半导体器件物理8

§1.7隧道电流1．PN结隧道效应当P区和N区均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透（代替越过）势垒而产生额外的电流，这种机制称为量子力学的隧道效应。在下列情况下可以出现隧道效应：费米能级位于导带或价带的内部；空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透率；在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。2．隧道结的电流-电压特性对于P区和N区都是重掺杂的PN结的电流-电压特性如图所示。正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升并达到一个极大值

，称为峰值电流，对应的正向电压

称为峰值电压。随后电压增加，电流反而减小，达到一极小值，称为谷值电流，对应的电压

称为谷值电压。当电压大于谷值电压

后，电流又随电压而上升。在

这段电压范围内，随着电压的增大电流反而减小的现象称为负阻。反向偏压时，反向电流随反向偏压的增大而迅速增加，由重掺杂的P区和

N区形成的

PN结通常称为隧道结，由这种隧道结制成的隧道二极管，由于它具有正向负阻特性而获得了很多用途。例如用于微波放大、高速开关、激光振荡源等。3．能带解释①在简并化的重掺杂半导体中，N型半导体的费米能级进入了导带，P型半导体的费米能级进入了价带。未加电压时，P区价带和N区导带虽然具有相同能量的量子态，但是N区和P区的费米能级相等，在结的两边，费米能级以下没有空量子态，费米能级以上的量子态没有电子占据，所以，隧道电流为零，对应于特征曲线上的点0。

（a）对应点0（e）对应点4（b）对应点1（c）对应点2（d）对应点3（f）对应点5（b）→（e）正向偏压逐渐增大（f）为反向偏压②加一很小的正向电压

时，N区能带相对于P区将升高，这时结两边能量相等的量子态中，P区价带的费米能级以上有空量子态，而N区导带的费米能级以下有量子态被电子占据，如图所示（b）。因此，N区导带中的电子可能穿过隧道到达P区价带中，产生从P区向N区的正向隧道电流，对应于特征曲线上的点1。③继续增大正向电压，势垒高度不断下降，有更多的电子从N区穿过隧道到达P区的空量子态，使隧道电流不断增大。当正向偏压增大到

时，这时P区的费米能级与N区导带底一样高，N区的导带和P区的价带中能量相同的量子态达到最多，如图（c）所示，N区导带中的电子可能全部穿过隧道到P区价带中的空量子态去，正向电流达到极大值

，这时对应于特征曲线的点2。④再继续增大正向电压，势垒高度进一步降低，在结两边能量相同的量子态开始减少，使N区导带中可能穿过隧道的电子数以及P区价带中可能接受穿过隧道的电子的空量子态均减少，如图（d）所示，这时隧道电流减小，出现负阻现象，对应特性曲线上点3。⑤正向偏压增大到

时，N区导带底和P区价带顶一样高，如图（e）所示，这时P区价带和N区导带中没有能量相同的量子态，因此不能发生隧道穿通，隧道电流应减少为零，对应特征曲线上点4。但实际上在

时正向电流并不完全为零，其数值要比下的正向扩散电流大得多，可能原因是，简并半导体能带边缘的延伸；通过禁带中的某些深能级所产生隧道效应。⑦加反向偏压时，P区能带相对N区能带升高，如图（f）所示。在结两边能量相同的量子态范围内，P区价带中费米能级以下的量子态被电子占据，而N区导带中费米能级以上有空的量子态。因此，P区中的价带电子可以穿过隧道到N区导带中，产生反向隧道电流。随着反向偏压的增加，P区价带中可以穿过隧道的电子数显著增加，故反向电流也迅速增加，如特性曲线上点5所示。可见，在隧道结中，即使反向电压很小时，反向电流也是比较大的，这与一般PN结不同。

⑥对硅、锗PN结来说，正向偏压大于

时，一般地扩散电流就开始成为主要的，这时隧道结和一般

PN结的正向特性基本一样。②工作温度范围大。由于隧道结用重掺杂的简并半导体制成，所以温度对多子浓度影响甚小，使隧道二极管的工作温度范围增大。4．隧道二极管特点①噪音较低。从前面分析知道，隧道结是利用多子隧道效应工作的，因为单位时间通过PN的多子数目起伏较小，所以隧道二极管的噪音较低。③工作频率高。由于隧道效应本质上是一种量子态跃迁的过程，电子穿过势垒极其迅速，不受电子渡越时间限制，使隧道二极管可以在极高频率下工作。§1.8PN结击穿实验发现，对PN结施加的反向偏压增大到某一数值时，反向电流突然开始迅速增大，这种现象称为PN结击穿。发生击穿时的反向偏压（图中）称为PN结的击穿电压。击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于载流子迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加。PN结击穿机制主要有3种：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。

1．雪崩击穿在较大的反向电压下，势垒区有很强的电场，通过势垒区的载流子，被高电场加速而获得很高能量，去撞击价带中的电子而产生电子-空穴对。新的电子和空穴又可被加速，去撞击价带电子，产生第二代电子-空穴对。这样雪崩式地繁衍下去，使PN结反向电流迅速增大而出现击穿现象，这就是雪崩击穿。要发生雪崩击穿，除了要有高电场强度外，还必须有较大的势垒宽度，因此，在PN结掺杂浓度不太高时，所发生的击穿往往是雪崩击穿。在器件设计工作中，常使用下面的经验公式作为雪崩击穿电压的近似估计。对于硅、锗、砷化镓和磷化镓几种材料，人们总结出以下通用公式。单边突变结雪崩击穿电压：线性缓变结雪崩击穿电压：

为单边突变结轻掺杂一侧的掺杂浓度；为杂质浓度梯度。对于单边突变结，低掺杂区杂质浓度越高则击穿电压越低。对于线性缓变结，杂质浓度梯度越大，则击穿电压越低。对于不同材料，禁带越窄则雪崩击穿电压越低。

2．隧道击穿当PN结势垒区较薄，在足够高的反向偏压下，使势垒能带倾斜到使N区导带底低于P区价带顶时，P区价带中的电子可以以隧道穿通的形式跨越禁带而进入N区导带形成隧道电流。当电压加大到使隧道几率达到一定程度时，反向电流急剧增加而发生隧道击穿。在高掺杂、势垒宽度小的PN结中易于产生这种击穿效应。因为最初是由齐纳提出来解释电介质击穿现象的，所以隧道击穿又称为齐纳击穿。PN结的反向电流在结中发生热损耗，当反向电流增大时，热损耗