半導(dǎo)體器件原理-第二章

1、CCZU統(tǒng)計(jì)物理統(tǒng)計(jì)物理能帶理論能帶理論雙雙極極晶晶體體管管pn結(jié)二極管結(jié)二極管肖特基二極管肖特基二極管歐姆接觸歐姆接觸JFET、MESFET、MOSFET、HEMT引言引言u(píng)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)u同型結(jié)與異型結(jié)同型結(jié)與異型結(jié)1、金屬、金屬-半導(dǎo)體界面半導(dǎo)體界面第一個(gè)被研究的半導(dǎo)體器件。可作為第一個(gè)被研究的半導(dǎo)體器件。可作為整流接觸整流接觸-肖特基勢(shì)壘，或用作歐姆接肖特基勢(shì)壘，或用作歐姆接觸。也可以得到其他許多器件，如觸。也可以得到其他許多器件，如MESFET.具有整流特性，廣泛用于電子電路的具有整流特性，廣泛用于電子電路的 整流、開關(guān)及其他工作中。若再加一整流、開關(guān)及其他工作中。若再

2、加一 p型半導(dǎo)體，兩個(gè)型半導(dǎo)體，兩個(gè)p-n 結(jié)構(gòu)成結(jié)構(gòu)成 p-n-p雙極雙極晶體管。晶體管。2、pn結(jié)結(jié)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)3、異質(zhì)結(jié)界面、異質(zhì)結(jié)界面4、金屬、金屬-絕緣體絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)u具有兩種半導(dǎo)體各自的具有兩種半導(dǎo)體各自的pn結(jié)都不結(jié)都不能達(dá)到的優(yōu)良光電特性能達(dá)到的優(yōu)良光電特性u(píng)適于制作適于制作高速開關(guān)器件高速開關(guān)器件、太陽能太陽能電池電池及及半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器等。等。u若用氧化物代替絕緣體，可視為若用氧化物代替絕緣體，可視為M-O-S界面。界面。uULSL中最重要的中最重要的MOSFET器件的器件的基本結(jié)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)。o 70年代以來，年代以來，制備結(jié)的主要

3、技術(shù)制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅平面是硅平面工藝。硅平面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)：工藝包括以下主要的工藝技術(shù)： 1950年美國人奧爾（年美國人奧爾（R.Ohl）和肖克萊）和肖克萊(Shockley)發(fā)明的發(fā)明的離子注入工藝離子注入工藝。 1956年美國人富勒（年美國人富勒（C.S.Fuller）發(fā)明的）發(fā)明的擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝。 1960年盧爾（年盧爾（H.H.Loor）和克里斯坦森）和克里斯坦森(Christenson)發(fā)明的發(fā)明的外延工藝外延工藝。 1970年斯皮勒（年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特蘭尼）和卡斯特蘭尼(E.Castellani)發(fā)明的發(fā)明的光刻工藝光刻工藝。正是光

4、刻工藝的。正是光刻工藝的出現(xiàn)才使硅器件制造技術(shù)進(jìn)入平面工藝技術(shù)時(shí)代，出現(xiàn)才使硅器件制造技術(shù)進(jìn)入平面工藝技術(shù)時(shí)代，才有大規(guī)模集成電路和微電子學(xué)飛速發(fā)展的今天。才有大規(guī)模集成電路和微電子學(xué)飛速發(fā)展的今天。o 上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測(cè)試，封裝工上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測(cè)試，封裝工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。p 氧化工藝氧化工藝：1957年人們發(fā)現(xiàn)硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質(zhì)向硅內(nèi)擴(kuò)年人們發(fā)現(xiàn)硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質(zhì)向硅內(nèi)擴(kuò)散的作用。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了硅平面工藝技術(shù)的出現(xiàn)。散的作用。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了硅平面工藝技術(shù)的出現(xiàn)。p 在集成電路中二

5、氧化硅薄膜的作用主要有以下五條：在集成電路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五條：（1）對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用；）對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用；（2）作為）作為MOS器件的絕緣柵材料；器件的絕緣柵材料；（3）器件表面鈍化作用；）器件表面鈍化作用；（4）集成電路中的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)；）集成電路中的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)；（5）集成電路中電容器元件的絕緣介質(zhì)。）集成電路中電容器元件的絕緣介質(zhì)。p 硅表面二氧化硅薄膜的生長(zhǎng)方法：熱氧化和化學(xué)氣相硅表面二氧化硅薄膜的生長(zhǎng)方法：熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。沉積方法。擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝：由于熱運(yùn)動(dòng)，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向：由于熱運(yùn)動(dòng)，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處

6、運(yùn)動(dòng)，使其趨于均勻的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。濃度低處運(yùn)動(dòng)，使其趨于均勻的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。常用擴(kuò)散工藝：液態(tài)源擴(kuò)散、片狀源擴(kuò)散、固常用擴(kuò)散工藝：液態(tài)源擴(kuò)散、片狀源擴(kuò)散、固- -固擴(kuò)散、雙固擴(kuò)散、雙溫區(qū)銻擴(kuò)散。溫區(qū)銻擴(kuò)散。液態(tài)源擴(kuò)散工藝：使保護(hù)氣體（如氮?dú)猓┩ㄟ^含有擴(kuò)散雜液態(tài)源擴(kuò)散工藝：使保護(hù)氣體（如氮?dú)猓┩ㄟ^含有擴(kuò)散雜質(zhì)的液態(tài)源，從而攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)散爐中。在高質(zhì)的液態(tài)源，從而攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)散爐中。在高溫下雜質(zhì)蒸汽分解，在硅片四周形成飽和蒸汽壓，雜質(zhì)原溫下雜質(zhì)蒸汽分解，在硅片四周形成飽和蒸汽壓，雜質(zhì)原子通過硅片表面向內(nèi)部擴(kuò)散。子通過硅片表面向內(nèi)部擴(kuò)散。離子注入技術(shù)：離子注入

7、技術(shù)： 將雜質(zhì)元素的原子離化變成帶電的雜質(zhì)離子，在強(qiáng)電將雜質(zhì)元素的原子離化變成帶電的雜質(zhì)離子，在強(qiáng)電場(chǎng)下加速，獲得較高的能量（場(chǎng)下加速，獲得較高的能量（1萬萬-100萬萬eV）后直接轟擊）后直接轟擊到半導(dǎo)體基片（靶片）中，再經(jīng)過退火使雜質(zhì)激活，在半到半導(dǎo)體基片（靶片）中，再經(jīng)過退火使雜質(zhì)激活，在半導(dǎo)體片中形成一定的雜質(zhì)分布。導(dǎo)體片中形成一定的雜質(zhì)分布。離子注入技術(shù)的特點(diǎn)：離子注入技術(shù)的特點(diǎn)：o低溫；低溫；o可精確控制濃度和結(jié)深；可精確控制濃度和結(jié)深；o可選出一種元素注入，避免混入其它雜質(zhì)；可選出一種元素注入，避免混入其它雜質(zhì)；o可在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；可在較大面積上形成薄而均勻的摻

8、雜層；o控制離子束的掃描區(qū)域控制離子束的掃描區(qū)域,可實(shí)現(xiàn)選擇注入可實(shí)現(xiàn)選擇注入,不需掩膜技術(shù)；不需掩膜技術(shù)；o設(shè)備昂貴。設(shè)備昂貴。外延工藝：外延工藝：l 外延是一種薄膜生長(zhǎng)工藝，外延生長(zhǎng)是在單晶襯底上外延是一種薄膜生長(zhǎng)工藝，外延生長(zhǎng)是在單晶襯底上沿晶體原來晶向向外延伸生長(zhǎng)一層薄膜單晶層。沿晶體原來晶向向外延伸生長(zhǎng)一層薄膜單晶層。l 外延工藝可以在一種單晶材料上生長(zhǎng)另一種單晶材料外延工藝可以在一種單晶材料上生長(zhǎng)另一種單晶材料薄膜。薄膜。l 外延工藝可以方便地可以方便地形成不同導(dǎo)電類型，外延工藝可以方便地可以方便地形成不同導(dǎo)電類型，不同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外延層。不同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外

9、延層。l 外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外延外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、熱壁外延（）、熱壁外延（HWE）、原子層外延技術(shù)。）、原子層外延技術(shù)。光刻工藝光刻工藝：l 光刻工藝是為實(shí)現(xiàn)選擇摻雜、形成金屬電極和布線，表光刻工藝是為實(shí)現(xiàn)選擇摻雜、形成金屬電極和布線，表面鈍化等工藝而使用的一種工藝技術(shù)。面鈍化等工藝而使用的一種工藝技術(shù)。l 光刻工藝的基本原理是把一種稱為光刻膠的高分子有機(jī)光刻工藝的基本原理是把一種稱為光刻膠的高分子有機(jī)化合物（由光敏化合物、樹脂和有機(jī)溶劑組成）涂敷在化合物（由光敏化合物、樹脂和有機(jī)溶劑組成）涂敷在半導(dǎo)體晶片表面上。受特定波長(zhǎng)光線的照射后，光刻

10、膠半導(dǎo)體晶片表面上。受特定波長(zhǎng)光線的照射后，光刻膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。l 如果光刻膠受光照（曝光）的區(qū)域在顯影時(shí)能夠除去，如果光刻膠受光照（曝光）的區(qū)域在顯影時(shí)能夠除去，稱之為正性膠；反之如果光刻膠受光照的區(qū)域在顯影時(shí)稱之為正性膠；反之如果光刻膠受光照的區(qū)域在顯影時(shí)被保留，未曝光的膠被除去稱之為負(fù)性膠被保留，未曝光的膠被除去稱之為負(fù)性膠.o 采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程 N Si N+ (a)(a)拋光處理后的拋光處理后的n n型硅晶片型硅晶片 N+ (b)(b)采用干法或濕采用干法或濕法氧化工藝的晶片法氧化工藝的晶片氧化層制作氧化層制作 光刻膠 N Si SiO

11、2 N+ (c)(c)光刻膠層勻光刻膠層勻膠及堅(jiān)膜膠及堅(jiān)膜 （d)d)圖形掩膜、曝光圖形掩膜、曝光 光刻膠 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+ (e)(e)曝光后去掉擴(kuò)曝光后去掉擴(kuò)散窗口膠膜的晶片散窗口膠膜的晶片（f)f)腐蝕腐蝕SiOSiO2 2后后的晶片的晶片 n Si光刻膠SiO2N+N Si SiO2 N+ N Si SiO2 N+P Si N Si SiO2金屬 N+N Si P Si SiO2金屬 金 屬 N+(g)(g)完成光刻后去膠完成光刻后去膠的晶片的晶片 (h)(h)通過擴(kuò)散（或離子注入）通過擴(kuò)散（或離子注入）形成形成 P-NP-N結(jié)結(jié)(i)(i)蒸發(fā)蒸發(fā)/ /濺射金

12、屬濺射金屬 （j j） P-N P-N 結(jié)制作完成結(jié)制作完成 采用硅平面工藝制備結(jié)的主要工藝過程采用硅平面工藝制備結(jié)的主要工藝過程 P SiN SiSiO2N+13o 電路符號(hào)電路符號(hào)n PNPN結(jié)結(jié)+ +引線引線+ +管殼管殼= =封裝形成晶體二極管封裝形成晶體二極管 類型：類型：o 面接觸型面接觸型 o 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 o 平面型平面型pn結(jié)二極管PN結(jié)面積小，結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高檢波和變頻等高頻電路。頻電路。PN結(jié)面積大，用于結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。工頻大電流整流電路。用于集成電路制造用于集成電路制造工藝中。工藝中。PN 結(jié)面結(jié)面積可大可小，用

13、于積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電高頻整流和開關(guān)電路中。路中。o半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體器件的特性與工作過程特性與工作過程均與均與pn結(jié)有密切聯(lián)系；結(jié)有密切聯(lián)系；o穩(wěn)壓電路和開關(guān)電路穩(wěn)壓電路和開關(guān)電路利用利用pn結(jié)基本特性來工作。結(jié)基本特性來工作。o通過對(duì)通過對(duì)pn結(jié)器件的分析結(jié)器件的分析n 建立建立在討論其他半導(dǎo)體器件時(shí)經(jīng)常用到的在討論其他半導(dǎo)體器件時(shí)經(jīng)常用到的基本術(shù)語和基本術(shù)語和概念概念；n 分析分析pn結(jié)的基本技巧結(jié)的基本技巧也適用于研究也適用于研究其它半導(dǎo)體器件其它半導(dǎo)體器件；o理解和掌握理解和掌握pn結(jié)原理結(jié)原理是是學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件原理半導(dǎo)體器件原理的關(guān)鍵的關(guān)鍵。o本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：本章學(xué)習(xí)

14、要點(diǎn)：opn結(jié)基本器件工藝；結(jié)基本器件工藝；o掌握掌握平衡狀態(tài)下平衡狀態(tài)下pn結(jié)的特性：內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建結(jié)的特性：內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電場(chǎng)及空間電荷區(qū)寬度等；電場(chǎng)及空間電荷區(qū)寬度等；o掌握掌握pn結(jié)二極管的結(jié)二極管的I-V特性；特性；1.了解了解pn結(jié)擊穿。結(jié)擊穿。1.1 pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)結(jié)的基本結(jié)構(gòu)1.2 pn結(jié)靜態(tài)特性：結(jié)靜態(tài)特性：平衡平衡pn結(jié)結(jié)1.3 反偏反偏1.4 pn結(jié)電流結(jié)電流1.5 pn結(jié)的小信號(hào)模型結(jié)的小信號(hào)模型1.6 產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合電流復(fù)合電流1.7 結(jié)擊穿結(jié)擊穿1.8 隧道二極管隧道二極管第一章：第一章：pn結(jié)二極管結(jié)二極管單晶材料單晶材料摻入受主摻入受主雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子摻入施主摻

15、入施主雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子凈受主雜質(zhì)凈受主雜質(zhì)Na凈施主雜質(zhì)凈施主雜質(zhì)Nd在一塊完整的硅片（鍺片）上，用不同的在一塊完整的硅片（鍺片）上，用不同的摻雜工藝摻雜工藝使其一使其一邊形成邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了交界面附近就形成了PN結(jié)。結(jié)。pn結(jié)簡(jiǎn)化圖結(jié)簡(jiǎn)化圖理想均勻摻雜理想均勻摻雜pn結(jié)的摻雜剖面結(jié)的摻雜剖面PN空穴擴(kuò)散空穴擴(kuò)散電子擴(kuò)散電子擴(kuò)散P型和型和N型半導(dǎo)體交界處載流子的擴(kuò)散型半導(dǎo)體交界處載流子的擴(kuò)散o 帶電粒子（電子和空穴）擴(kuò)散帶電粒子（電子和空穴）擴(kuò)散P區(qū)和區(qū)和N區(qū)原來的區(qū)原來的電中性被破壞電中性

16、被破壞在交界面兩側(cè)形成一個(gè)不能移動(dòng)在交界面兩側(cè)形成一個(gè)不能移動(dòng)的帶異性電荷的離子層的帶異性電荷的離子層pn結(jié)的形成過程結(jié)的形成過程熱平衡條件下，每種粒子（電子與熱平衡條件下，每種粒子（電子與空穴）所受的空穴）所受的“擴(kuò)散力擴(kuò)散力”與與“電場(chǎng)電場(chǎng)力力”相互平衡。相互平衡?？臻g電荷區(qū)空間電荷區(qū)擴(kuò)散和漂移相互聯(lián)系，又相互矛盾擴(kuò)散和漂移相互聯(lián)系，又相互矛盾。 多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ，少子漂移運(yùn)動(dòng)，少子漂移運(yùn)動(dòng) ，兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平，兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來，衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來，PN結(jié)處于相對(duì)穩(wěn)結(jié)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。定狀態(tài)。 + + + + + + + + + + +

17、+ + + + + + + + + 根據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高的根據(jù)擴(kuò)散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散，自由電子要從濃度高的自由電子要從濃度高的N區(qū)向區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生區(qū)擴(kuò)散，并在交界面發(fā)生復(fù)合復(fù)合(耗盡）。耗盡）。 P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)少子少子漂移漂移 擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的形成一定寬度的PN結(jié)結(jié) P 區(qū) N 區(qū) 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 多子多子擴(kuò)散擴(kuò)散 形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng) P 區(qū) 空間電荷區(qū) N 區(qū) PN 結(jié)及其內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)方向 ，對(duì)多數(shù)載對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散阻力增大，使少數(shù)載流子漂移增強(qiáng)；

18、流子擴(kuò)散阻力增大，使少數(shù)載流子漂移增強(qiáng)；，又促使多子擴(kuò)散容易進(jìn)，又促使多子擴(kuò)散容易進(jìn)行。行。o 當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)，當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)，PN結(jié)便處于結(jié)便處于狀態(tài)狀態(tài)。n 在平衡狀態(tài)下，電子從在平衡狀態(tài)下，電子從N區(qū)到區(qū)到P區(qū)擴(kuò)散電流必然等區(qū)擴(kuò)散電流必然等于從于從P區(qū)到區(qū)到N區(qū)的漂移電流；區(qū)的漂移電流；n 空穴的擴(kuò)散電流和漂移電流也必然相等。空穴的擴(kuò)散電流和漂移電流也必然相等。o 即即。 繼續(xù)討論繼續(xù)討論由于空間電荷區(qū)內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對(duì)由于空間電荷區(qū)內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對(duì)方，或被對(duì)方擴(kuò)散過來的多數(shù)載流子復(fù)合掉了，方，或被對(duì)方擴(kuò)散過來的多數(shù)載流子復(fù)合掉了，即多數(shù)

19、載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱即多數(shù)載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱為為。o 擴(kuò)散作用越強(qiáng)，耗盡層越寬擴(kuò)散作用越強(qiáng)，耗盡層越寬。o 均勻摻雜均勻摻雜pn結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)o 勻摻雜勻摻雜pn結(jié)空間電荷區(qū)的電勢(shì)結(jié)空間電荷區(qū)的電勢(shì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空間電荷在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空間電荷區(qū)內(nèi)區(qū)內(nèi)不存在電子與空穴不存在電子與空穴，因此，因此空空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)（沒有可（沒有可自由移動(dòng)的凈電荷，高阻區(qū)）。自由移動(dòng)的凈電荷，高阻區(qū)）。濃濃度度差差多多子子擴(kuò)擴(kuò)散散雜質(zhì)雜質(zhì)離子離子形成形成空間空間電荷電荷區(qū)區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)阻止多子的進(jìn)阻止多子的進(jìn)一步擴(kuò)散一步擴(kuò)

20、散促進(jìn)少子的漂促進(jìn)少子的漂移移動(dòng)態(tài)平動(dòng)態(tài)平衡（平衡（平衡衡pn結(jié)）結(jié)）pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)以及空間電荷區(qū)的形成過程結(jié)的基本結(jié)構(gòu)以及空間電荷區(qū)的形成過程1.1 pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)結(jié)的基本結(jié)構(gòu)1.2 pn結(jié)靜態(tài)特性：結(jié)靜態(tài)特性：平衡平衡pn結(jié)結(jié)1.3 反偏反偏1.4 pn結(jié)電流結(jié)電流1.5 pn結(jié)的小信號(hào)模型結(jié)的小信號(hào)模型1.6 產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合電流復(fù)合電流1.7 結(jié)擊穿結(jié)擊穿1.8 隧道二極管隧道二極管第一章：第一章：pn結(jié)二極管結(jié)二極管1.2 pn結(jié)靜態(tài)特性結(jié)靜態(tài)特性：平衡pn結(jié)無外加激勵(lì)和無電流存在的無外加激勵(lì)和無電流存在的熱平衡狀態(tài)下熱平衡狀態(tài)下突變結(jié)的各種特性。突變結(jié)的各種特性。零偏狀態(tài)零偏狀態(tài):

21、V:V外外=0=01. 1. 內(nèi)建電勢(shì)差內(nèi)建電勢(shì)差 由由PNPN結(jié)空間電荷區(qū)的形成過程可知，在達(dá)到平衡狀態(tài)結(jié)空間電荷區(qū)的形成過程可知，在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，時(shí)，PNPN結(jié)空間電荷區(qū)中形成了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)在空結(jié)空間電荷區(qū)中形成了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)在空間電荷區(qū)中的間電荷區(qū)中的積分積分就形成了一個(gè)就形成了一個(gè)內(nèi)建電勢(shì)差內(nèi)建電勢(shì)差。 從能量的角度來看，在從能量的角度來看，在N N型區(qū)和型區(qū)和P P型區(qū)之間建立了一個(gè)內(nèi)型區(qū)之間建立了一個(gè)內(nèi)建勢(shì)壘，阻止電子進(jìn)一步向建勢(shì)壘，阻止電子進(jìn)一步向P P型區(qū)擴(kuò)散，該內(nèi)建勢(shì)壘的高度型區(qū)擴(kuò)散，該內(nèi)建勢(shì)壘的高度即為即為內(nèi)建電勢(shì)差內(nèi)建電勢(shì)差，用，用V Vbi bi 表示

22、。表示。pn結(jié)靜態(tài)特性結(jié)靜態(tài)特性：平衡平衡pn結(jié)結(jié) 內(nèi)建電勢(shì)差內(nèi)建電勢(shì)差內(nèi)建電勢(shì)差內(nèi)建電勢(shì)差Vbi維持了維持了n區(qū)多區(qū)多子電子與子電子與p區(qū)少子電子之間區(qū)少子電子之間及及p區(qū)多子空穴與區(qū)多子空穴與n區(qū)少子區(qū)少子空穴之間的平衡。空穴之間的平衡。pn結(jié)本征費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶底之結(jié)本征費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶底之間的距離是相等的，內(nèi)建電勢(shì)間的距離是相等的，內(nèi)建電勢(shì)差可以由差可以由p區(qū)與區(qū)與n區(qū)內(nèi)部區(qū)內(nèi)部費(fèi)米能費(fèi)米能級(jí)的差值級(jí)的差值來確定。來確定。對(duì)于平衡狀態(tài)的對(duì)于平衡狀態(tài)的pnpn結(jié)我們有：結(jié)我們有：0expFFindiEEnNnkT0expFiFpaiEEpNnkT參照前邊圖中參照前邊圖中FnFn、 FpFp的

23、定義，可以知道：的定義，可以知道：lndFnFiFiNeEEkTn 22lnlnadadbiFnFpTiiN NN NkTVVenn參照前邊圖中參照前邊圖中FnFn、 FpFp的定義，可以知道：的定義，可以知道：lnaFpFiFiNeEEkTn注意注意Nd、Na分別分別表示表示N區(qū)和區(qū)和P區(qū)內(nèi)區(qū)內(nèi)的的有效施主有效施主摻雜濃摻雜濃度和度和有效受主有效受主摻雜摻雜濃度濃度接觸電勢(shì)差的大小接觸電勢(shì)差的大小直接和雜質(zhì)濃度、直接和雜質(zhì)濃度、本征載流子濃度、本征載流子濃度、以及熱電壓（溫度以及熱電壓（溫度及分布）相關(guān)。及分布）相關(guān)。對(duì)照：費(fèi)米能級(jí)和對(duì)照：費(fèi)米能級(jí)和摻雜以及溫度的關(guān)摻雜以及溫度的關(guān)系系本章開

24、始本章開始Nd,Na分別指分別指n區(qū)和區(qū)和p區(qū)內(nèi)的凈施主和區(qū)內(nèi)的凈施主和受主濃度！受主濃度！o例例 計(jì)算計(jì)算pn結(jié)中的內(nèi)建電勢(shì)差。結(jié)中的內(nèi)建電勢(shì)差。 硅硅pn結(jié)的環(huán)境溫度為結(jié)的環(huán)境溫度為T=300K，摻雜濃度分別為，摻雜濃度分別為Na=11018 cm-3，Nd=11015 cm-3。假設(shè)假設(shè)ni=1.51010 cm-3。 解：解： 由內(nèi)建電勢(shì)差公式知：由內(nèi)建電勢(shì)差公式知：Vbi=Vtln(NaNd/ni2) Vt=kT/e=0.0259 V(T=300 K) (k 波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)=8.6210-5 eV/K) Na=11018 cm-3 Nd=11015 cm-3 ni=1.51

25、010 cm-3 Vbi=0.754 V 由于進(jìn)行的是對(duì)數(shù)運(yùn)算，當(dāng)摻雜濃度的數(shù)量級(jí)改變很大時(shí)，由于進(jìn)行的是對(duì)數(shù)運(yùn)算，當(dāng)摻雜濃度的數(shù)量級(jí)改變很大時(shí)，內(nèi)建電勢(shì)差也只是有微小的變化。內(nèi)建電勢(shì)差也只是有微小的變化。pn+-E-xp+xneNdeNa內(nèi)建電場(chǎng)由空間電荷區(qū)的電荷所產(chǎn)生，內(nèi)建電場(chǎng)由空間電荷區(qū)的電荷所產(chǎn)生，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和電荷密度的關(guān)系由電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和電荷密度的關(guān)系由泊松方程泊松方程確定：確定： 22sdxxdE xdxdx 其中其中為電勢(shì)，為電勢(shì)，E E為電場(chǎng)強(qiáng)度，為電場(chǎng)強(qiáng)度，為電為電荷密度，荷密度，s s為介電常數(shù)。為介電常數(shù)。從圖可知，電荷密度從圖可知，電荷密度(x)(x)為：為： 0

26、0apdnxeNxxxeNxx 耗盡區(qū)假設(shè)耗盡區(qū)假設(shè)(假設(shè)空間電荷區(qū)在假設(shè)空間電荷區(qū)在n區(qū)區(qū)的的x=+xn處及處及x=-xp處突然中止）處突然中止）平衡平衡pn結(jié)結(jié) 電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度 1aasssxeNeNEdxdxxC則則p p側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)可以積分求得：側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)可以積分求得：邊界條件（熱平衡時(shí)，中性區(qū)電場(chǎng)為邊界條件（熱平衡時(shí)，中性區(qū)電場(chǎng)為0 0）：）：x=-xx=-xp p時(shí)，時(shí)，E=0E=01apseNCxapseNExx 2ddsssxeNeNEdxdxxC相應(yīng)，相應(yīng)，n n側(cè)空空間電荷區(qū)電場(chǎng)：側(cè)空空間電荷區(qū)電場(chǎng)：邊界條件：邊界條件：x=xx=xn n時(shí)，時(shí)，E=0E=0

27、dnseNExx0 x 冶金結(jié)所冶金結(jié)所在的位置，在的位置，電場(chǎng)函數(shù)電場(chǎng)函數(shù)連續(xù)連續(xù)nsdxeNC 2p p側(cè)電場(chǎng)和側(cè)電場(chǎng)和n n側(cè)電場(chǎng)在界面處（側(cè)電場(chǎng)在界面處（x=0 x=0）連續(xù)，即：）連續(xù)，即：-xpxneNdeNa-xpxnx=0EapdnsseN xeN xEapdpdnaN xN xxNxN因而兩側(cè)空間電荷區(qū)的寬度因而兩側(cè)空間電荷區(qū)的寬度x xp p和和x xn n有關(guān)系：有關(guān)系：空間電荷區(qū)整空間電荷區(qū)整體保持體保持電中性電中性空間電荷區(qū)主空間電荷區(qū)主要向低摻雜一要向低摻雜一側(cè)延伸側(cè)延伸n根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)的關(guān)系，將根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)的關(guān)系，將p p區(qū)內(nèi)電場(chǎng)積分可得區(qū)內(nèi)電場(chǎng)積分可得

28、電勢(shì)電勢(shì)： 212apsapseNxE x dxxxdxeNxxx xC 確定具體的電勢(shì)值需要選擇參考點(diǎn)，假設(shè)確定具體的電勢(shì)值需要選擇參考點(diǎn)，假設(shè)x=-xx=-xp p處的電勢(shì)為處的電勢(shì)為0 0，則可確定積分常數(shù)值則可確定積分常數(shù)值C C1 1和和p p區(qū)內(nèi)的電勢(shì)值為：區(qū)內(nèi)的電勢(shì)值為：212apseNCx 202appseNxxxxx同樣的，對(duì)同樣的，對(duì)n n區(qū)內(nèi)的電勢(shì)表達(dá)式積分，可求出：區(qū)內(nèi)的電勢(shì)表達(dá)式積分，可求出： 222dnsdnseNxE x dxxx dxeNxxx xC 當(dāng)當(dāng)x=0 x=0時(shí)，電勢(shì)值連續(xù)，因而利用時(shí)，電勢(shì)值連續(xù)，因而利用p p區(qū)電勢(shì)公式可求出：區(qū)電勢(shì)公式可求出：22

29、2apseNCx 22022aanpnsseNeNxxx xxxxpp0np0nn0pn0-xpxnx=0Epn=0=Vbi電勢(shì)和距離是二電勢(shì)和距離是二次函數(shù)關(guān)系，即次函數(shù)關(guān)系，即拋物線關(guān)系拋物線關(guān)系空間電荷區(qū)內(nèi)的空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子濃度變化載流子濃度變化顯然，顯然，x=xx=xn n時(shí)，時(shí)，=V=Vbibi，因而可以求出：，因而可以求出：222bindnapseVxxN xN xo空間電荷區(qū)寬度空間電荷區(qū)寬度pn+-xp+xn由整體的電中性條件要求，我們已經(jīng)由整體的電中性條件要求，我們已經(jīng)知道：知道：將該式代入用電勢(shì)公式求出的將該式代入用電勢(shì)公式求出的V Vbibi式，可得到：式，可得到：1

30、/221sbiandadVNxeNNN1/221sbidpaadVNxeNNN1/ 22sbiadnpadVNNWxxeN N空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)寬度與摻雜寬度與摻雜濃度有關(guān)濃度有關(guān)ndpaxNxN o例例 計(jì)算計(jì)算pn結(jié)中的空間電荷區(qū)寬度和電場(chǎng)。結(jié)中的空間電荷區(qū)寬度和電場(chǎng)。 硅硅pn結(jié)所處的環(huán)境溫度為結(jié)所處的環(huán)境溫度為T=300K，摻雜濃，摻雜濃度為度為Na=1016 cm-3，Nd=1015 cm-3 ，ni=1.51010 cm-3。o解解 Vbi=Vtln(NaNd/ni2)=0.635 V 由由xn和和xp公式可知公式可知xn=0.864 m， xp=0.086 m 空間電荷區(qū)寬度為

31、：空間電荷區(qū)寬度為： 冶金結(jié)處的最大電場(chǎng)為：冶金結(jié)處的最大電場(chǎng)為：n熱平衡狀態(tài)下熱平衡狀態(tài)下pn結(jié)處存在著空間電荷區(qū)和接觸電勢(shì)差結(jié)處存在著空間電荷區(qū)和接觸電勢(shì)差;n內(nèi)建電場(chǎng)從內(nèi)建電場(chǎng)從n區(qū)空間電荷區(qū)邊界指向區(qū)空間電荷區(qū)邊界指向p區(qū)空間電荷區(qū)，內(nèi)區(qū)空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)在建電場(chǎng)在p、n交界處最強(qiáng)交界處最強(qiáng);n因?yàn)槭菬崞胶鉅顟B(tài)，因?yàn)槭菬崞胶鉅顟B(tài)，p區(qū)、區(qū)、n區(qū)及空間電荷區(qū)內(nèi)具有統(tǒng)一區(qū)及空間電荷區(qū)內(nèi)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)；的費(fèi)米能級(jí)；n空間電荷區(qū)內(nèi)的漂移電流和擴(kuò)散電流趨向平衡，無宏觀空間電荷區(qū)內(nèi)的漂移電流和擴(kuò)散電流趨向平衡，無宏觀電流。電流。np、n兩側(cè)的空間電荷總數(shù)量相等，對(duì)外部保持整體的電兩側(cè)的空間電

32、荷總數(shù)量相等，對(duì)外部保持整體的電中性，空間電荷區(qū)內(nèi)無（幾乎）自由載流子、因而又稱中性，空間電荷區(qū)內(nèi)無（幾乎）自由載流子、因而又稱為耗盡區(qū)；為耗盡區(qū)；n空間電荷區(qū)內(nèi)形成空間電荷區(qū)內(nèi)形成內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)，表現(xiàn)為電子的勢(shì)壘，因而，表現(xiàn)為電子的勢(shì)壘，因而又稱為又稱為勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū)n空間電荷區(qū)的寬度與摻雜濃度密切相關(guān)空間電荷區(qū)的寬度與摻雜濃度密切相關(guān).pn結(jié)靜態(tài)特性結(jié)靜態(tài)特性：pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi2lnadbiTiN NVVn 22nExxxapdnN xN x dxExdx -xpxnEMax2biMAXVEW12ppMAXVxEpn結(jié)靜態(tài)特性結(jié)靜態(tài)特性：?jiǎn)芜呁蛔兘Y(jié)單

33、邊突變結(jié)：一側(cè)高摻一側(cè)高摻雜，而另一側(cè)低摻雜的雜，而另一側(cè)低摻雜的突變結(jié)突變結(jié)p p+ +n n或或pnpn+ +單邊突變結(jié)空間電荷區(qū)單邊突變結(jié)空間電荷區(qū)主要向輕摻雜一側(cè)擴(kuò)展主要向輕摻雜一側(cè)擴(kuò)展單邊突變結(jié)的勢(shì)壘主要單邊突變結(jié)的勢(shì)壘主要降落在輕摻雜一側(cè)降落在輕摻雜一側(cè)1212ppMAXppdnnannMAXVxEVxNVxNVxE 這一關(guān)系給出了內(nèi)建電勢(shì)差在這一關(guān)系給出了內(nèi)建電勢(shì)差在p p、n n兩側(cè)的分配關(guān)系。兩側(cè)的分配關(guān)系。這也解釋了為什么對(duì)于單邊突變結(jié)（這也解釋了為什么對(duì)于單邊突變結(jié)（p p+ +n n或或pnpn+ +) )來說，電來說，電壓主要降落在輕摻雜一側(cè)。壓主要降落在輕摻雜一側(cè)。

34、 外加電壓同樣會(huì)分配在外加電壓同樣會(huì)分配在pnpn結(jié)兩側(cè)，其分配比例不變。結(jié)兩側(cè)，其分配比例不變。因?yàn)樵谕瑯拥暮谋M假設(shè)下，求解泊松方程的因?yàn)樵谕瑯拥暮谋M假設(shè)下，求解泊松方程的過程是完全相同的，只是將整個(gè)電場(chǎng)積分后過程是完全相同的，只是將整個(gè)電場(chǎng)積分后的電勢(shì)差的電勢(shì)差V Vbibi代換為代換為V Vbibi-V-Vappapp1.1 pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)結(jié)的基本結(jié)構(gòu)1.2 pn結(jié)靜態(tài)特性：結(jié)靜態(tài)特性：平衡平衡pn結(jié)結(jié)1.3 反偏反偏1.4 pn結(jié)電流結(jié)電流1.5 pn結(jié)的小信號(hào)模型結(jié)的小信號(hào)模型1.6 產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合電流復(fù)合電流1.7 結(jié)擊穿結(jié)擊穿1.8 隧道二極管隧道二極管第一章：第一章：pn結(jié)二極

35、管結(jié)二極管n 在在p區(qū)與區(qū)與n區(qū)之間加一個(gè)電勢(shì)，則區(qū)之間加一個(gè)電勢(shì)，則pn結(jié)就不能結(jié)就不能再處于熱平衡狀態(tài)。再處于熱平衡狀態(tài)。反偏狀態(tài)下，外加電場(chǎng)反偏狀態(tài)下，外加電場(chǎng)方向和內(nèi)建電場(chǎng)相同。方向和內(nèi)建電場(chǎng)相同。反偏反偏：在：在p p、n n區(qū)之間施區(qū)之間施加一個(gè)反向電壓。加一個(gè)反向電壓。反偏電壓幾乎全部施加反偏電壓幾乎全部施加于空間電荷區(qū)，而中性于空間電荷區(qū)，而中性區(qū)電壓幾乎為區(qū)電壓幾乎為0 01.3 反偏PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況PN結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓漂移電流漂移電流擴(kuò)散電流，擴(kuò)散電流，耗盡層變寬耗盡層變寬反向電反向電阻增大。阻增大。 此時(shí)：由于此時(shí)：由于IS很小

36、很小PN結(jié)相當(dāng)于不導(dǎo)通，即稱結(jié)相當(dāng)于不導(dǎo)通，即稱PN結(jié)結(jié)截止截止！由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?外加電場(chǎng)的存在將會(huì)使得能帶圖中外加電場(chǎng)的存在將會(huì)使得能帶圖中N N型區(qū)的型區(qū)的費(fèi)米能級(jí)往下拉，下拉的幅度等于外加電壓引費(fèi)米能級(jí)往下拉，下拉的幅度等于外加電壓引起的電子勢(shì)能變化量。起的電子勢(shì)能變化量。 此時(shí)，此時(shí)，PNPN結(jié)上總的勢(shì)壘高度增大為：結(jié)上總的勢(shì)壘高度增大為：空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng)空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng)m反偏反偏pn結(jié)的空間電荷區(qū)寬度結(jié)的空間電荷區(qū)寬度空間電荷空間電荷量增大量增大反偏電壓反偏電壓空間電空間電荷區(qū)電荷區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)場(chǎng)增強(qiáng)勢(shì)壘勢(shì)壘升高升高空

37、間電荷區(qū)空間電荷區(qū)寬度增加寬度增加將零偏時(shí)空間電荷區(qū)寬度公式中的將零偏時(shí)空間電荷區(qū)寬度公式中的Vbi用用Vbi+VR=Vtotal代替代替，即可求出反偏時(shí)的空間電荷區(qū)寬度。，即可求出反偏時(shí)的空間電荷區(qū)寬度。1/ 22sbiRadadVVNNWeN N空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng)空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷的關(guān)系仍然如空間電荷區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷的關(guān)系仍然如泊泊松方程松方程所描述。所描述。maxapdnsseN xeN xE由于由于xn和和xp增大，因而最大場(chǎng)強(qiáng)也增大。將增大，因而最大場(chǎng)強(qiáng)也增大。將xn或或xp中的中的Vbi替換為替換為Vbi+VR可得到：可得到：1/

38、2max22biRadsadbiRe VVN NENNVVW 空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng)空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng)加反偏電壓后，加反偏電壓后，pn結(jié)空間電荷區(qū)寬度、電荷量及電場(chǎng)的結(jié)空間電荷區(qū)寬度、電荷量及電場(chǎng)的變化。變化。類似于電容的充放電類似于電容的充放電效果，因而反偏效果，因而反偏pnpn結(jié)結(jié)可以表現(xiàn)為一個(gè)電容可以表現(xiàn)為一個(gè)電容的特性。的特性。隨著反偏電壓的增加，空間電荷隨著反偏電壓的增加，空間電荷區(qū)的電荷量也隨之增加。區(qū)的電荷量也隨之增加。 勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。 當(dāng)外加電壓使當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離

39、子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)于度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)于PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。之變化，猶如電容的充放電。圖 01.09勢(shì)壘電容的示意圖勢(shì)壘電容的示意圖勢(shì)壘電容示意圖 勢(shì)壘電容（結(jié)電容）勢(shì)壘電容（結(jié)電容） 勢(shì)壘電容（結(jié)電容）勢(shì)壘電容（結(jié)電容）n勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容外加反偏電壓增量外加反偏電壓增量dVR在在n區(qū)形成額外正電荷區(qū)形成額外正電荷；p區(qū)形成額外負(fù)電荷區(qū)形成額外負(fù)電荷dQ的單位是C/cm2均勻摻雜均勻摻雜pn結(jié)空間電荷區(qū)寬度隨反偏電壓改變的微分變化量結(jié)空間電荷區(qū)寬度隨反偏電壓改變的微分變化量微分電荷微分電荷 勢(shì)壘電容（結(jié)電容）勢(shì)壘電容（

40、結(jié)電容）勢(shì)壘電容的表達(dá)式為：勢(shì)壘電容的表達(dá)式為：勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容(耗盡層電容耗盡層電容) n型區(qū)內(nèi)空間電荷區(qū)的寬度：型區(qū)內(nèi)空間電荷區(qū)的寬度：比較一下描述反偏條件下耗盡區(qū)寬度的表達(dá)式與勢(shì)壘電容比較一下描述反偏條件下耗盡區(qū)寬度的表達(dá)式與勢(shì)壘電容C 的表達(dá)式，我們發(fā)現(xiàn)的表達(dá)式，我們發(fā)現(xiàn)可以看到，勢(shì)壘電容的大小與可以看到，勢(shì)壘電容的大小與s s( (材料）、材料）、V Vbibi（摻雜水平）（摻雜水平）、N Na a、N Nd d及反偏電壓等因素有關(guān)。及反偏電壓等因素有關(guān)。這表明勢(shì)壘電容可以等效為其厚度這表明勢(shì)壘電容可以等效為其厚度為空間電荷區(qū)寬度的平板電容為空間電荷區(qū)寬度的平板電容 單邊突變結(jié)單邊突

41、變結(jié)o 單邊突變結(jié)單邊突變結(jié)：冶金結(jié)一側(cè)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于：冶金結(jié)一側(cè)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于另一側(cè)的摻雜濃度的另一側(cè)的摻雜濃度的pn結(jié)。結(jié)。o NaNd時(shí)，這種結(jié)稱為時(shí)，這種結(jié)稱為p+n結(jié)。結(jié)。p+n結(jié)的勢(shì)壘電容表達(dá)式結(jié)的勢(shì)壘電容表達(dá)式簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)化為：總空間電荷區(qū)寬度：總空間電荷區(qū)寬度：勢(shì)壘電容和反偏電壓有關(guān)系：勢(shì)壘電容和反偏電壓有關(guān)系：221biRsdVVeNC可以看到，單邊突可以看到，單邊突變結(jié)的變結(jié)的C-V特性可特性可以確定輕摻一側(cè)的以確定輕摻一側(cè)的摻雜濃度。這是摻雜濃度。這是C-V法測(cè)定材料法測(cè)定材料摻雜摻雜濃度濃度的原理。的原理。電容倒數(shù)的平方是外加反電容倒數(shù)的平方是外加反偏電壓的偏電壓的線性

42、函數(shù)線性函數(shù)1.1 pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)結(jié)的基本結(jié)構(gòu)1.2 pn結(jié)靜態(tài)特性：結(jié)靜態(tài)特性：平衡平衡pn結(jié)；結(jié)；1.3 反偏反偏1.4 pn結(jié)電流結(jié)電流1.5 pn結(jié)的小信號(hào)模型結(jié)的小信號(hào)模型1.6 產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合電流復(fù)合電流1.7 結(jié)擊穿結(jié)擊穿1.8 隧道二極管隧道二極管第一章：第一章：pn結(jié)二極管結(jié)二極管1.4 pn 結(jié)電流o 將二極管電流和器件內(nèi)部的工作機(jī)理、器件參數(shù)將二極管電流和器件內(nèi)部的工作機(jī)理、器件參數(shù)之間建立定性和定量的關(guān)系。之間建立定性和定量的關(guān)系。o 定性推導(dǎo)：分析過程，處理方法定性推導(dǎo)：分析過程，處理方法o 定量推導(dǎo)：定量推導(dǎo)： 建立理想模型建立理想模型-寫少子擴(kuò)散方程，邊界條件寫少

43、子擴(kuò)散方程，邊界條件-求解求解少子分布函數(shù)少子分布函數(shù)-求擴(kuò)散電流求擴(kuò)散電流-結(jié)果分析。結(jié)果分析。1. 分析實(shí)際與理想公式的偏差，造成偏差的原因。分析實(shí)際與理想公式的偏差，造成偏差的原因。當(dāng)給當(dāng)給pn結(jié)外加一個(gè)結(jié)外加一個(gè)正偏電壓正偏電壓時(shí)，時(shí)，pn結(jié)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生結(jié)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生電流電流。定性考慮定性考慮pn結(jié)內(nèi)電荷如何流動(dòng)結(jié)內(nèi)電荷如何流動(dòng)給出給出pn結(jié)電流結(jié)電流 電壓關(guān)電壓關(guān)系系的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。1.4 pn結(jié)電流58零偏（平衡）零偏（平衡）: pn結(jié)能帶圖電子和空結(jié)能帶圖電子和空穴在擴(kuò)散過程中遇穴在擴(kuò)散過程中遇到勢(shì)壘。勢(shì)壘維持到勢(shì)壘。勢(shì)壘維持熱平衡熱平衡反偏反偏: pn結(jié)能帶圖增結(jié)能帶圖增高

44、的勢(shì)壘高度繼續(xù)阻高的勢(shì)壘高度繼續(xù)阻止電子與空穴的流動(dòng)。止電子與空穴的流動(dòng)。Pn結(jié)內(nèi)基本沒有電流結(jié)內(nèi)基本沒有電流正偏正偏: 勢(shì)壘降低，電場(chǎng)減弱，勢(shì)壘降低，電場(chǎng)減弱，電子由電子由n區(qū)經(jīng)空間電荷區(qū)向區(qū)經(jīng)空間電荷區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散，同樣也形成從區(qū)擴(kuò)散，同樣也形成從p區(qū)向區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散的空穴流。區(qū)擴(kuò)散的空穴流。電荷的流電荷的流動(dòng)在動(dòng)在pn結(jié)內(nèi)形成電流。結(jié)內(nèi)形成電流。通過通過pn結(jié)的能帶圖，可以定性的了解結(jié)的能帶圖，可以定性的了解pn結(jié)電流的形成機(jī)制結(jié)電流的形成機(jī)制1. 熱平衡狀態(tài)o 電子從電子從n區(qū)擴(kuò)散到區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)需有區(qū)需有足 夠 的 能 量 克 服足 夠 的 能 量 克 服 “ 勢(shì)勢(shì)壘壘”。只有少數(shù)能量高的

45、。只有少數(shù)能量高的電 子 能 越 過 勢(shì) 壘 到 達(dá)電 子 能 越 過 勢(shì) 壘 到 達(dá) p區(qū)，形成區(qū)，形成擴(kuò)散流擴(kuò)散流。o P區(qū)的電子到達(dá)區(qū)的電子到達(dá)n區(qū)不存在區(qū)不存在勢(shì)壘，但是少子，少數(shù)電勢(shì)壘，但是少子，少數(shù)電子一旦進(jìn)入耗盡層，內(nèi)建子一旦進(jìn)入耗盡層，內(nèi)建電場(chǎng)就將其掃進(jìn)電場(chǎng)就將其掃進(jìn)n區(qū)，形區(qū)，形成成漂移流漂移流。熱平衡：熱平衡：電子的擴(kuò)散流電子的擴(kuò)散流=漂移流漂移流2. 反向偏置o 勢(shì)壘高度變高勢(shì)壘高度變高，n型一側(cè)幾型一側(cè)幾乎沒有電子能越過勢(shì)壘進(jìn)入乎沒有電子能越過勢(shì)壘進(jìn)入p區(qū)，區(qū)，p區(qū)一側(cè)有數(shù)目相同區(qū)一側(cè)有數(shù)目相同的電子進(jìn)入耗盡層掃入的電子進(jìn)入耗盡層掃入n區(qū)，形成區(qū)，形成少子漂移流少子漂移

46、流;o 同理同理n區(qū)的空穴漂移形成區(qū)的空穴漂移形成少少子漂移流子漂移流，因與少子相關(guān)，因與少子相關(guān)，電流非常小電流非常小;o 又因少子的漂移與勢(shì)壘高度又因少子的漂移與勢(shì)壘高度無關(guān)，所以反向電流與外加無關(guān)，所以反向電流與外加電壓無關(guān)。電壓無關(guān)。3. 加正偏電壓PN結(jié)加正向電壓結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況時(shí)的導(dǎo)電情況（1 1）少子注入）少子注入正向電壓使正向電壓使勢(shì)壘區(qū)寬度變窄勢(shì)壘區(qū)寬度變窄、勢(shì)壘高度變低勢(shì)壘高度變低 外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反 空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)減弱空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)減弱 破壞擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)間的破壞擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)間的平衡平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于漂

47、移運(yùn)動(dòng) 注入少子注入少子 注入的少子邊擴(kuò)散邊復(fù)合注入的少子邊擴(kuò)散邊復(fù)合（2 2）正向）正向PN結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)電流在電流在 N 型區(qū)中主要由電子攜帶型區(qū)中主要由電子攜帶電流在電流在 P 型區(qū)中主要由空穴攜帶型區(qū)中主要由空穴攜帶通過通過 PN 結(jié)的電流存在結(jié)的電流存在電流載體轉(zhuǎn)換電流載體轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象的現(xiàn)象 Pn結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流，正向電流， PN 結(jié)處于結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)； 當(dāng)當(dāng) PN 結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，幾乎等于零， PN

48、 結(jié)處于結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)。綜上所述：綜上所述：可見，可見， PN 結(jié)具有結(jié)具有單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦浴?.4 pn結(jié)電流 理想電流電壓關(guān)系o 理想理想p-n結(jié)的結(jié)的I-V關(guān)系的推導(dǎo)，滿足以下條件關(guān)系的推導(dǎo)，滿足以下條件假設(shè)：假設(shè)：1、耗盡層突變近似?？臻g電荷區(qū)的邊界存在突變，且耗盡、耗盡層突變近似?？臻g電荷區(qū)的邊界存在突變，且耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體區(qū)域是電中性的。區(qū)以外的半導(dǎo)體區(qū)域是電中性的。2、載流子統(tǒng)計(jì)分布復(fù)合麥克斯韋、載流子統(tǒng)計(jì)分布復(fù)合麥克斯韋-玻爾茲曼近似。玻爾茲曼近似。3、復(fù)合小注入條件。、復(fù)合小注入條件。4(a) 、pn結(jié)內(nèi)的電流值處處相等。結(jié)內(nèi)的電流值處處相等。4(b)、 pn結(jié)

49、內(nèi)的電子電流與空穴電流分別為連續(xù)函數(shù)。結(jié)內(nèi)的電子電流與空穴電流分別為連續(xù)函數(shù)。4(c)、耗盡區(qū)內(nèi)的電子電流與空穴電流為恒定值、耗盡區(qū)內(nèi)的電子電流與空穴電流為恒定值。63與與電電流流有有關(guān)關(guān)理想電流電壓關(guān)系64o 計(jì)算流過計(jì)算流過p-n結(jié)電流密度的步驟結(jié)電流密度的步驟：1、根據(jù)費(fèi)米能級(jí)計(jì)算耗盡區(qū)邊界處注入的過剩少子濃度。、根據(jù)費(fèi)米能級(jí)計(jì)算耗盡區(qū)邊界處注入的過剩少子濃度。2、以邊界處注入的過剩少子濃度作為邊界條件，求解擴(kuò)散區(qū)、以邊界處注入的過剩少子濃度作為邊界條件，求解擴(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程中載流子連續(xù)性方程雙極輸運(yùn)方程。得到過剩載流子雙極輸運(yùn)方程。得到過剩載流子分布表達(dá)式。分布表達(dá)式。3、將過

50、剩少子濃度分布帶入擴(kuò)散電流方程得到擴(kuò)散電流密度。、將過剩少子濃度分布帶入擴(kuò)散電流方程得到擴(kuò)散電流密度。4 、將兩種載流子擴(kuò)散電流密度相加，得到理想、將兩種載流子擴(kuò)散電流密度相加，得到理想p-n結(jié)電流電壓結(jié)電流電壓方程。方程。65o 加正向偏壓后，空間電加正向偏壓后，空間電荷區(qū)勢(shì)壘高度降低，內(nèi)荷區(qū)勢(shì)壘高度降低，內(nèi)建電場(chǎng)減弱建電場(chǎng)減弱勢(shì)壘降低勢(shì)壘降低空間電荷區(qū)縮短空間電荷區(qū)縮短內(nèi)建電場(chǎng)減弱內(nèi)建電場(chǎng)減弱擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流漂移電流漂移電流空間電荷區(qū)邊界處少空間電荷區(qū)邊界處少數(shù)載流子濃度注入數(shù)載流子濃度注入0expbiapne VVnnkTP型一側(cè)耗盡區(qū)邊界型一側(cè)耗盡區(qū)邊界X=-xp的電子濃度的電子濃度

51、理想電流電壓方程最重要的邊界條件理想電流電壓方程最重要的邊界條件1。邊界條件邊界條件)exp(濃度為區(qū)內(nèi)少子電子的熱平衡濃度為：區(qū)內(nèi)多子電子的熱平衡n假設(shè)雜質(zhì)完全電離，exp，再取倒數(shù)得exp兩邊取,/將上式兩邊除以)ln(內(nèi)建電勢(shì)差00022kTeVnnpNnkTeVNNnekTVnNNVVbinpdnbidaitidatbi000expexpexpexpbiapnbianappe VVnnkTeVeVnkTkTeVnnkT偏置狀態(tài)下偏置狀態(tài)下p區(qū)空間區(qū)空間電荷區(qū)邊界處的非平電荷區(qū)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度衡少數(shù)載流子濃度注入水平和偏注入水平和偏置電壓有關(guān)置電壓有關(guān)0expanneVppk

52、Tn型一側(cè)耗盡區(qū)邊界型一側(cè)耗盡區(qū)邊界X=xn的空穴濃度的空穴濃度 理想電流電壓方程最重要的邊界條件理想電流電壓方程最重要的邊界條件2。注入到注入到p（n）型區(qū)中的電子（空穴）會(huì)進(jìn)一）型區(qū)中的電子（空穴）會(huì)進(jìn)一步步擴(kuò)散擴(kuò)散和和復(fù)合復(fù)合，因此公式給出的實(shí)際上是耗盡區(qū)，因此公式給出的實(shí)際上是耗盡區(qū)邊界邊界處的處的非平衡少數(shù)載流子濃度非平衡少數(shù)載流子濃度。 上述邊界條件雖然是根據(jù)上述邊界條件雖然是根據(jù)pn結(jié)結(jié)正偏正偏條件導(dǎo)條件導(dǎo)出的，但是對(duì)于反偏情況也是出的，但是對(duì)于反偏情況也是適用適用的。因而當(dāng)反的。因而當(dāng)反偏電壓足夠高時(shí)，從上述兩式可見，耗盡區(qū)邊界偏電壓足夠高時(shí)，從上述兩式可見，耗盡區(qū)邊界處的處的

53、少數(shù)載流子濃度少數(shù)載流子濃度基本為零?；緸榱恪 少數(shù)載流子分布少數(shù)載流子分布n 假設(shè)：中性區(qū)內(nèi)電場(chǎng)為假設(shè)：中性區(qū)內(nèi)電場(chǎng)為0n 無產(chǎn)生無產(chǎn)生n 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)pn結(jié)結(jié)n 長(zhǎng)長(zhǎng)pn結(jié)結(jié)220nnnnnnnDEgxtx000理想電流電壓關(guān)系少數(shù)載流子分布少數(shù)載流子分布解雙極輸運(yùn)方程解雙極輸運(yùn)方程小注入小注入n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雙極輸運(yùn)方程：雙極輸運(yùn)方程：20nnnLD20pppLD2220pppnnnxxxL 2220nnnpppxxxL0expannneVpxpkT0expapppeVnxnkT0ppnxn 0nnpxp 邊邊界界條條件件雙極輸運(yùn)方程可以簡(jiǎn)化為：雙極輸運(yùn)方程可以簡(jiǎn)化為：nnppWLWL

54、長(zhǎng)長(zhǎng)pn結(jié)結(jié) /0ppx Lx LnnnnpxpxpAeBexx雙極輸運(yùn)方程的通解為：雙極輸運(yùn)方程的通解為： /0nnx Lx LppppnxnxnCeDexx 從邊界條件可以確定系數(shù)從邊界條件可以確定系數(shù)A=D=0A=D=0，同時(shí)，在，同時(shí)，在x xn n、x x-p-p處的邊界條處的邊界條件可以得出：件可以得出： 00exp1expannnnnnpeVxxpxpxppxxkTL 00exp1 exppapppppnxxeVnxnxnnxxkTL 由此，我們可以得出由此，我們可以得出PN結(jié)處于正偏和反偏條件時(shí)，耗盡區(qū)結(jié)處于正偏和反偏條件時(shí)，耗盡區(qū)邊界處的少數(shù)載流子分布邊界處的少數(shù)載流子分布0

55、expannneVpxpkT0expapppeVnxnkT0 x nxpxpnnpnLpL0pn0np0 xnxpxpnnpnLpL0pn0np正偏正偏反偏反偏o 理想理想pn結(jié)電流結(jié)電流n pn結(jié)電流為空穴電流和電子電流之和結(jié)電流為空穴電流和電子電流之和n 空間電荷區(qū)內(nèi)電子電流和空穴電流為定值空間電荷區(qū)內(nèi)電子電流和空穴電流為定值因此耗盡區(qū)靠近因此耗盡區(qū)靠近N N型區(qū)一側(cè)邊界處空穴的擴(kuò)散電流密度為：型區(qū)一側(cè)邊界處空穴的擴(kuò)散電流密度為： nnpnpx xdpxJxeDdx 在在pnpn結(jié)均勻摻雜的條件下，上式可以表示為：結(jié)均勻摻雜的條件下，上式可以表示為： nnpnpxxdpxJxeDdx 利用

56、前邊求得的少子分布公式，可以得到耗盡區(qū)靠近利用前邊求得的少子分布公式，可以得到耗盡區(qū)靠近N N型型區(qū)一側(cè)邊界處空穴的擴(kuò)散電流密度為：區(qū)一側(cè)邊界處空穴的擴(kuò)散電流密度為：0exp1pnapnpeD peVJxLkT在在pnpn結(jié)正偏條件下，空穴電流密度是沿著結(jié)正偏條件下，空穴電流密度是沿著x x軸正向的，軸正向的，即從即從p p型區(qū)流向型區(qū)流向N N型區(qū)。類似地，我們可以計(jì)算出耗盡區(qū)型區(qū)。類似地，我們可以計(jì)算出耗盡區(qū)靠近靠近P P型區(qū)型區(qū)一側(cè)邊一側(cè)邊界處電子的擴(kuò)散電流密度界處電子的擴(kuò)散電流密度為：為： ppnpnxxdnxJxeDdx利用前面求得的少子分布公式，上式也可以簡(jiǎn)化為：利用前面求得的少子

57、分布公式，上式也可以簡(jiǎn)化為：0exp1npanpneD peVJxLkT在在pnpn結(jié)正偏條件下，上述電子電流密度也是沿著結(jié)正偏條件下，上述電子電流密度也是沿著x x軸正軸正方向的。若假設(shè)電子電流和空穴電流在通過方向的。若假設(shè)電子電流和空穴電流在通過pnpn結(jié)耗盡區(qū)結(jié)耗盡區(qū)時(shí)保持不變，則流過時(shí)保持不變，則流過pnpn結(jié)的總電流為：結(jié)的總電流為：00exp1pnnpapnnppneD peD neVJJxJxLLkT上式即為理想上式即為理想pnpn結(jié)的電流結(jié)的電流- -電壓特性方程，我們可以進(jìn)一步定電壓特性方程，我們可以進(jìn)一步定義義J Js s為：為：00pnnpspneD peD nJLL則則

58、理想理想pnpn結(jié)的電流結(jié)的電流- -電壓特性電壓特性可簡(jiǎn)化為：可簡(jiǎn)化為：exp1aseVJJkT盡管理想盡管理想pnpn結(jié)電流結(jié)電流- -電壓方程是根據(jù)正偏電壓方程是根據(jù)正偏pnpn結(jié)推導(dǎo)出來的，結(jié)推導(dǎo)出來的，但它同樣應(yīng)當(dāng)適用于理想的反偏狀態(tài)。可以看到，反偏但它同樣應(yīng)當(dāng)適用于理想的反偏狀態(tài)?？梢钥吹剑雌珪r(shí)，電流飽和為時(shí)，電流飽和為J Js s當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)正偏電壓遠(yuǎn)大于結(jié)正偏電壓遠(yuǎn)大于V Vt t時(shí)，上述電流電壓特性方程時(shí)，上述電流電壓特性方程中的中的1 1項(xiàng)就可以忽略不計(jì)。項(xiàng)就可以忽略不計(jì)。PNPN結(jié)二極管的結(jié)二極管的I IV V特性及特性及其電路符號(hào)如下圖所示。其電路符號(hào)如下圖所示。o

59、 理想理想pn結(jié)模型的假設(shè)條件結(jié)模型的假設(shè)條件n 小注入條件小注入條件o 注入的少子濃度比平衡多子濃度小得多注入的少子濃度比平衡多子濃度小得多n 突變耗盡層條件突變耗盡層條件o 注入的少子在注入的少子在p區(qū)和區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)n 通過耗盡層的電子和空穴電流為常量通過耗盡層的電子和空穴電流為常量o 不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合作用不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合作用n 玻耳茲曼邊界條件玻耳茲曼邊界條件o 在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻氏分布在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻氏分布 可見，少子擴(kuò)散電流呈指數(shù)下降，而流過可見，少子擴(kuò)散電流呈指數(shù)下降，而流過PNPN結(jié)的總電結(jié)的總電流不

60、變，流不變，二者之差就是多子的漂移電流二者之差就是多子的漂移電流。 以以N N型區(qū)中的電子電流為例，它不僅提供向型區(qū)中的電子電流為例，它不僅提供向P P型區(qū)中擴(kuò)型區(qū)中擴(kuò)散的少子電子電流，而且還提供與散的少子電子電流，而且還提供與P P型區(qū)中注入過來的過剩型區(qū)中注入過來的過剩少子空穴電流相復(fù)合的電子電流。因此在流過少子空穴電流相復(fù)合的電子電流。因此在流過PNPN結(jié)的正向結(jié)的正向電流中，電子電流與空穴電流的相互轉(zhuǎn)換情況如下頁圖所電流中，電子電流與空穴電流的相互轉(zhuǎn)換情況如下頁圖所示。示。o 物理意義總結(jié)：物理意義總結(jié)：PN結(jié)耗盡區(qū)兩側(cè)少子的擴(kuò)散電流分別為：結(jié)耗盡區(qū)兩側(cè)少子的擴(kuò)散電流分別為：在流過在流