半导体器件原理-第二章课件

半导体器件原理

PrinciplesofSemiconductorDevices第一章：pn结二极管刘宪云xyliu@半导体器件原理

PrinciplesofSemicond统计物理能带理论双极晶体管pn结二极管肖特基二极管欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT从物理到器件引言统计物理能带理论双极晶体管pn结二极管肖特基二极管欧姆接触J同质结与异质结同型结与异型结

半导体器件接触的物理机制：-平衡时的能带图1、金属--半导体界面第一个被研究的半导体器件。可作为整流接触--肖特基势垒，或用作欧姆接触。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整流、开关及其他工作中。若再加一p型半导体，两个p-n结构成p-n-p双极晶体管。2、pn结半导体器件基础同质结与异质结半导体器件接触的物理机制：-平衡时的能带图1、3、异质结界面4、金属-绝缘体-半导体结构具有两种半导体各自的pn结都不能达到的优良光电特性适于制作高速开关器件、太阳能电池及半导体激光器等。若用氧化物代替绝缘体，可视为M-O-S界面。ULSL中最重要的MOSFET器件的基本结构。3、异质结界面4、金属-绝缘体-半导体结构具有两种半导体各自70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工艺包括以下主要的工艺技术：1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发明的离子注入工艺。1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发明的外延工艺。1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明的光刻工艺。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，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。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。70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工艺包括以氧化工艺：

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散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。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；

（2）作为MOS器件的绝缘栅材料；

（3）器件表面钝化作用；

（4）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。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。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扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，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-固扩散、双温区锑扩散。

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，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运离子注入技术：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（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。离子注入技术的特点：低温；可精确控制浓度和结深；可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；控制离子束的扫描区域,可实现选择注入,不需掩膜技术；设备昂贵。离子注入技术：外延工艺：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。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。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。外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。外延工艺：光刻工艺：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。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。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被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶.光刻工艺：采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程

(a)抛光处理后的n型硅晶片(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作

(c)光刻胶层匀胶及坚膜

（d)图形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片（f)腐蚀SiO2后的晶片

n-Si光刻胶SiO2N+采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(a)抛光处理后的n(g)完成光刻后去胶的晶片

(h)通过扩散（或离子注入）形成P-N结(i)蒸发/溅射金属

（j）P-N结制作完成

采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程P-SiN-SiSiO2N+(g)完成光刻后去胶的晶片(h)通过扩散（或离子注入）形成13电路符号PN结+引线+管壳=封装形成晶体二极管类型：面接触型点接触型平面型pn结二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。PN结面积大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。13电路符号pn结二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变半导体器件的特性与工作过程均与pn结有密切联系；稳压电路和开关电路利用pn结基本特性来工作。通过对pn结器件的分析建立在讨论其他半导体器件时经常用到的基本术语和概念；分析pn结的基本技巧也适用于研究其它半导体器件；理解和掌握pn结原理是学习半导体器件原理的关键。14半导体器件的特性与工作过程均与pn结有密切联系；14本章学习要点：pn结基本器件工艺；掌握平衡状态下pn结的特性：内建电势、内建电场及空间电荷区宽度等；掌握pn结二极管的I-V特性；了解pn结击穿。本章学习要点：1.1pn结的基本结构1.2pn结静态特性：平衡pn结1.3反偏1.4pn结电流1.5pn结的小信号模型1.6产生—复合电流1.7结击穿1.8隧道二极管16第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构16第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构17单晶材料掺入受主杂质原子掺入施主杂质原子净受主杂质Na净施主杂质Nd定义：在一块完整的硅片（锗片）上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。pn结简化图理想均匀掺杂pn结的掺杂剖面PN空穴扩散电子扩散1.1pn结的基本结构17单晶材料掺入受主杂质原子掺入施主pn结的形成P型和N型半导体交界处载流子的扩散pn结的形成P型和N型半导体交界处载流子的扩散带电粒子（电子和空穴）扩散→P区和N区原来的电中性被破坏→在交界面两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层pn结的形成带电粒子（电子和空穴）扩散→P区和N区原来的电中性被破坏→在pn结的形成过程pn结的形成热平衡条件下，每种粒子（电子与空穴）所受的“扩散力”与“电场力”相互平衡。pn结的形成过程pn结的形成热平衡条件下，每种粒子（电子与空空间电荷区扩散和漂移相互联系，又相互矛盾。多子扩散运动，少子漂移运动，两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结处于相对稳定状态。

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+根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽）。P区N区空间电荷区空间电荷区扩散和漂移相互联系，又相互矛盾。－－－－－－－－－少子漂移

扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结多子扩散

形成空间电荷区产生内电场

促使阻止少子扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结多子继续讨论扩散使空间电荷区加宽，内电场增强，同时对多数载流子扩散阻力增大，使少数载流子漂移增强；漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又促使多子扩散容易进行。当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。在平衡状态下，电子从N区到P区扩散电流必然等于从P区到N区的漂移电流；空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反。继续讨论扩散使空间电荷区加宽，内电场增强，同时对多数载流子扩继续讨论在无外电场或其他因素激发时，PN结处于平衡状态，没有电流通过，空间电荷区的宽度一定。

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，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区。扩散作用越强，耗尽层越宽。继续讨论在无外电场或其他因素激发时，PN结处于平衡状态，没有pn结的空间电荷区和内建电场均匀掺杂pn结空间电荷区的电场匀掺杂pn结空间电荷区的电势在内建电场的作用下，空间电荷区内不存在电子与空穴，因此空间电荷区又称为耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）。pn结的空间电荷区和内建电场均匀掺杂pn结空间电荷区的电场在小结浓度差多子扩散杂质离子形成空间电荷区内建电场阻止多子的进一步扩散促进少子的漂移动态平衡（平衡pn结）pn结的基本结构以及空间电荷区的形成过程小结浓度差多子扩散杂质离子形成空间电荷区内建电场阻止多子的进1.1pn结的基本结构1.2pn结静态特性：平衡pn结1.3反偏1.4pn结电流1.5pn结的小信号模型1.6产生—复合电流1.7结击穿1.8隧道二极管27第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构27第一章：pn结二极管1.2pn结静态特性：平衡pn结28无外加激励和无电流存在的热平衡状态下突变结的各种特性。零偏状态:V外=0

1.内建电势差

由PN结空间电荷区的形成过程可知，在达到平衡状态时，PN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积分就形成了一个内建电势差。

从能量的角度来看，在N型区和P型区之间建立了一个内建势垒，阻止电子进一步向P型区扩散，该内建势垒的高度即为内建电势差，用Vbi表示。1.2pn结静态特性：平衡pn结28无外加激励和无电流存在内建电势差pn结静态特性：平衡pn结内建电势差29内建电势差Vbi维持了n区多子电子与p区少子电子之间及p区多子空穴与n区少子空穴之间的平衡。pn结本征费米能级与导带底之间的距离是相等的，内建电势差可以由p区与n区内部费米能级的差值来确定。热平衡状态下pn结的能带图内建电势差pn结静态特性：平衡pn结内建电势差29对于平衡状态的pn结我们有：参照前边图中φFn、φFp的定义，可以知道：参照前边图中φFn、φFp的定义，可以知道：注意Nd、Na分别表示N区和P区内的有效施主掺杂浓度和有效受主掺杂浓度接触电势差的大小直接和杂质浓度、本征载流子浓度、以及热电压（温度及分布）相关。对照：费米能级和掺杂以及温度的关系本章开始Nd,Na分别指n区和p区内的净施主和受主浓度！！！对于平衡状态的pn结我们有：参照前边图中φFn、φFp的定例计算pn结中的内建电势差。硅pn结的环境温度为T=300K，掺杂浓度分别为Na=1×1018cm-3，Nd=1×1015cm-3。假设ni=1.5×1010cm-3。解：由内建电势差公式知：Vbi=Vtln(NaNd/ni2)∵Vt=kT/e=0.0259V(T=300K)

(k波尔兹曼常数=8.62×10-5eV/K)Na=1×1018cm-3

Nd=1×1015cm-3

ni=1.5×1010cm-3∴Vbi=0.754V

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。例计算pn结中的内建电势差。pn+-E-xp+xneNdeNa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泊松方程确定：其中φ为电势，E为电场强度，ρ为电荷密度，εs为介电常数。

从图可知，电荷密度ρ(x)为：耗尽区假设(假设空间电荷区在n区的x=+xn处及x=-xp处突然中止）平衡pn结电场强度ρpn+-E-xp+xneNdeNa内建电场由空间电荷区的电荷则p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0）：x=-xp时，E=0相应，n侧空空间电荷区电场：边界条件：x=xn时，E=0冶金结所在的位置，电场函数连续则p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p侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连续，即：-xpxneNdeNa-xpxnx=0E因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有关系：空间电荷区整体保持电中性空间电荷区主要向低掺杂一侧延伸np侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连续，即：-xpxneN根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势：确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=-xp处的电势为0，则可确定积分常数值C1’和p区内的电势值为：根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势：确定具体同样的，对n区内的电势表达式积分，可求出：当x=0时，电势值连续，因而利用p区电势公式可求出：同样的，对n区内的电势表达式积分，可求出：当x=0时，电势值pp0np0nn0pn0-xpxnx=0EpnΦ=0Φ=Vbi电势和距离是二次函数关系，即抛物线关系空间电荷区内的载流子浓度变化显然，x=xn时，Φ=Vbi，因而可以求出：pp0np0nn0pn0-xpxnx=0EpnΦ=0Φ=Vb空间电荷区宽度pn+-xp+xn由整体的电中性条件要求，我们已经知道：将该式代入用电势公式求出的Vbi式，可得到：空间电荷区宽度与掺杂浓度有关空间电荷区宽度pn+-xp+xn由整体的电中性条件要求，我们例计算pn结中的空间电荷区宽度和电场。硅pn结所处的环境温度为T=300K，掺杂浓度为Na=1016cm-3，Nd=1015cm-3

，ni=1.5×1010cm-3。解

Vbi=Vtln(NaNd/ni2)=0.635V

由xn和xp公式可知xn=0.864µm，xp=0.086µm

空间电荷区宽度为：

冶金结处的最大电场为：例计算pn结中的空间电荷区宽度和电场。冶金结处的最大电场热平衡状态下pn结处存在着空间电荷区和接触电势差;内建电场从n区空间电荷区边界指向p区空间电荷区，内建电场在p、n交界处最强;因为是热平衡状态，p区、n区及空间电荷区内具有统一的费米能级；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。p、n两侧的空间电荷总数量相等，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、因而又称为耗尽区；空间电荷区内形成内建电场，表现为电子的势垒，因而又称为势垒区空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关.pn结静态特性：平衡pn结热平衡状态下pn结处存在着空间电荷区和接触电势差;pn结静态pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi-xpxnEMaxpn结静态特性：平衡pn结电场强度pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi-x单边突变结：一侧高掺杂，而另一侧低掺杂的突变结p+n或pn+单边突变结空间电荷区主要向轻掺杂一侧扩展单边突变结的势垒主要降落在轻掺杂一侧单边突变结：一侧高掺杂，而另一侧低掺杂的突变结p+n或pn+

这一关系给出了内建电势差在p、n两侧的分配关系。这也解释了为什么对于单边突变结（p+n或pn+)来说，电压主要降落在轻掺杂一侧。外加电压同样会分配在pn结两侧，其分配比例不变。因为在同样的耗尽假设下，求解泊松方程的过程是完全相同的，只是将整个电场积分后的电势差Vbi代换为Vbi-Vapp这一关系给出了内建电势差在p、n两侧的分配关系。这也1.1pn结的基本结构1.2pn结静态特性：平衡pn结1.3反偏1.4pn结电流1.5pn结的小信号模型1.6产生—复合电流1.7结击穿1.8隧道二极管44第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构44第一章：pn结二极管在p区与n区之间加一个电势，则pn结就不能再处于热平衡状态。反偏状态下，外加电场方向和内建电场相同。反偏：在p、n区之间施加一个反向电压。反偏电压几乎全部施加于空间电荷区，而中性区电压几乎为01.3反偏在p区与n区之间加一个电势，则pn结就不能再处于热平衡状态。PN结加反向电压时的导电情况PN结加反向电压→→漂移电流＞扩散电流，耗尽层变宽→→反向电阻增大。此时：由于IS很小PN结相当于不导通，即称PN结截止！由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结加反向电压时的导电情况PN结加反向电压→→

外加电场的存在将会使得能带图中N型区的费米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量。此时，PN结上总的势垒高度增大为：空间电荷区宽度与电场外加电场的存在将会使得能带图中N型区的费米能级往下拉反偏pn结的空间电荷区宽度空间电荷量增大反偏电压空间电荷区电场增强势垒升高空间电荷区宽度增加将零偏时空间电荷区宽度公式中的Vbi用Vbi+VR=Vtotal代替，即可求出反偏时的空间电荷区宽度。空间电荷区宽度与电场反偏pn结的空间电荷区宽度空间电荷量增大反偏电压空间电荷区电空间电荷区的电场增强，电场强度和电荷的关系仍然如泊松方程所描述。由于xn和xp增大，因而最大场强也增大。将xn或xp中的Vbi替换为Vbi+VR可得到：

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泊松方程所描

加反偏电压后，pn结空间电荷区宽度、电荷量及电场的变化。类似于电容的充放电效果，因而反偏pn结可以表现为一个电容的特性。随着反偏电压的增加，空间电荷区的电荷量也随之增加。 加反偏电压后，pn结空间电荷区宽度、电荷量及电场的变化。类

势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当于PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。图01.09势垒电容的示意图势垒电容示意图

势垒电容（结电容）势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。图

势垒电容（结电容）势垒电容外加反偏电压增量dVR在n区形成额外正电荷；p区形成额外负电荷dQ’的单位是C/cm2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微分电荷势垒电容（结电容）势垒电容外加反偏电压增量dVR在n区

势垒电容（结电容）势垒电容的表达式为：势垒电容(耗尽层电容)n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C‘的表达式，我们发现可以看到，势垒电容的大小与εs(材料）、Vbi（掺杂水平）、Na、Nd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为空间电荷区宽度的平板电容势垒电容（结电容）势垒电容的表达式为：势垒电容(耗尽

单边突变结单边突变结：冶金结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的pn结。Na>>Nd时，这种结称为p+n结。54p+n结的势垒电容表达式简化为：总空间电荷区宽度：单边突变结单边突变结：冶金结一侧的掺杂浓度远大于另势垒电容和反偏电压有关系：可以看到，单边突变结的C-V特性可以确定轻掺一侧的掺杂浓度。这是C-V法测定材料掺杂浓度的原理。电容倒数的平方是外加反偏电压的线性函数势垒电容和反偏电压有关系：可以看到，单边突变结的C-V特性可1.1pn结的基本结构1.2pn结静态特性：平衡pn结；1.3反偏1.4pn结电流1.5pn结的小信号模型1.6产生—复合电流1.7结击穿1.8隧道二极管56第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构56第一章：pn结二极管1.4pn结电流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。定性推导：分析过程，处理方法定量推导：建立理想模型-写少子扩散方程，边界条件-求解少子分布函数-求扩散电流-结果分析。分析实际与理想公式的偏差，造成偏差的原因。当给pn结外加一个正偏电压时，pn结内就会产生电流。定性考虑pn结内电荷如何流动→给出pn结电流-电压关系的数学推导。1.4pn结电流将二极管电流和器件内部的工作机理、器件参1.4pn结电流58零偏（平衡）:pn结能带图电子和空穴在扩散过程中遇到势垒。势垒维持热平衡反偏:pn结能带图增高的势垒高度继续阻止电子与空穴的流动。Pn结内基本没有电流正偏:势垒降低，电场减弱，电子由n区经空间电荷区向p区扩散，同样也形成从p区向n区扩散的空穴流。电荷的流动在pn结内形成电流。通过pn结的能带图，可以定性的了解pn结电流的形成机制1.4pn结电流58零偏（平衡）:pn结能带图电子和1.热平衡状态电子从n区扩散到p区需有足够的能量克服“势垒”。只有少数能量高的电子能越过势垒到达p区，形成扩散流。P区的电子到达n区不存在势垒，但是少子，少数电子一旦进入耗尽层，内建电场就将其扫进n区，形成漂移流。热平衡：电子的扩散流=漂移流1.热平衡状态电子从n区扩散到p区需有足够的能量克服“势垒2.反向偏置势垒高度变高，n型一侧几乎没有电子能越过势垒进入p区，p区一侧有数目相同的电子进入耗尽层扫入n区，形成少子漂移流;同理n区的空穴漂移形成少子漂移流，因与少子相关，电流非常小;又因少子的漂移与势垒高度无关，所以反向电流与外加电压无关。2.反向偏置势垒高度变高，n型一侧几乎没有电子能越过势垒进3.加正偏电压PN结加正向电压时的导电情况（1）少子注入正向电压使 势垒区宽度变窄、

势垒高度变低外加电场与内建电场方向相反

空间电荷区中的电场减弱

破坏扩散与漂移运动间的平衡

扩散运动强于漂移运动

注入少子

注入的少子边扩散边复合（2）正向PN结中载流子的运动电流在N型区中主要由电子携带电流在P型区中主要由空穴携带通过PN结的电流存在电流载体转换的现象3.加正偏电压PN结加正向电压（1）少子注入Pn结的单向导电性

当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。

综上所述：可见，PN结具有单向导电性。Pn结的单向导电性综上所述：可见，PN结具有单向导电1.4pn结电流理想电流−电压关系理想p-n结的I-V关系的推导，满足以下条件假设：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-玻尔兹曼近似。3、复合小注入条件。4(a)、pn结内的电流值处处相等。4(b)、pn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。63与电流有关1.4pn结电流理想电流−电压关系理想p-n结的I-

理想电流−电压关系64理想电流−电压关系64计算流过p-n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。2、以边界处注入的过剩少子浓度作为边界条件，求解扩散区中载流子连续性方程——双极输运方程。得到过剩载流子分布表达式。3、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p-n结电流电压方程。65计算流过p-n结电流密度的步骤：65加正向偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱势垒降低空间电荷区缩短内建电场减弱扩散电流>漂移电流空间电荷区边界处少数载流子浓度注入P型一侧耗尽区边界X=-xp的电子浓度理想电流电压方程最重要的边界条件1。边界条件加正向偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱势垒降低空半导体器件原理-第二章课件偏置状态下p区空间电荷区边界处的非平衡少数载流子浓度注入水平和偏置电压有关n型一侧耗尽区边界X=xn的空穴浓度理想电流电压方程最重要的边界条件2。偏置状态下p区空间电荷区边界处的非平衡少数载流子浓度注入水平 注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步扩散和复合，因此公式给出的实际上是耗尽区边界处的非平衡少数载流子浓度。

上述边界条件虽然是根据pn结正偏条件导出的，但是对于反偏情况也是适用的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界处的少数载流子浓度基本为零。

注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步扩散和复合，因半导体器件原理-第二章课件少数载流子分布假设：中性区内电场为0无产生稳态pn结长pn结

理想电流−电压关系少数载流子分布——解双极输运方程小注入n型半导体双极输运方程：少数载流子分布理想电流−电压关系少数载流子分布——解双极输边界条件双极输运方程可以简化为：长pn结边界条件双极输运方程可以简化为：长pn结双极输运方程的通解为：从边界条件可以确定系数A=D=0，同时，在xn、x-p处的边界条件可以得出：双极输运方程的通解为：从边界条件可以确定系数A=D=0，同时 由此，我们可以得出PN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正偏反偏 由此，我们可以得出PN结处于正偏和反偏条件时，耗尽区边界处理想pn结电流pn结电流为空穴电流和电子电流之和空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值理想pn结电流因此耗尽区靠近N型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：在pn结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：利用前边求得的少子分布公式，可以得到耗尽区靠近N型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：因此耗尽区靠近N型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：在pn结在pn结正偏条件下，空穴电流密度是沿着x轴正向的，即从p型区流向N型区。类似地，我们可以计算出耗尽区靠近P型区一侧边界处电子的扩散电流密度为：利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：在pn结正偏条件下，上述电子电流密度也是沿着x轴正方向的。若假设电子电流和空穴电流在通过pn结耗尽区时保持不变，则流过pn结的总电流为：在pn结正偏条件下，空穴电流密度是沿着x轴正向的，即从p型区上式即为理想pn结的电流-电压特性方程，我们可以进一步定义Js为：则理想pn结的电流-电压特性可简化为：尽管理想pn结电流-电压方程是根据正偏pn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，反偏时，电流饱和为Js上式即为理想pn结的电流-电压特性方程，我们可以进一步定义J当PN结正偏电压远大于Vt时，上述电流－电压特性方程中的－1项就可以忽略不计。PN结二极管的I－V特性及其电路符号如下图所示。当PN结正偏电压远大于Vt时，上述电流－电压特性方程中的－1理想pn结模型的假设条件小注入条件注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多突变耗尽层条件注入的少子在p区和n区是纯扩散运动通过耗尽层的电子和空穴电流为常量不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用玻耳兹曼边界条件在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布理想pn结模型的假设条件

可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过PN结的总电流不变，二者之差就是多子的漂移电流。以N型区中的电子电流为例，它不仅提供向P型区中扩散的少子电子电流，而且还提供与P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PN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示。物理意义总结：

PN结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过PN结的总电流不在流过PN结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况。pn结的正偏电流实际上是复合电流少子扩散电流密度随距离指数衰减总电流与少子扩散电流的差值为多子电流在流过PN结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况。正偏电流图像当电流由P区欧姆接触进入时，几乎全部为空穴的漂移电流；空穴在外电场作用下向电源负极漂移； 由于少子浓度远小于多子浓度可以认为这个电流完全由多子空穴携带。空穴沿x方向进入电子扩散区以后，一部分与N区注入进来的电子不断地复合，其携带的电流转化为电子扩散电流；正偏电流图像 另一部分未被复合的空穴继沿x方向漂移，到达-xp的空穴电流，通过势垒区； 若忽略势垒区中的载流子产生-复合，则可看成它全部到达了xn处，然后以扩散运动继续向前，在N区中的空穴扩散区内形成空穴扩散流

在扩散过程中，空穴还与N区漂移过来的电子不断地复合，使空穴扩散电流不断地转化为电子漂移电流； 直到空穴扩散区以外，空穴扩散电流全部转化为电子漂移电流。忽略了少子漂移电流后，电子电流便构成了流出N区欧姆接触的正向电流。空穴电流与电子电流之间的相互转化，都是通过在扩散区内的复合实现的，因而正向电流实质上是一个复合电流。 另一部分未被复合的空穴继沿x方向漂移，到达-xp的空穴电流反偏电流图像pn在反向偏置下，

P区的多子空穴受外电场的作用向P区的欧姆接触负电极漂移，同时增强的空间电荷区电场也不断地把N区的少子空穴拉过来；N区的电子受外电场作用向N区的欧姆接触正电极漂移，同时空间电荷区自建电场亦不断地把P区的少子电子拉过来；N区边界xn处的空穴被势垒区的强电场驱向P区，而P区边界-xp处的电子被驱向N区，当这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来补充，形成反偏下的空穴扩散电流和电子扩散电流。这种情况好象少数载流子不断地被抽向对方，所以称为少数载流子的抽取。反偏电流图像N区的电子受外电场作用向N区的欧姆接触正电极漂移温度对pn结电流-电压特性的影响PN结工作时，PN结上消耗的功率转变成热量，使PN结的温度升高，温度升高引起本征载流子浓度增加，本征载流子浓度增加又使PN结电流增加，则PN结功耗增加，从而进一步引起结温升高。若PN结的散热性能不良，这种恶性循环可使温度升高到最高结温，PN结发生热击穿，直至烧毁。

温度效应：温度对pn结电流-电压特性的影响PN结工作时，PN结上消耗温度效应对PN结二极管正、反向I－V特性的影响温度升高，一方面二极管反向饱和电流增大，另一方面二极管的正向导通电压下降。理想PN结二极管的反向饱和电流密度JS是热平衡条件下少子浓度np0和pn0的函数，np0和pn0都与ni2成正比，对于硅pn结而言，温度每升高10度，Js增大4倍。温度效应对PN结二极管正、反向I－V特性的影响温度升高，一方pn结电流小结势垒高度和载流子浓度的对应关系偏压对空间电荷区边界处注入的非平衡载流子浓度的调制理想pn结电流-电压关系。在平衡时，自建电场的大小正好能阻止空穴和电子进一步扩散，使空间电荷区宽度保持一定。pn结电流小结PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–pn结具有单向导电性——pn结最基本的性质之一。PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－++++PN结变宽外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN结变宽外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于随着温度的升高，反偏饱和电流增大，相同正向电流下的偏压降低。利用温度特性可以制成对温度敏感的二极管，作为温度探测器件。但同时二极管的温度特性要求二极管要正确应用，避免形成温度正反馈导致烧毁。随着温度的升高，反偏饱和电流增大，相同正向电流下的偏压降低。1.1pn结的基本结构1.2pn结静态特性：平衡pn结；1.3反偏1.4pn结电流1.5pn结的小信号模型1.6产生—复合电流1.7结击穿1.8隧道二极管93第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构93第一章：pn结二极管前面一直讨论pn结的直流特性，但将具有pn结结构的半导体器件作用于线性放大器电路时，正弦信号就会叠加在直流电流与电压之上，（直流（Va）偏置下，加一正弦电压，流过二极管的电流I+i）此时pn结的小信号特性变得非常重要。1.5

pn结的小信号模型前面一直讨论pn结的直流特性，但将具有pn结结构的半导体器1.5pn结的小信号模型扩散电阻(增量电导)直流静态电流。增量电阻：随偏置电流的增加而减小。与I-V特性曲线斜率成反比95理想pn结二极管的电流-电压关系式两边乘以pn结的横截面积，则二极管电流：电压与电流无限小时，小信号增量电导就是直流电流-电压曲线的斜率，即若认为二极管的正偏电压足够大，则I-V关系中的（-1）项可以省略1.5pn结的小信号模型扩散电阻(增量电导)直流静pn结的电容势垒电容Cj：形成空间电荷区的电荷随外加电压变化.扩散电容Cd：pn结两边扩散区中，当加正向偏压时，有少子的注入，并积累电荷，它也随外电压的变化而变化，扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应。pn结的电容势垒电容Cj：形成空间电荷区的电荷随外加电压变化当PN处于正偏状态时，同样也会表现出一种电容效应。一个PN结正偏在直流电压Vdc上，同时又叠加了一个正弦交流电压，因此总的正向偏置电压可以表示为：可见偏置电压Va随时间而变化，因此注入的少子浓度也将随着时间而不断地发生变化。扩散电容：当PN处于正偏状态时，同样也会表现出一种电容效应。一个PN结在t0、t1、t2三个时刻，N型区一侧空间电荷区边界处少子空穴的浓度也在直流稳态的基础上叠加了一个随时间变化的交流分量。空穴由P型区注入N型区在t0、t1、t2三个时刻，N型区一侧空间电荷区边界处少子空空穴从耗尽区边界处开始将不断地向N型区中扩散，并在N型区中与多子电子相复合，假设交流电压信号的周期远大于过剩载流子往N型区中扩散所需的时间，因此空穴浓度在N型区中随空间位置的分布可以近似为一种稳态分布。交流电压为零，对应直流电压下的空穴浓度分布。对应交流电压达到正最大值时的空穴浓度分布。对应交流电压达到负最大值时的空穴分布。阴影区的面积则代表由于交流信号的周期性变化而引起的充放电电荷。空穴从耗尽区边界处开始将不断地向N型区中扩散，并在N型区中与对于电子由N型区注入到P型区中之后，过剩少子电子在P型区中的分布也表现出完全类似的情形。

这种空穴分布在N型区中的起伏（充放电）过程以及电子分布在P型区中的起伏（充放电）过程将导致电容效应，该电容称为PN结的扩散电容

它与反偏PN结耗尽区电容的物理机理完全不同，另外，正偏PN结的扩散电容>>PN结的势垒电容。小信号导纳:利用双极输运方程，我们可以求得PN结二极管的小信号导纳为：Ip0和In0分别是二极管中空穴电流和电子电流分量，τp0和τn0分别是N型区中过剩少子空穴和P型区中过剩少子电子的寿命对于电子由N型区注入到P型区中之后，过剩少子电子在P上式还可进一步改写为：称为PN结二极管的扩散电导，IDQ为二极管的直流偏置电流。Cd称为PN结二极管的扩散电容，即：在正偏电流比较大的条件下，PN结二极管的扩散电容往往起主要作用。上式还可进一步改写为：称为PN结二极管的扩散电导，IDQ为二由上式得出的等效电路如下图所示:

在此基础上，我们还需加上耗尽层电容的影响，该电容是与扩散电容和扩散电阻相并联的。另外，我们还必须考虑PN结两侧中性N型区和中性P型区寄生串联电阻的影响。PN结二极管的小信号等效电路模型可以根据其正偏条件下的小信号导纳公式得到：小信号等效电路模型扩散电阻扩散电容由上式得出的等效电路如下图所示:PN结二极管的小信号等效电路设PN结二极管两端外加电压为Vapp，真正降落在PN结耗尽区两侧的电压为Va，则有势垒电容电中性的p区与n区内的阻值扩散电容设PN结二极管两端外加电压为Vapp，真正降落在PN结耗尽区一个实际PN结二极管在正偏状态下的I－V特性

但是当外加正向偏置电压比较大使得正偏PN结电流也比较大时，寄生串联电阻的影响变得十分明显，这样就使得PN结二极管的特性与正常的指数关系有很大偏离。寄生串联电阻在小电流情况下基本上可以忽略不计一个实际PN结二极管在正偏状态下的I－V特性

但是当外加正向1.1pn结的基本结构1.2pn结静态特性：平衡pn结；1.3反偏1.4pn结电流1.5pn结的小信号模型1.6产生—复合电流1.7结击穿1.8隧道二极管105第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构105第一章：pn结二极管1.6产生-复合电流理想电流-电压方程忽略空间电荷区内的一切效应，由于空间电荷区内有其他电流成分，实际pn结的I-V特性会偏离其理想表达式。实际pn结的I-V特性：（1）正向电流小时，实验值远大于理论计算值（2）正向电流较大时，理论计算值比实验值大（3）正向电流更大时，J-V关系不是指数关系，而是线性关系（4）反向偏压时，实际反向电流比理论计算值大得多，而且随反向电压的增加略有增加。1.6产生-复合电流理想电流-电压方程忽略空间电荷区内的一载流子在PN结空间电荷区中可能发生产生－复合现象。在实际PN结空间电荷区中，载流子的产生－复合现象由SRH（肖克莱-里德-霍尔）复合理论给出，即：

n和p分别是电子和空穴的浓度。1.反偏PN结中的产生电流：当PN结处于反偏状态时，空间电荷区中可动载流子基本上处于耗尽状态，即n≈p≈0，因此上述复合率公式变为：载流子在PN结空间电荷区中可能发生产生－复合现象。在实际PN负号意味着在反向偏置的PN结耗尽区中实际上存在着电子－空穴对的净产生。

过剩电子和过剩空穴的复合过程实际上是一个恢复到热平衡状态的过程，而反偏PN结耗尽区中电子和空穴的浓度基本为零，因此其中电子－空穴对的净产生实际上也是一个恢复到热平衡状态的过程。

负号意味着在反向偏置的PN结耗尽区中实际上存在着电子－空穴对反偏PN结耗尽区中电子－空穴对的净产生过程

当电子－空穴对产生出来之后，立即就会被耗尽区中的电场拉向两侧，形成PN结中的反偏产生电流，这个反偏产生电流将构成PN结反向饱和电流的一部分(理想反向饱和电流仅仅是扩散电流)。反偏PN结耗尽区中电子－空穴对的净产生过程

当电子－空穴对产实际反偏PN结耗尽区中存在着净的产生率，产生电流密度为：

总的PN结反向偏置电流密度为理想的反向饱和电流密度与反偏产生电流密度之和，即：式中，Js与PN结反偏电压关系不大，而反偏产生电流密度则与耗尽区的宽度W有关，这是与反偏电压有关的，因此实际PN结总的反偏电流密度则是与反偏电压有关的。实际反偏PN结耗尽区中存在着净的产生率，产生电流密度为：

总正偏PN结中的复合电流：反偏PN结的耗尽区中，电子和空穴的浓度基本为零;正偏PN结中，电子和空穴要通过空间电荷区实现少子注入,因此在空间电荷区中会存在一定的过剩电子和过剩空穴，这些过剩电子和过剩空穴之间就会发生复合，形成耗尽区复合电流。按照电子和空穴的复合率公式：正偏PN结中的复合电流：将上式分子和分母同时除以CnCpNt，并利用过剩载流子寿命的定义，可得：

正偏PN结的能带图将上式分子和分母同时除以CnCpNt，并利用过剩载流子寿命的其中EFn和EFp分别是电子和空穴的准费米能级。按照准费米能级的定义，可得其中EFn和EFp分别是电子和空穴的准费米能级。按照准费米能由此可见在正偏PN结空间电荷区中有：

可见正偏PN结空间电荷区存在净的载流子复合，复合电流密度为：上式中W为正偏PN结中空间电荷区的宽度。PN结中总的正偏电流密度应该是空间电荷区复合电流密度与理想的扩散电流密度之和，即：总的PN结正偏电流：由此可见在正偏PN结空间电荷区中有：

可见正偏PN结空间电荷少子空穴在中性N型区中的分布

当空间电荷区中存在载流子复合时，由P型区中注入过来的空穴数目必须增加，这样才能维持中性N型区中少子空穴的浓度分布。少子空穴在中性N型区中的分布

当空间电荷区中存在载流子复合时PN结中总的正偏电流密度的变化关系

小电流区域，正偏PN结中以空间电荷区复合电流为主，而在大电流区域，则以理想PN结的扩散电流为主。一般情况下正偏PN结的电流为：其中n称为理想因子，一般介于1和2之间。PN结中总的正偏电流密度的变化关系

小电流区域，正偏PN结中1.1pn结的基本结构1.2pn结静态特性：平衡pn结；1.3反偏1.4pn结电流1.5pn结的小信号模型1.6产生—复合电流1.7结击穿1.8隧道二极管117第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构117第一章：pn结二极管1.7结击穿形成反偏pn结击穿的物理机制有齐纳击穿或隧道击穿（TunnelingorZenerBreakdown）雪崩击穿（AvalancheBreakdown）p--n结上加足够高（VB）的反向电场→反向电流急剧增加→pn结击穿，

VB称为击穿电压。IDmAV/VV(B)oReverseBreakdown1.7结击穿形成反偏pn结击穿的物理机制有p--n结上加雪崩击穿：

发生在掺杂浓度较低的PN结中，随着反向电压的增大，PN结内部电场增强，载流子的漂移速度相应加快，致使动能加大，当向电压增大到V(BR)

数值时，载流子获得的动能，足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生电子-空穴对获得动能、碰撞产生新的自由电子–空穴对获得动能、碰撞致使PN结中的载流子的数量急剧增多流过PN结的反向电流也就急剧增大。最重要的结击穿机制。雪崩击穿电压确定了大多数二级管反向偏压的上限。硅Pn结发生雪崩击穿的电场强度为105~106V/cm非破坏性可逆击穿雪崩击穿：发生在掺杂浓度较低的PN结中，随着反向齐纳击穿（隧道效应）

反向偏压升高P区价带顶高于N区导带底当势垒区宽度较小P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带形成电子空穴对，这种效应称“隧道效应”一般：隧道击穿的电压较低，其值随掺杂浓度降低而增大。如SiPN结，VB<4.5V雪崩击穿的电压较高，其值随掺杂浓度增大而减小。如SiPN结，VB>6.7V非破坏性可逆击穿P+区N+区势垒区ECEV反向偏置pn结二极管中齐纳击穿过程示意图发生在掺杂浓度较高的PN结中，当PN结两边的掺杂浓度很高时，PN结将变得很薄，此时碰撞机会很小，不容易发生碰撞电离。

齐纳击穿（隧道效应）P+区N+区势垒区ECEV反向偏置pn结电流倍增假设在x=0处，反偏电子电流In0进入耗尽区，由于雪崩效应的存在，电子电流In会随距离增大而增大，如图所示：在x=W处，电子电流Mn为倍增因子121雪崩击穿电压:倍增因子M趋近无限大时的电压.设耗尽区内电子或者空穴穿过结区产生一个电子空穴对的几率为P，则倍增因子：P=1时M=∞雪崩发生电流倍增Mn为倍增因子121雪崩击穿电压:倍增因子M趋近无低浓度雪崩，高浓度隧穿122单边pn结的临界电场随杂质掺杂浓度变化的函数曲线低浓度雪崩，高浓度隧穿122单边pn结的临界电场随杂质掺杂浓

齐纳击穿与雪崩击穿的区别1）掺杂浓度对二者的影响不同齐纳击穿取决于穿透几率，与禁带的水平间距有关，掺杂浓度越高，空间电荷区的宽度越窄，水平间距越小，易击穿。因此齐纳击穿通常只发生在两侧重掺杂的PN结中。雪崩击穿是碰撞电离，载流子能量的增加有一个过程，因此除了与电场强度有关之外，空间电荷区越宽，碰撞次数越多。因此，在掺杂浓度不高时的击穿通常是雪崩击穿。2）外界作用对二者击穿机理的影响不同：雪崩击穿是碰撞电离的结果，所以光照和快速的离子轰击能够引起倍增效应；但这些外界作用对齐纳击穿不会有明显的影响。

齐纳击穿与雪崩击穿的区别1）掺杂浓度对二者的影响不同3）温度对二者击穿机理的影响不同：齐纳击穿的击穿电压具有负温度系数特性，主要是由于禁带宽度的温度特性。而对于雪崩击穿，由于碰撞电离率随温度增加而降低，所以击穿电压是正温度系数特性。3）温度对二者击穿机理的影响不同：机理：隧道击穿取决于穿透隧道的几率

势垒区宽度要窄。雪崩击穿取决于碰撞电离

有一定的势垒区宽度。从实验上可区分这两种不同的电击穿。研究分析表明：

硅pn结：<4V隧道击穿

>6V雪崩击穿机理：从实验上可区分这两种不同的电击穿。研究分析表明：1.1pn结的基本结构1.2pn结静态特性：平衡pn结；1.3反偏1.4pn结电流1.5pn结的小信号模型1.6产生—复合电流1.7结击穿1.8隧道二极管126第一章：pn结二极管1.1pn结的基本结构126第一章：pn结二极管1.8隧道二极管隧穿效应：量子力学中，势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达另一边。隧穿发生的两个条件：势垒一边有填充态，另一边同能级有未填充态势垒宽度小于10-6cm1.8隧道二极管隧穿效应：量子力学中，势垒比较薄时，粒子能1.8隧道二极管128N区和p区都为简并掺杂的pn结称为隧道二极管N型材料的费米能级进入导带，p型材料的费米能级进入价带N区与p区均为简并掺杂的pn结的热平衡能带图隧道二极管势垒的三角形势垒近似1.8隧道二极管128N区和p区都为简并掺杂的pn结称为隧隧道二极管的伏安特性电流和电压间的变化关系与一般半导体二极管不同，当某一个极上加正电压时，通过管的电流先将随电压的增加而很快变大，但电压达到某一值后，忽而变小，小到一定值后又急剧变大；如果所加电压与前相反，电流则随电压的增加急剧变大。隧道二极管的伏安特性电流和电压间的变化关系与一般半导体二极管(a)零偏，结两边量子态相同，费米能级以下没有空量子态，以上没有电子占据，所以隧道电流为零；EFp(b)加很小正偏压，n区导带中的电子与p区价带中得空态直接对应，n区导带中的电子有可能穿过隧道到p区价带中，发生隧穿，形成正向电流；EFp130隧道二极管的电流-电压特性(a)零偏，结两边量子态相同，费米能级以下没有空量子态，以(c)继续增加势垒电压，势垒高度不断下降，更多的n区导带中的电子穿过隧道到p区空量子态，隧穿电流不断增大，当N区内的导带与p区内的价带中能量相同的量子态达到最多，隧穿电流达到最大值；EFp(d)偏压继续增大，势垒高度进一步降低，n区与p区中能量相同的量子态减少，隧穿电流下降，出现负阻；EFp(e)当电压达到一定值时，n区与p区中能量相同的量子态数为零，隧穿电流为零，但扩散电流仍存在EFp131隧道二极管的电流-电压特性(c)继续增加势垒电压，势垒高度不断下降，更多的n区导带中132p区价带中电子与n区导带中空量子态直接对应，因此电子从p区遂穿到n区，形成较大反偏电流，任何反偏电压都会形成反偏电流，随反偏电压的增大，反偏电流单调增大。加反偏电压的隧道二极管的能带图加反偏电压的隧道二极管的I-V特性加反偏电压132p区价带中电子与n区导带中空量子态直接对应，因此电子从小结PN结（结构？如何形成？特性？）结构（将P型半导体和N型半导体背靠背紧密排列，就可以形成PN结）为什么会形成空间电荷区？空间电荷区中的电流关系？空间电荷区存在电势差，称为内建电势差。空间电荷区宽度（当P型半导体和N型半导体掺杂浓度不一样时，会出现什么情况？）对称PN结和不对称PN结？

小结PN结（结构？如何形成？特性？）对称PN结和不对Pn结特性伏安特性—单向导电性（正向导通、反向截止）。什么是正向偏置？什么是反向偏置？在正向偏置下，空间电荷区如何变化？在反向偏置下，空间电荷区又如何变化？正向电流：多子扩散电流；反向电流：少子漂移电流原因？如何形成？浓度关系？即：为什么会产生单向导电性？Pn结特性温度特性PN结如何受温度影响？温度变化，伏安关系会如何变化？击穿特性击穿是什么？为何会产生？（在什么条件下才会产生击穿？）两种击穿：雪崩击穿和齐纳击穿。（产生机理？碰撞电离和场致击穿）（各自特点？）电容特性PN结电容有两部分组成：势垒电容和扩散电容。分别怎么产生和各自特点？温度特性二极管内容：组成结构—>特性—>参数—>等效电路（模型）—>分析—>应用1）结构利用PN结，从P区引出正极（阳极），从N区引出负极（阴极）。电路符号？2）特性（类似于PN结特性）区别在哪里？开启电压？导通电压？温度影响？温度变化，正向电压降如何变化？电流如何变化？伏安特性曲线？电流方程？3）参数4）等效电路（等效模型）--利用该模型来替代二极管直流模型：理想模型、常数压降模型、电池加电阻模型。在直流模型下，当二极管导通后，二极管正向压降就为它的导通电压。只能用于直流分析。二极管小信号模型：适用条件：1）分析叠加在直流信号上的交流信号之间关系的时候用；既分析△U和△I间的关系。2）该交流信号必须叠加在一个直流量上，即二极管上必须有一个直流量。3）输入信号为小信号。如果是大信号，则需要要利用二极管的电流方程来建立节点或回路方程来进行求解，但本书中通常假设为小信号。小信号模型：需要重点复习的内容：PN结，杂质分布，空间电荷区，空间电荷载流子分布：平衡载流子，非平衡载流子Fermi能级，准Fermi能级，平衡PN结能带图，非平衡PN结能带图非平衡PN结载流子的注入和抽取过剩载流子的产生与复合理想二极管的电流~电压关系长二极管与短二极管需要重点复习的内容：PN结，杂质分布，空间电荷区，空间电荷需掌握的基本公式内建电势差的公式及推导：单边突变结pn结的空间电荷分布，耗尽层宽度及结电容的计算：耗尽层宽度：当Na>>Nd时，结电容：需掌握的基本公式内建电势差的公式及推导：单边突变结pn结的空需要强调的公式Boltzmann关系输运方程Poisson方程内建电势需要强调的公式Boltzmann关系输运方程Poisson方空间电荷区边界在少子密度二极管I~V特性需要强调的公式空间电荷区边界在少子密度需要强调的公式142晶体二极管的单向导电性142晶体二极管的单向导电性TheendTheend半导体器件原理

PrinciplesofSemiconductorDevices第一章：pn结二极管刘宪云xyliu@半导体器件原理

PrinciplesofSemicond统计物理能带理论双极晶体管pn结二极管肖特基二极管欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT从物理到器件引言统计物理能带理论双极晶体管pn结二极管肖特基二极管欧姆接触J同质结与异质结同型结与异型结

半导体器件接触的物理机制：-平衡时的能带图1、金属--半导体界面第一个被研究的半导体器件。可作为整流接触--肖特基势垒，或用作欧姆接触。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整流、开关及其他工作中。若再加一p型半导体，两个p-n结构成p-n-p双极晶体管。2、pn结半导体器件基础同质结与异质结半导体器件接触的物理机制：-平衡时的能带图1、3、异质结界面4、金属-绝缘体-半导体结构具有两种半导体各自的pn结都不能达到的优良光电特性适于制作高速开关器件、太阳能电池及半导体激光器等。若用氧化物代替绝缘体，可视为M-O-S界面。ULSL中最重要的MOSFET器件的基本结构。3、异质结界面4、金属-绝缘体-半导体结构具有两种半导体各自70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工艺包括以下主要的工艺技术：1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发明的离子注入工艺。1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发明的外延工艺。1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明的光刻工艺。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，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。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。70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工艺包括以氧化工艺：

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散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。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；

（2）作为MOS器件的绝缘栅材料；

（3）器件表面钝化作用；

（4）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。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。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扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，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-固扩散、双温区锑扩散。

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，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运离子注入技术：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（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。离子注入技术的特点：低温；可精确控制浓度和结深；可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；控制离子束的扫描区域,可实现选择注入,不需掩膜技术；设备昂贵。离子注入技术：外延工艺：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。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。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。外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。外延工艺：光刻工艺：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。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。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被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶.光刻工艺：采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程

(a)抛光处理后的n型硅晶片(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作

(c)光刻胶层匀胶及坚膜

（d)图形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片（f)腐蚀SiO2后的晶片

n-Si光刻胶SiO2N+采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(a)抛光处理后的n(g)完成光刻后去胶的晶片

(h)通过扩散（或离子注入）形成P-N结(i)蒸发/溅射金属

（j）P-N结制作完成

采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程P-SiN-SiSiO2N+(g)完成光刻后去胶的晶片(h)通过扩散（或离子注入）形成156电路符号PN结+引线+管壳=封装形成晶体二极管类型：面接触型点接触型平面型pn结二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。PN结面积大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。13电路符号pn结二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变