微电子器件第二章课件

1、第 2 章 PN 结P 区 NAN 区 ND PN结可分为 1）突变结, 或单边突变结； 2）线性缓变结。 突变结：P 区与 N 区的杂质浓度都是均匀的，杂质浓度在冶金结面（x = 0）处发生突变。当一侧的浓度远大于另一侧时，称为 单边突变结，分别记为 PN+ 单边突变结和 P+N 单边突变结。线性缓变结：冶金结面两侧的杂质浓度随距离作线性变化，杂质浓度梯度 a 为常数。 平衡状态：PN 结内部的温度均匀稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。 2.1 PN 结的平衡状态 重点：PN 结 空间电荷区的形成，PN 结的 内建电场、内建电势，及平衡时的 PN 结 空间电荷区宽度。 2.1.

2、1 空间电荷区的形成 平衡少子P 区： N 区： 利用 n0 p0 = ni2 的关系，可得 平衡多子P 区： N 区： 可见，空穴扩散：P 区 N 区电子扩散：P 区 N 区扩散电流方向为，P 区 N 区P 区N 区NA-ND+pp0 , np0nn0 , pn0 扩散电流： P 区 N 区 漂移电流： P 区 N 区 P 区留下 NA- ，N 区留下 ND+ ，形成 空间电荷区。空间电荷区产生的电场称为 内建电场，方向为由 N 区指向 P 区。电场的存在会引起漂移电流，方向为由 N 区指向 P 区。 达到平衡时，净电流 = 0 。于是就形成一个稳定的有一定宽度的空间电荷区。内建电场空间电荷

3、区P 区 N 区NA-ND+NA-pp0ND+nn0 耗尽近似：假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。 中性近似：假设耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度 ，因而保持电中性。这时这部分区域又可称为“中性区”。 2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度 1、耗尽近似与中性近似 P 区 N 区NA-ND+NA-pp0ND+nn0 对于 突变结，当采用耗尽近似后，在 N 区的耗尽区中，泊松方程为 2、内建电场同理，在 P 区耗尽区中求解泊松方程，得PN 在 x = 0 处，内建电场达到最大值，由上式可求出 N 区与 P 区的耗尽

4、区宽度 及 总的耗尽区宽度，式中， 称为 约化浓度。 3、耗尽区宽度 （2-6）（2-8）（2-7） 对内建电场作积分可得 内建电势（也称为 扩散电势）Vbi 4、内建电势 Vbi 与掺杂浓度、温度及半导体的种类有关。在通常的掺杂范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V，锗的 Vbi 约为 0.35V。 最后可得 对于 P+N 单边突变结，则以上各式可简化为 5、单边突变结的情形 对于 PN+ 单边突变结，以上各式又可简化为 可见，耗尽区主要分布在低掺杂的一侧， 与 也主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。 2.1.3 能带图N 区P 区 可见，导带电子从 N 区到 P 区必须克服一个高度为 q

5、Vbi 的势垒，空穴从 P 区到 N 区也必须克服一个同样高度的势垒，所以耗尽区也被称为“势垒区”。 2.1.4 线性缓变结 在线性缓变结中，杂质分布为 ND - NA = ax ， 耗尽近似下的泊松方程为 边界条件为 积分并应用边界条件后得电场分布为 内建电势 Vbi 为 将上面关于 与 的两个方程联立，可解得 上式中， PN 结在正向电压下电流很大 ，在反向电压下电流很小 ，这说明 PN 结具有单向导电性，可作为二极管使用。 2.2 PN 结的直流电流电压方程 PN 结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为面积为 Vbi 2.2.1 外加电压时载流子的运动情况 外加正向电压

6、 V 后，xd 与 减小，PN 结的势垒高度由 qVbi 降为 q(Vbi -V ) 。PNx0平衡时外加正向电压时外加电场内建电场面积为 Vbi-V 势垒高度降低后不能再阻止 N 区电子向 P 区的扩散 及 P 区空穴向 N 区的扩散，于是形成正向电流 。由于正向电流的电荷来源是多子，所以正向电流很大。xn-xp多子多子少子少子多子多子漂移漂移漂移漂移净扩散扩散扩散净扩散复合复合复合外加电场内建电场 外加反向电压 V (V kT/q 时， 当 V kT/q 时，Jd = -J0 室温下硅 PN 结的 J0 值约为 10-10A/cm2 的数量级。 由于当 V kT/q 后，反向电流达到饱和值

7、 I0 ，不再随反向电压而变化，因此称 I0 为 反向饱和电流 。IVI00 J0 乘以 PN 结的结面积 A ，得 4、反向饱和电流 对 J0 的讨论 与材料种类的关系：EG，则 ni，J0； 与掺杂浓度的关系：ND 、NA，则 pn0 、np0，J0， 主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度； 与温度 T 的关系：T ，则 ni，J0，因此 J0 具有正温系数。这是影响 PN 结热稳定性的重要因素。 2.2.4 势垒区产生复合电流已知在势垒区中，当外加电压 V 时， 可见： 当 V = 0 时，np = ni2 ，U = 0 ； 当 V 0 时，np ni2 ，U 0 ，发生净复合； 当 V 0

8、时，np ni2 ，U kT/q 时， 当 V kT/q 时， 2、势垒区产生复合电流 以 P+N 结为例，当外加正向电压且 V kT/q 时， 当 V 比较小时，以 Jr 为主； 当 V 比较大时，以 Jd 为主。 EG 越大，则过渡电压值就越高。 对于硅 PN 结，当 V 0.45V 时，以 Jd 为主。 3、扩散电流与势垒区产生复合电流的比较 外加反向电压且 |V| kT/q 时，两种反向电流的比值为 当温度较低时，以 Jg 为主， 当温度较高时，以 Jd 为主， EG 越大，则由以 Jg 为主过渡到以 Jd 为主的温度就越高。 2.2.5 正向导通电压 V(V)I (mA)0.20.4

9、0.624600.8硅锗 由于反向饱和电流 I0 的值极小，当正向电压较低时，正向电流很小，PN 结似乎未导通。只有当正向电压达到一定值时，才出现明显的正向电流。将正向电流达到某规定值（例如几百微安到几毫安）时的正向电压称为 正向导通电压，记作 VF 。 影响正向导通电压 VF 的因素 I0 = AJ0 越大，VF 就越小，因此， EG，则 I0，VF； NA 、ND，则 I0，VF，主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度； T ， 则 I0，VF，因此 VF 具有负温系数。 对 VF 影响最大的因素是 EG 。 锗 PN 结的 VF 约为 0.25 V ， 硅 PN 结的 VF 约为 0.7 V 。

10、 2.2.6 薄基区二极管薄基区二极管 是指PN 结的某一个或两个 中性区的长度小于少子扩散长度 。PNWB0 这时其扩散电流 Jd 会因为少子浓度的边界条件不同而有所不同。但势垒区产生复合电流 Jgr 的表达式无任何变化。 上图 N 型中性区内的非平衡少子浓度边界条件为薄基区二极管中的少子分布图 与厚基区二极管的扩散电流密度公式相比较，差别仅在于分别用 WB 、WE 来代替 Lp 、Ln 。 小注入条件：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远小于该区的平衡多子浓度。即： 2.3.3 大注入效应 1、小注入条件与大注入条件 N 区 大注入条件：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于该区的平衡多子浓

11、度。即N 区 2、大注入条件下的少子浓度边界条件 当 P 区发生大注入时在 -xp 处， 以上就是大注入下的结定律，注意与小注入时的结定律对比。 当 N 区发生大注入时在 xn 处，（2-90b）（2-90a）N 区 3、大注入条件下的自建电场 当 N 区发生大注入时，在耗尽区附近的 N 区中有 nn = pn ，但是由于电子不可能象空穴那样从 P 区得到补充，所以实际上电子的浓度梯度将略小于空穴的浓度梯度。 电荷在空间上的分离形成了一个电场 E ，它使空穴向右作漂移运动，加强了原有的扩散运动；同时使电子向左作漂移运动，抵消了原有的扩散运动 。利用 Jn = 0 的条件可求出 大注入条件下的自

12、建电场 E 。令得N 区 这相当于空穴电流 仍只由扩散电流构成，但扩散系数扩大了一倍。这个现象称为 Webster 效应。 4、大注入条件下的 PN 结电流 若 N 区发生大注入时的空穴电流为 同理，若 P 区发生大注入时的电子电流为（2-94）（2-95） 由此可见，当发生大注入时，PN 结的电流电压关系为 注入的程度取决于外加电压的大小 。设由小注入向大注入过渡的 转折电压（膝点电压）为 VK ,则通过令小注入和大注入的空穴电流密度表达式相等，可解得 N 区的转折电压为 5、转折电压 同理可得 P 区的转折电压为 2.4 PN 结的击穿 雪崩倍增 隧道效应 热击穿 击穿现象击穿机理：电击穿

13、 2.4.1 碰撞电离率和雪崩倍增因子 在耗尽区中，反向电压 就会使被碰撞的价带电子跃迁到导带，从而产生一对新的电子空穴对，这叫做 碰撞电离。 电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场 E 获得的能量为 1、碰撞电离率 一个自由电子（或空穴）在单位距离内通过碰撞电离产生的 新的电子空穴对的数目 称为电子（或空穴）的 碰撞电离率，记为 in（或 ip ）。 i 与电场 E 强烈有关，如下图所示 2、雪崩倍增因子 包括碰撞电离作用在内的流出耗尽区的总电流与未发生碰撞电离时的原始电流之比，称为 雪崩倍增因子，记为 M 。式中， 称为 电离率积分。 3、雪崩击穿条件 随着反向电压 ，这时发生雪崩击穿。由此可

14、得发生 雪崩击穿的条件 是 2.4.2 雪崩击穿 由于 i 随 E 的变化很剧烈，所以 对积分起主要作用的 只是电场峰值附近很小一部分区域。这个区域内 Emax 几乎不变，因此可以近似认为，当 Emax 达到某 临界电场 EC 时，即满足击穿条件，从而发生雪崩击穿。 雪崩击穿电压的近似计算方法 EC 与结的形式和掺杂浓度稍微有关，硅 PN 结的典型值为对于突变结，约化杂质浓度 N0 越低，VB 越高。 对于单边突变结，N0 就是低掺杂一侧的杂质浓度，因此 击穿电压也取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，则 VB 越高。 对于线性缓变结，杂质浓度梯度 a 越小，VB 越高。 4、击穿电压的测量

15、常采用类似于测量正向导通电压 VF 的方法。 3、雪崩击穿电压与温度的关系 雪崩击穿电压具有正温系数，即温度 T 上升时，VB 增大。 5、结的结构对雪崩击穿电压的影响（1）高阻区厚度的影响N+N-P+xdBW0 xWW（2） 结面曲率半径的影响 由扩散工艺所形成的 PN 结，在结面的四周和四角会形成柱面与球面。 结深 xj 越小，曲率半径就越小，电场就越集中，击穿电压VB 也就越低，且多发生在表面而不是体内。 6、提高雪崩击穿电压的措施 掺杂浓度要低、浓度梯度要小； 低掺杂区的厚度要足够厚； 结深要深； 2.4.3 齐纳击穿 1、隧道效应 由于电子具有波动性，可以有一定的几率穿过势垒。势垒越

16、薄，隧道效应就越明显。 由于存在隧道效应，使价带中不具有 EG 能量的 A 点电子可有一定的几率穿过隧道到达导带中的 B 点，从而进入 N 区形成反向电流。电子能量电子动能x 当掺杂浓度恒定而反向电压提高时，势垒区宽度 xd 增大，但因势垒区中的电场 |Emax| 增强，所以隧道长度 d 反而缩短。 当反向电压恒定而掺杂浓度增加时，势垒区宽度 xd 缩短，势垒区中的电场 |Emax| 增强，隧道长度 d 也缩短。 A、B 两点之间的隧道长度 d 可表为 随着反向电压的提高，|Emax| 增大，隧道长度 d 缩短，使得反向电流增大。当反向电压增大到使 |Emax| 达到临界值时，d 变得足够小

17、，使反向电流急剧增大 ，这种现象就称为 齐纳击穿 ，或 隧道击穿。 由量子力学可知，隧道电流可表为 2、齐纳击穿 一般说来，当 时为雪崩击穿，当 时为齐纳击穿。N0 或 a 较小时，xd 较大，d 较大，较易发生雪崩击穿； 3、两种击穿的比较雪崩击穿条件：齐纳击穿条件： 对于硅，这分别相当于 7V 和 5V 左右。 其余内容请参见表 2-3 。N0 或 a 较大时，xd 较小，d 较小，较易发生齐纳击穿。 反向电压 V功率 PC = V I0 结温 Tj I0 当 Tj 不受控制地不断上升时，将导致 PN 结的烧毁，这就是 热击穿。热击穿是破坏性的，不可逆的。 2.4.4 热击穿式中 V 为反

18、向电压，Tj 为 PN 结的结温。 防止热击穿最有效的措施是降低热阻 RT 。此外 ，半导体材料的禁带宽度 EG 越大，则 I0 越小，热稳定性就越好，因此硅 PN 结的热稳定性优于锗 PN 结。 由于 PN 结的反向电流 I0 极小 ，所以功率损耗 PC 也极小，一般并不容易发生热击穿。实际上热击穿往往发生在已经出现电击穿，因而反向电流比较大的情况下 。或者发生在正向时，因为正向电流不但很大，而且也有正的温度系数。 势垒电容 CT 2.5 PN 结的势垒电容PN 结电容扩散电容 CD 2.5.1 势垒电容的定义 当外加电压有 ( - V ) 的变化时，势垒区宽度发生变化，使势垒区中的空间电荷

19、也发生相应的 Q 的变化。P 区N 区 PN 结势垒微分电容 CT 的定义为 简称为 势垒电容。（2-126） 由于 xp 与 xn 远小于势垒区总宽度 xd ，所以可将这些变化的电荷看作是集中在势垒区边缘无限薄层中的面电荷。这时PN 结势垒电容就像一个普通的平行板电容器 ，所以势垒电容 CT 可以简单地表为 有时也将单位面积的势垒电容称为势垒电容。（2-127） P 区N 区 2.5.2 突变结的势垒电容 可见，CT 也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。 2.5.3 线性缓变结的势垒电容 2.6 PN 结的交流小信号特性与扩散电容 对于 P+N 单边突变结， 可见 CD 也是取决于低掺杂一侧的杂

20、质浓度。N 区：（同时产生） 扩散电容的物理意义P 区：（同时产生 ）P 区N 区势垒电容与扩散电容的比较 势垒区中电离杂质电荷随外加电压的变化率； 正负电荷在空间上是分离的； 与直流偏压成幂函数关系； 正偏反偏下均存在，可作电容器使用； 要使 CT， 应使 A，xd （N , 反偏）。 中性区中非平衡载流子电荷随外加电压的变化率； 正负电荷在空间上是重叠的； 与直流电流成线性关系，与直流偏压成指数关系； 只存在于正偏下； 要使 CD，应使 IF（A， 正偏）， 。 图中 gl 为 漏电导 ，取决于 PN 结的加工质量与清洁程度 ，rs 为 寄生串联电阻 。这两个都是非本征元件。 2.6.3 二极管