半导体物理基础(6)PN结

半导体物理基础(6)PN结第一页，共75页。5.1FabricationOfp-nJunction1.AlloyedJunctions(合金结)2.DiffusedJunctions(扩散结)3.IonImplantation(离子注入)4.EpitaxialGrowth(外延生长)第二页，共75页。合金温度降温再结晶1.AlloyedJunctions(合金结)第三页，共75页。2.DiffusedJunctions(扩散结)第四页，共75页。

Conceptualexampleoftheuseofphotolithographytoforma

pnjunctiondiode.第五页，共75页。扩散系统第六页，共75页。3.IonImplantation(离子注入)第七页，共75页。第八页，共75页。分子束外延(MBE)超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)常压及减压外延(ATM&RPEpi)

外延(简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料4.EpitaxialGrowth(外延生长)方法：第九页，共75页。第十页，共75页。缓变结与突变结第十一页，共75页。5.2Equilibriump-nJunction1空间电荷区(Spacechargeregion)的形成(平衡状态下的结)刚接触，扩散》漂移（达到动态平衡）扩散=漂移内建电场漂移第十二页，共75页。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第十三页，共75页。阻挡层

耗尽区Depletionregion空间电荷区Spacechargeregion

当p型半导体和n型半导体接触在一起时,在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.第十四页，共75页。第十五页，共75页。Poisson’sequation:Inthep-region:所以Inthen-region:第十六页，共75页。及第十七页，共75页。EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。2能带图(Enerybanddiagram)第十八页，共75页。3.接触电势差(TheContactPotential)VD

平衡时第十九页，共75页。n型半导体中的电子浓度为p型半导体中的电子浓度为第二十页，共75页。*势垒高度~ND、NA第二十一页，共75页。4.空间电荷区宽度(Spacechargeregionwidth)

突变结第二十二页，共75页。第二十三页，共75页。第二十四页，共75页。第二十五页，共75页。5载流子分布(

Carrierdistributions)第二十六页，共75页。第二十七页，共75页。5.3.p-n结电流-电压特性1.势垒区的自由载流子全部耗尽,并忽略势垒区中载流子的产生和复合。I-Vcharacteristicofap-njunction现假设:

2.小注入:注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场可忽略。第二十八页，共75页。

外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使势垒两端的电势差由VD减小为（VD-Vf），相应地势垒区变薄。(1)正向偏置（Forwardbias）由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为-电注入第二十九页，共75页。SpacechargeregionNeutralregionDiffusionregion第三十页，共75页。平衡时正向偏置第三十一页，共75页。这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。P区空穴向n区扩散——空穴扩散电流n区电子向P区扩散——电子扩散电流第三十二页，共75页。

根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。考虑-xp截面：忽略了势垒区载流子的产生和复合：第三十三页，共75页。第三十四页，共75页。第三十五页，共75页。第三十六页，共75页。同理：第三十七页，共75页。-------肖克莱方程第三十八页，共75页。外加电场Vr与内建电场方向一致漂移>扩散(2)反向偏置（Reversebias）VD增大为（VD+Vr），相应地势垒区加宽第三十九页，共75页。

势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了反向扩散电流。第四十页，共75页。第四十一页，共75页。第四十二页，共75页。类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度

式中，Js不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。第四十三页，共75页。p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：正向：V=Vf反向：V=-Vr（3）I-Vcharacteristicofap-njunction第四十四页，共75页。p-n结的伏-安特性

单向导电性---整流Ge、Si、GaAs：0.3、0.7、1V

具有可变电阻性第四十五页，共75页。

温度影响大

单边突变结I-V特性由轻掺杂一边决定。第四十六页，共75页。影响p-n结伏-安特性的主要因素：产生偏差的原因：（1）正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。（2）在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。第四十七页，共75页。空间电荷区的复合电流第四十八页，共75页。空间电荷区的产生电流第四十九页，共75页。注入p+-n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布大注入扩散区产生内建电场第五十页，共75页。p-n结的直流伏-安特性表明：

1.具有单向导电性。

2.具有可变电阻性。特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。p-n结的交流特性表明:p-n结还具有可变电容的性质第五十一页，共75页。5.4.p-n结电容(Capacitanceofp-nJunctions)p-n结电容包括势垒电容和扩散两部分。（1）势垒电容CT由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应-势垒电容也称结电容（Junctioncapacitance）第五十二页，共75页。势垒电容对于线性缓变结对于突变结：第五十三页，共75页。对于突变结：第五十四页，共75页。其中:第五十五页，共75页。——扩散电容(2)扩散电容也称电荷存储电容（chargestoragecapacitance）第五十六页，共75页。第五十七页，共75页。第五十八页，共75页。CT与CD都与p-n结的面积A成正比，且随外加电压而变化。点接触式二极管面积很小，

CT、CD

：0.5—1pF面结型二极管中的整流管面积大，

CT、CD

：几十—几百pF第五十九页，共75页。点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底第六十页，共75页。

点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其PN结的静电容量小,适用于高频电路。因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线第六十一页，共75页。

面结型与点接触型二极管相比较，正向特性和反向特性好，因此，用于大电流和整流。负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金第六十二页，共75页。（3）总电容p-n结的总电容为两者之和：正向偏置p-n结时，以CD为主，Cj≈CD反向偏置p-n结时，以CT为主，Cj≈CT第六十三页，共75页。5.5.p-n结的击穿(Berakdown)

在反向偏置下，当反向电压很大时，p-n结的反向电流突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性--p-n结的击穿。第六十四页，共75页。p-n结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子-空穴对——碰撞电离。

(1)雪崩击穿(Avalancheberakdown)第六十五页，共75页。连锁反应，使载流子的数量倍增式的急剧增多，因而p-n结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。影响雪崩击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.2.势垒宽度:势垒宽度足够宽,击穿电压小3.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.4.温度:温度升高,击穿电压增大.第六十六页，共75页。(2)齐纳击穿(Zenerberakdown)或隧道击穿是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制.

根据量子力学的观点,当势垒宽度XAB足够窄时,将有电子穿透禁带.当外加反向电压很大时,能带倾斜严重,势垒宽度XAB变得更窄.造成很大的反向电流.使p-n结击穿.XDXAB第六十七页，共75页。影响齐纳击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.2.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.3.温度:温度升高,击穿电压下降..

齐纳击穿电压具有负的温度系数,而雪崩击穿电压具有正的温度系数,这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法.

掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿.相反,易发生雪崩击穿.(3)热击穿禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿.第六十八页，共75页。第六十九页，共75页。6.p-n结中的隧道效应

当p-n结的两边都是重掺杂时:(1)费米能级分别进入导带和价带.(2)势垒十分薄.

在外加正向或反向电压下,有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流.—隧道电流平衡时第七十页，共75页。加正向电压的情况加反向电压的情况第七十一页，共75页。隧道二极管的优点：温度影响小、高频特性良好第七十二页，共75页。7.p-n结的光生伏特效应

如果用hν>Eg的光照射具有p-n结结构的半导体表面,那么只要结的深度在光的透入深度范围内,光照的结果将在光照面和暗面之间产生光电压.—光生伏特效应.第七十三页，共75页