半导体器件物理(第二章 PN结)

course课程微电子技术专业第二章PN结2.1平衡PN结2.1.1PN结的形成与杂质分布合金法制造PN结N-GeN-GeN-GeInIn+GeP-GeXjNA-NDOxjxP型杂质SiO2光刻窗口P-SiN-SiN-SiN-Si氧化光刻扩散Xj扩散法制造PN结NA-NDOxjx2.1平衡PN结NA-NDOxjxP-SiN-SiXj离子注入法制造PN结2.1平衡PN结2.1.2PN结的能带图空间电荷区自建电场P区N区平衡PN结的形成P区和N区接触存在浓度差→扩散（复合）→出现空间电荷区→形成自建电场→漂移运动和扩散运动抵消→达到动态平衡2.1平衡PN结2.1平衡PN结P区N区PN结平衡PN结的能带图注意到费米能级是电子填充能级水平的标志，当两块半导体结合形成PN结时，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区，直到费米能级处处相等，PN结处于平衡状态。

P区N区2.1.3PN结的接触电势差与载流子分布PN结的接触电势差达到平衡状态时，如果P区和N区的电势差为UD，则两个区的电势能变化量为qUD，其中UD称为PN结的接触电势差，qUD就是势垒高度。2.1平衡PN结PN结载流子浓度分布空间电荷区中载流子浓度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两侧的中性区域，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层。2.1平衡PN结2.2PN结的直流特性2.2.1PN结的正向特性1.PN结的正向注入效应

PN结加正向偏压，在势垒区内产生一个外加电场，这个外加电场与原来的自建电场方向相反，因而削弱了势垒区中的电场强度。势垒区宽度变窄，势垒高度降低。非平衡少子注入后，在边界附近积累，形成从边界到内部浓度梯度，并向体内扩散，同时进行复合，最终形成一个稳态分布。扩散区中的少子扩散电流都通过复合转换为多子漂移电流。2.2PN结的直流特性2.正向PN结边界少子浓度我们看到，正向偏置的PN结边界处的少子浓度，等于体内平衡少子浓度乘上一个指数因子。也就是说，势垒区边界积累的少数载流子浓度随外加电压按指数规律增加。2.2PN结的直流特性3.PN结正向电流电压关系

空穴扩散电流密度

电子扩散电流密度

通过PN结的总的电流密度

2.2PN结的直流特性对于结面积为A的PN结，通过的正向电流为

通常写成

其中

可近似为

近似为

2.2PN结的直流特性2.2.2PN结的反向特性2.PN结的反向抽取作用

PN结加反向偏压，外加电场与自建电场方向相同，空间电荷区电场加强。势垒区宽度变大，势垒高度增加。2.2PN结的直流特性反偏时漂移作用占了优势，因此要把P区边界的电子拉到N区，把N区边界的空穴拉到P区去，而在P区内部的电子和N区内部的空穴就要跑到边界去补充，这样就形成了反向电流，方向是从N区指向P区。上述情况就好像是P区和N区的少数载流子不断地被抽出来，所以称为PN结的反向抽取作用。2.2PN结的直流特性用与正向PN结类似的方法，可以求出PN结反向电流为随着反向电压的增大，反向电流将趋于一个恒定，仅与少子浓度、扩散长度、扩散系数有关，我们称之为反向饱和电流。少数载流子浓度与本征载流子浓度平方成正比，并且随温度升高而快速增大，因此，反向扩散电流会随温度升高而快速增大。正向特性反向特性将PN结的正向特性和反向特性组合起来，就形成PN结的伏安特性，在正向偏压和反向偏压作用下，曲线是不对称的，表现出PN结具有单向导电性（或称为整流效应）。2.2PN结的直流特性2.2.3影响PN结伏安特性的因素正向PN结势垒区复合电流2.反向PN结势垒区产生电流势垒区产生电流有一个明显的特点，它不像反向扩散电流那样会达到饱和值，而是随着反向偏压增大而缓慢增加。复合电流减少了PN结中的少子注入，这是硅三极管小电流下电流放大系数下降的重要原因之一。2.2PN结的直流特性在推导正向电流公式时，采用了小注入的假设条件，即注入扩散区的非平衡少子浓度比平衡多子浓度小得多。但是当正向偏压较大时，注入扩散区的非平衡少子浓度可能接近或超过该区多子浓度，这就是大注入情况。肖克莱方程将偏离实际测量结果。3.大注入情况4.表面效应（1）表面复合和产生电流在硅和二氧化硅交界面处，往往存在着相当数量的、位于禁带中的能级，称为界面态或表面态。它们与体内的杂质能级相似，能接受、放出电子，可以起复合中心的作用。这样就引进了附加的复合和产生电流。2.2PN结的直流特性（2）表面沟道电流（3）表面漏电流反型层二氧化硅层中一般都含有一定数量的正电荷，当P型衬底的杂质浓度较低，二氧化硅膜中的正电荷较多时，衬底表面将形成N型反型沟道，这相当于增大了PN结的结面积，从而导致反向电流的增加。在PN结的生产过程中，硅片表面很可能沾污一些金属离子和水汽分子，这就相当于在PN结表面并联了一个附加的电导，从而引起表面漏电，使反向电流增加。2.2PN结的直流特性2.3PN结电容2.3.1PN结电容的成因及影响PN结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种P-N结的电容效应称为势垒电容。势垒电容随外加电压的变化，引起电子和空穴在扩散区内的存入和取出，由此产生的电容效应称为PN结的扩散电容。注意，P区和N区各有一个扩散电容。

扩散电容2.3PN结电容因此在交流电压的作用下，PN结的特性就不再是一个单纯的电阻了，它好象是一个电阻和两个电容的并联。所以，由于电容具有高通低阻的特性，如果给PN结外加一个交流电，在交变频率很低的时候，PN结有整流作用。如果逐步提高交变频率，PN结就失去了整流的作用。PN结电容的影响2.3PN结电容微分电容实验发现，PN结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化，表明它们是可变电容。为此，引入微分电容的概念来表示PN结的电容。PN结的直流偏压数值不同，微分电容也不同2.3PN结电容2.3PN结电容2.3.2突变结的势垒电容突变结势垒区的电场和宽度根据势垒区正、负电荷总量相等

上式表明，势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大。如果两边杂质浓度差异很大，势垒区主要是向杂质浓度较低的那一面扩散，这种PN结我们称之为单边突变结。

2.3PN结电容根据电学中的高斯定理，容易证明，从两个边界到交界面上，电场强度是线性变化的，交界面上的最大电场强度。可以算出势垒区宽度为：

NB表示轻掺杂一侧的杂质浓度

2.3PN结电容2.突变结的势垒电容可以改写为

对于单边突变结又可简化为

从上式可以看出：①减小结面积、降低轻掺杂一侧的杂质浓度减小结电容的途径。②势垒电容随外加电压而变化，可利用这一特性制作变容器件。

2.3PN结电容2.3.3扩散电容上式只近似适用于低频情况，进一步分析表明，扩散电容随频率的增大而减小。扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压下，扩散电容起主要作用。而加反向偏压时，扩散区中的少子浓度将低于平衡时的浓度，载流子电量随电压的变化很小，因此反偏时的扩散电容可以忽略。2.4PN结的击穿特性在PN结上加反向电压时，反向电流是随着反向电压的增大而微小地增加的，然后趋于饱和，这时的电流称为反向饱和电流。反向电压继续增大到某一定值时，反向电流就会剧增，这种现象叫做反向击穿。击穿特性2.4.1击穿机理1.雪崩击穿空间电荷区上存在着很强的电场。在势垒区里的电子和空穴都要受到电场的加速，具有很大的能量。这些高速运动的载流子在与硅晶格结点上的原子发生碰撞时，会破坏一个共价键，撞击一个出电子，同时产生一个空穴。由于倍增效应，引起载流子在数量上的大大增加，使反向电流猛然增加，引起PN结的击穿，这种击穿叫做雪崩击穿。

2.4PN结的击穿特性2.隧道击穿隧道击穿是在强电场作用下，由于隧道效应（P区价带中的电子有一定的几率直接穿透禁带而到达N区导带中），使大量电子从价带进到导带所引起的一种击穿现象。因为最初齐纳用这种现象解释电介质的击穿，故又称齐纳击穿。2.4PN结的击穿特性3.热击穿PN结工作时的热量不能及时传递出去，将引起结温上升，而结温上升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。

2.4PN结的击穿特性2.4.2雪崩击穿电压如图给出了突变结的雪崩击穿电压与低掺杂一侧杂质浓度的关系曲线，对N型和P型的材料都适用。杂质浓度决定了材料的电阻率，所以为了获得所需的击穿电压，原材料的电阻率要注意选择合适的数值。突变结击穿电压2.4PN结的击穿特性突变结击穿电压如图给出了线性缓变结与杂质浓度梯度的关系曲线。从图中可以看出，可以采用降低杂质浓度梯度的方法来提高击穿电压。雪崩击穿电压不光跟低掺杂区的杂质浓度或杂质浓度梯度有关，还跟材料的禁带宽度有关。在相同的条件下，禁带宽度大的材料，雪崩击穿电压高。

2.4PN结的击穿特性2.4.3影响雪崩击穿电压的因素杂质浓度的影响2.外延层厚度的影响如果外延层厚度小于PN击穿时的势垒区宽度，反向击穿电压将降低。2.4PN结的击穿特性柱面结和球面结区域都会发生电场集中效应，其电场强度要比平面结区域大，所以在这些区域首先会发生击穿，从而使PN结的击穿电压降低。这种效应在扩散结结深较小时，比较严重，因为结深越小，柱面和球面的曲率半径越小，结面弯曲越明显，电场强度更集中，更容易发生击穿。

3.扩散结结深的影响2.5PN结的开关特性2.5.1PN结的开关作用负脉冲输入0关态正脉冲输入0开态

PN结具有单向导电性，我们可利用其正反向电流相差悬殊这一特点，把它作为开关来使用。

2.5PN结的开关特性

当二极管的电压突然从正变到负时，电流将从正向的ID先变到一个很大的反向电流IR，然后再逐渐趋向反向漏电流IO。这称为反向恢复过程。

如果二极管是一个理想的开关，那么当正向电压变为反向电压时，流过二极管的电流就应当从正向比较大的数值