子浓度梯度的增减相联系的。要增大或减小载流子的浓度梯度，就要有载流子“充入”或“放出”扩散区。因此，当PN结正向电压加大时，为了使正向电流随着加大，扩散区就要积累更多的非平衡载流子。而当正向电压减小时，为了使正向电流随着减小，积累在扩散区中的非平衡载流子就要减少。显然，在扩散区中积累电荷量也随着外加电压而改变，因而 PN结也可等效成一个电容，这个电容称为PN结的扩散电容。 PN结的开关特性结的开关特性n二极管的开关作用 在正向电压下PN结的电阻很

27、小，而在反向电压下电阻很大，利用这个特性就可以将二极管用做开关元件。 PN结的开关特性结的开关特性n二极管的静态开关特性（1）“开”态正向导通 把二极管当做一个理想的开关S，这只是一种近似的比拟，因为理想的开关在开的时候，电阻为零，开关上的压降也是零。而实际的二极管在正向导通时，它两端总会有一个“正向压降”，对于硅二极管，的数值大约为0.7 V左右。 PN结的开关特性结的开关特性n二极管的静态开关特性（2）“关”态反向截止 理想的“关”态应该是电阻无穷大，电流为零。然而二极管在反问截止时仍流过一定的反向漏电流。在正常情况下，硅PN结的反向漏电流很小，只有纳安（nA）数量级，它的数值越小越好。

28、PN结的开关特性结的开关特性n二极管的反向恢复时间 将处于正向导通的二极管从施加反向电压开始，一直到反向截止的过程称为反向恢复过程。 PN结的开关特性结的开关特性n二极管的反向恢复时间 反向恢复过程限制了二极管的开关速度。在图中，输入电压是一连串正负相间的脉冲。在脉冲的驱动下，二极管不断地开、关，如果负脉冲的持续时间T比二极管的反向恢复时间大得多，那么基本上可以得到理想波形。PN结的开关特性结的开关特性n二极管的反向恢复时间 如果T同差不多，甚至比 小，那么由于反向恢复过程的影响，输出波形就变成了图 (d)所示的形状，这时负脉冲并不能使二极管关断。所以，要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不能太

29、短，也就是脉冲的重复频率不能太高，这就限制了开关速度。 rrtPN结的开关特性结的开关特性nPN结的电荷贮存效应 正向导通时少数载流子积累的现象，叫电荷贮存效应，二极管的反向恢复过程就是由于电荷的贮存所引起的。贮存电荷的总量就是图中斜线部分的面积，正向电流越大，贮存的电荷量也越多，二极管的反向恢复时间就越长。反向恢复时间正是这部分贮存电荷的回流和复合消失所需的时间。 PN结的开关特性结的开关特性nPN结的电荷贮存效应 从变到的这段时间内，P区电子浓度仍大于其平衡电子浓度，此时PN结上的压降大于零，即尽管外加电压已由正跳至负，但由于内部载流子的贮存，P区边界处电子浓度仍大于其平衡浓度，二极管仍处

30、于正向导通状态，这段时间就是贮存时间。从曲线开始，边界处的电子浓度等于或小于平衡浓度，PN结由正向转至反向，电流逐渐减小。其分布如曲线时，二极管处于真正的反向状态，电流等于反向饱和电流，这一过程所需的时间就是下降时间，而从变到所需的总时间就是反向恢复时间。 PN结的开关特性结的开关特性n提高PN结开关速度的途径 1减小正向导通时非平衡载流子的贮存量减小正向导通时非平衡载流子的贮存量Q 减小Q的办法，一是减小正向电流，因为积累电子的浓度梯度由决定。越小，浓度梯度就小，电荷贮存量Q也越小。另一种办法是降低P区电子的扩散长度（也就是降低P区的少数载流子寿命）。如图所示，在同样的正向电流下，扩散长度越

31、小，则电荷贮存量Q也越小。 PN结的开关特性结的开关特性n提高PN结开关速度的途径2.加快贮存电荷量加快贮存电荷量Q消失的过程消失的过程 一是增大初始反向电流，即要求增大，减小R；二是减小P区的电子寿命，加快电子的复合速度。 金属金属-半导体接触的整流效应半导体接触的整流效应n金属-半导体接触的整流效应 如果在紧密接触的金属和半导体之间加上电压，由于表面势垒的作用，加正、反向电压时所产生的电流大小不同，即有整流效应。 金属和N型半导体接触时，在未加偏压（即平衡时）的情况下，金属-半导体接触的能带如图 (a)所示。当金属一边加正电压，半导体加负电压时，N型半导体中的势垒将降低，如图(b)所示，则从N型半导体流向金属的电子流大大增加，成为金属-半导体整流接触的正向电流