微電子器件原理與設(shè)計(jì)1

1、微電子器件原理與設(shè)計(jì)有機(jī)半導(dǎo)體光電池 pn結(jié)雙極型晶體管 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 雙極型晶體管設(shè)計(jì) 第1章 pn結(jié) 本章的主要內(nèi)容： 平衡pn結(jié)pn結(jié)的電流特性pn結(jié)的電容特性pn結(jié)的擊穿特性pn結(jié)的開關(guān)特性第1節(jié) 平衡pn結(jié)上段 下段 目錄 將一塊p型半導(dǎo)體和一塊n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在二者的交界面處形成的結(jié)稱為pn結(jié)。 pn結(jié)是半導(dǎo)體器件，如絕大部分二極管、雙極型晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的核心，在一個(gè)半導(dǎo)體集成電路中就包含了成千上萬個(gè)pn結(jié)。因此，了解和掌握 pn 結(jié)的性質(zhì)具有重要的實(shí)際意義。 本節(jié)首先介紹 pn 結(jié)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)工藝，然后介紹pn結(jié)的能帶和載流子分布規(guī)律。 在一塊 n 型(或p型)半

2、導(dǎo)體上，用適當(dāng)工藝把 p型(或n型)雜質(zhì)摻入其中，使半導(dǎo)體的不同區(qū)域分別具有n型和p型導(dǎo)電類型，在二者的交界面處形成pn結(jié)。 pn pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示。 下面簡單介紹形成pn結(jié)的典型工藝和雜質(zhì)分布。 一、pn結(jié)工藝和雜質(zhì)分布 1. pn結(jié)的結(jié)構(gòu)n-Si 合金法制造pn結(jié)的過程，如圖所示。 （1）合金法n-Sin-Si 將一粒Al放在一塊 n 型半導(dǎo)體片上，加熱到一定溫度，形成鋁硅的熔融體，然后降低溫度，熔融體開始凝固，在n型Si片上形成一個(gè)含有高濃度Al的p型Si薄層，它與n型Si襯底的交界面處即為pn結(jié)。 用這種工藝方法形成的pn結(jié)，稱為鋁硅合金結(jié)。 2. pn結(jié)的雜質(zhì)分布 合金結(jié)的

3、雜質(zhì)分布如圖所示。 由圖可知合金結(jié)的雜質(zhì)分布具有以下特點(diǎn): 在交界面處，雜質(zhì)由NA突變?yōu)镹D。NANDN(x)xj x n 型區(qū)中施主雜質(zhì)濃度為ND，并且均勻分布; p型區(qū)中的受主雜質(zhì)濃度為NA，也均勻分布。 通常，將這種雜質(zhì)分布具有突變規(guī)律的p-n結(jié)，稱為突變結(jié)(Abrupt Junction)。 由圖可知，突變結(jié)的雜質(zhì)分布可以表示為 在實(shí)際的突變結(jié)兩邊，雜質(zhì)的濃度相差很多（約1000倍）。NANDN(x)xj x 通常，將這種突變結(jié)稱為單邊突變結(jié)。 n-Si 擴(kuò)散法制造pn結(jié)的過程，如圖所示。 （2）擴(kuò)散法n-Sin-Si 在一塊 n 型半導(dǎo)體片上，通過氧化形成SiO2掩護(hù)膜；用紫外線暴光

4、、并用氫氟酸腐蝕光刻，露出n-Si；通過硼氣氛在高溫下擴(kuò)散， 在n-Si襯底表面下形成深度為xj 的p-Si區(qū)，從而出現(xiàn)pn結(jié)。 擴(kuò)散結(jié)的雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。 在擴(kuò)散結(jié)中，雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結(jié)，如圖所示。NANDN(x)xj x 由圖可知，緩變結(jié)的雜質(zhì)分布可以表示為 在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可以用結(jié)處的切線近似表示，則稱為線性緩變結(jié)(Linear graded Junction)，其雜質(zhì)分布如圖所示。 NA-NDxj x 線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布可表示為式中j 是 xj 處切線的斜率，稱為雜質(zhì)濃度梯度，由擴(kuò)散雜質(zhì)的實(shí)際分布確定。 若采用高濃度擴(kuò)散源且擴(kuò)散時(shí)間

5、較短，則進(jìn)入半導(dǎo)體的雜質(zhì)大多在其表面附近，如圖所示。NANDN(x)xj x 這種由擴(kuò)散形成的高表面濃度淺pn結(jié)，由于結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度很大，受主雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于施主雜質(zhì)濃度，因此可以采用突變結(jié)近似。 顯然，通過控制擴(kuò)散工藝參數(shù)既可以獲得低表面濃度深擴(kuò)散結(jié)線性緩變結(jié)，也可以獲得高表面濃度淺擴(kuò)散結(jié)單邊突變結(jié)。n-Si 離子注入法制造pn結(jié)的過程同擴(kuò)散法類似，只是在形成p型區(qū)時(shí)采用了新的摻雜手段。 （3）離子注入法n-Sin-Si 離子注入技術(shù)是將（硼、磷、砷）的原子經(jīng)過離子化變成帶電的雜質(zhì)離子，并用強(qiáng)電場(chǎng)加速獲得約幾萬到幾十萬電子伏的高能量。然后，用高能離子束直接轟擊到半導(dǎo)體基片內(nèi)部，經(jīng)過退火激活

6、， 在n-Si襯底表面下形成深度為xj 的pn結(jié)。 離子注入pn結(jié)的雜質(zhì)濃度分布如圖所示。 在掩蔽膜窗口附近的橫向方向雜質(zhì)呈現(xiàn)余誤差分布，而縱向則是以平均投影射程Rp為中心的近似高斯分布。NSRpN(x)xj x 綜上所述，采用不同的制造工藝可以得到不同的雜質(zhì)分布。pn結(jié)的雜質(zhì)分布一般可以歸納為兩種突變結(jié)和緩變結(jié)。 合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)，一般可以認(rèn)為是突變結(jié)。 低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)，一般可以認(rèn)為是線性緩變結(jié)。 二、pn結(jié)的形成 pn 結(jié)的結(jié)構(gòu)如圖所示。 1. 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)+ 在n 區(qū)電子為多子，空穴為少子；而在 p區(qū)空穴為多子，電子為少子。當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成pn結(jié)時(shí)，

7、由于存在載流子濃度梯 度，將導(dǎo)致空穴從 p 區(qū)到 n 區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?？臻g電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)+ 對(duì)于p區(qū)，空穴離開后留下了不可動(dòng)的電離受主雜質(zhì)，在pn結(jié)附近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)。 同理，在pn結(jié)附近n區(qū)一側(cè)，也出現(xiàn)了一個(gè)由電離施主雜質(zhì)構(gòu)成的正電荷區(qū)。通常把在pn結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶的電荷，稱為空間電荷。 空間電荷所存在的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。由于 在該區(qū)域沒有載流子，因此，空間電荷區(qū)又稱為載流子耗盡層。 2. 內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)+ 在空間電荷區(qū)，由這些電荷產(chǎn)生了一個(gè)從n 區(qū)指向p區(qū)，即從正電荷指向負(fù)電荷的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)，如圖所示。 在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，

8、載流子形成與擴(kuò)散電流方向相反的漂移電流。 顯然，內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)載流子的擴(kuò)散起阻礙作用。 在沒有外加電壓情況下，載流子的擴(kuò)散和漂移最終將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，沒有電流流過pn結(jié)，空間電荷區(qū)不再擴(kuò)展，稱為平衡pn結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng) 三、平衡pn結(jié) 1. pn結(jié)的能帶 由于 p 區(qū)與 n 區(qū)各自有不同的費(fèi)米能級(jí)，因此兩者相接觸時(shí)處于非平衡狀態(tài)，n 區(qū)的電子向 p 區(qū)擴(kuò)散，而 p 區(qū)空穴則向 n 區(qū)擴(kuò)散。 當(dāng)擴(kuò)散電流與反向漂移電流相等時(shí)，p區(qū)與n區(qū)的費(fèi)米能級(jí)重合，pn結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，如圖所示。 pn 由于自建電場(chǎng)由 n區(qū)指向 p區(qū)，說明p區(qū)電勢(shì)低于n區(qū)，如圖所示。 e

9、VD 由于能帶圖反映的是電子能級(jí)，因此由電勢(shì)分布可知，n區(qū)靜電勢(shì)能比 p區(qū)低，從而使結(jié)兩邊的能帶產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，直到費(fèi)米能級(jí)處處相等為止。 所以，pn結(jié)平衡時(shí)能帶是彎曲的，n區(qū)相對(duì)于p區(qū)能帶降低 eVD。 其中，n區(qū)與 p區(qū)的電勢(shì)差VD 稱為內(nèi)建電勢(shì)差。 eVD 顯然，空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲是電子電勢(shì)能變化的結(jié)果。因?yàn)槟軒澢娮訌膭?shì)能低的n區(qū)向勢(shì)能高的p區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服這個(gè)勢(shì)能差勢(shì)壘，才能到達(dá)p區(qū)； 同理，p區(qū)空穴也必須克服這個(gè)勢(shì)壘才能從p區(qū)到達(dá)n區(qū)，故通常稱eVD為pn結(jié)的擴(kuò)散勢(shì)壘，空間電荷區(qū)也稱為勢(shì)壘區(qū)。 平衡時(shí) pn 結(jié)的載流子濃度分布如圖所示。 2. 載流子分布+ 在空間電荷區(qū)p區(qū)

10、勢(shì)壘邊處的電子濃度等于p區(qū)平衡少子濃度，空穴濃度等于p區(qū)平衡多子濃度；而在n區(qū)勢(shì)壘邊處，空穴濃度等于n區(qū)少子濃度，電子濃度等于n區(qū)多子濃度。 上述分析表明，平衡時(shí)在 pn 結(jié)處形成一個(gè)高阻區(qū)域勢(shì)壘區(qū)（又稱為耗盡區(qū)），其典型寬度在10 m量級(jí)。 3. 接觸電勢(shì)差 對(duì)于突變結(jié)，p區(qū)和n區(qū)都可視為均勻摻雜。設(shè)雜質(zhì)濃度分別為Na和Nd，則由載流子數(shù)密度公式可得n區(qū)電子濃度與 p區(qū)空穴濃度分別為 即得 在室溫附近，本征激發(fā)不明顯，但雜質(zhì)基本上已全部電離，近似有 從平衡pn結(jié)的能帶圖可知，勢(shì)壘高度正好補(bǔ)償了n 區(qū)和p 區(qū)費(fèi)米能級(jí)之差，因此有 所以 因此得到內(nèi)建電勢(shì)差為 上式表明，接觸電勢(shì)差與pn結(jié)兩測(cè)的摻

11、雜濃度和溫度，以及材料的禁帶寬度有關(guān)。 對(duì)于突變結(jié)，在一定溫度下，pn結(jié)兩測(cè)的摻雜濃度越高，接觸電勢(shì)差越大；禁帶寬度越大，本征載流子濃度越小，接觸電勢(shì)差也越大。 由于硅的禁帶寬度比鍺的禁帶寬度大，因此，硅pn的接觸電勢(shì)差比硅pn的接觸電勢(shì)差大。 對(duì)于典型半導(dǎo)體，當(dāng)Na=1017cm-3、Nd=1015cm-3時(shí)，在室溫下計(jì)算得第2節(jié) pn結(jié)的電流特性上段下段目錄 當(dāng)pn結(jié)無外加電壓時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散電流等于漂移電流，所以通過pn結(jié)的凈電流為零。 當(dāng)在pn結(jié)上施加偏置電壓時(shí)，空間電荷區(qū)的電勢(shì)分布和能帶將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致擴(kuò)散和漂移的平衡被打破，pn 結(jié)處于非平衡狀態(tài)，稱為非平衡pn結(jié)。 本節(jié)

12、討論非平衡 pn 結(jié)物理特性的變化，如能帶圖、少子濃度分布、電流的傳輸和轉(zhuǎn)換，以及電流-電壓特性（伏安特性）。 在施加正向電壓V VD條件下，外電壓在勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，因而削弱了內(nèi)建電場(chǎng)，使空間電荷減少。故勢(shì)壘區(qū)的寬度將減小，同時(shí)勢(shì)壘高度由eVD下降為e(VD-V )，如圖所示。 （1）非平衡少子的電注入 1. 非平衡少子的注入與抽取p neVD 一、外加電壓下的pn結(jié) 勢(shì)壘的降低削弱了漂移運(yùn)動(dòng) ，使擴(kuò)散流大于漂移流，產(chǎn)生了凈擴(kuò)散流，構(gòu)成了pn結(jié)的正向電流。 電子通過勢(shì)壘擴(kuò)散到p區(qū)，使p區(qū)勢(shì)壘邊的電子數(shù)密度比平衡值高，即形成了非平衡少數(shù)載流子。 同理，空穴通過勢(shì)壘擴(kuò)散到n

13、區(qū)，使n區(qū)勢(shì)壘邊的空穴數(shù)密度比平衡值高，也形成了非平衡少數(shù)載流子。 這種外加正向偏壓作用使非平衡少子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程，稱為非平衡少子的電注入。 在施加反向電壓V 條件下，外電壓在勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同的電場(chǎng)，因而增強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，使空間電荷增多。故勢(shì)壘區(qū)的寬度將變寬，同時(shí)勢(shì)壘高度增大，如圖所示。 （2）非平衡少子的抽取p neVD 勢(shì)壘的增大加強(qiáng)了漂移運(yùn)動(dòng)，使擴(kuò)散流小于漂移流。 此時(shí)，n區(qū)勢(shì)壘邊的空穴，被勢(shì)壘區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)向p區(qū)，而p區(qū)勢(shì)壘邊的電子被驅(qū)向n區(qū)。 當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場(chǎng)驅(qū)走后，內(nèi)部的少子前來補(bǔ)充，從而形成了反向偏壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流。 這種情況如同少數(shù)載流子不斷

14、地被抽出來，所以將這種反向偏壓作用下非平衡少子的運(yùn)動(dòng)過程，稱為非平衡少子的抽取或吸出。p n 2. 非平衡少子分布（1）非平衡少子濃度分布eVD 在正向偏壓下，pn結(jié)的平衡被破壞，n區(qū)能帶相對(duì)p區(qū)被抬高eV，此時(shí)n區(qū)和p區(qū)的費(fèi)米能級(jí)之差為 由于在電注入下，p區(qū)和n區(qū)勢(shì)壘邊出現(xiàn)較高濃度的非平衡少子，并各自向體內(nèi)擴(kuò)散。因此，在勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)沒有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，必須用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)表示。 在p區(qū)，由于空穴濃度很高，且勢(shì)壘區(qū)很窄，費(fèi)米能級(jí)和變化可以忽略，因此空穴的費(fèi)米能級(jí)從p區(qū)到勢(shì)壘區(qū)一直保持EFpeVD 但在空穴擴(kuò)散區(qū)，由于空穴濃度遠(yuǎn)小于n區(qū)電子濃度且變化顯著，此時(shí)n區(qū)中空穴的費(fèi)米能級(jí)用空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)表

15、示。 同理，在p區(qū)電子的費(fèi)米能級(jí)用電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)表示，而在n區(qū)和勢(shì)壘區(qū)，電子的費(fèi)米能級(jí)保持EFn不變。 在p區(qū)勢(shì)壘邊處，電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)等于EFn，則電子和空穴的濃度分別為eVD即得 所以有 由于 所以得p區(qū)勢(shì)壘邊的電子濃度 同理得n區(qū)勢(shì)壘邊的空穴濃度 注入的非平衡少子向體內(nèi)邊擴(kuò)散邊復(fù)合，形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)分布，根據(jù)擴(kuò)散理論和邊界條件，可得 式中非平衡少子的擴(kuò)散長度可寫成 （2）反向pn結(jié)少子分布 在反向偏壓下，pn結(jié)的平衡被破壞，p區(qū)能帶相對(duì)n區(qū)被抬高eV，此時(shí)p區(qū)和n區(qū)的費(fèi)米能級(jí)之差為 在p區(qū)和n區(qū)勢(shì)壘邊處的少子濃度分別為 在反向抽取下，p區(qū)和n區(qū)勢(shì)壘邊的非平衡少子濃度遠(yuǎn)低于平衡少子濃度，因此，同

16、平衡少子相比，勢(shì)壘邊的少子濃度近似為零。反向偏壓下少子分布如圖所示。 此時(shí)平衡少子向勢(shì)壘邊擴(kuò)散，根據(jù)擴(kuò)散理論和邊界條件可得 3. 電流轉(zhuǎn)換和傳輸（1）正向pn結(jié)的電流轉(zhuǎn)換 在正向偏壓下，注入的非平衡少子在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)基本上被復(fù)合掉，因此流過n區(qū)和p區(qū)(擴(kuò)散區(qū)以外)的少子擴(kuò)散電流為零，其電流主要是多子的漂移電流。 在擴(kuò)散區(qū)，注入的少子擴(kuò)散電流與多子漂移電流將相互轉(zhuǎn)換：少子不斷地與多子復(fù)合而轉(zhuǎn)換成多子漂移電流，直到擴(kuò)散區(qū)邊處的注入少子全部復(fù)合。 （2）反向pn結(jié)的電流轉(zhuǎn)換 在反向抽取下，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的非平衡少子低于平衡少子濃度，因此產(chǎn)生大于復(fù)合，有電子空穴對(duì)產(chǎn)生。其中少子向勢(shì)壘邊擴(kuò)散并被電場(chǎng)掃過勢(shì)壘區(qū)，形

17、成反向漂移電流。 擴(kuò)散區(qū)中產(chǎn)生的非平衡多子，在電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng)流出擴(kuò)散區(qū)，形成反向漂移電流。 二、pn結(jié)電流電壓方程 符合以下假設(shè)條件的 pn 結(jié)，稱為理想pn結(jié)。 1. 理想pn結(jié)模型（1）小注入條件 在小注入條件下，注入的少子濃度遠(yuǎn)小于平衡多子濃度，因此p區(qū)的載流子濃度可寫成 n區(qū)的載流子濃度為 在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)自由載流子全部耗盡，空間電荷密度等于電離雜質(zhì)的電荷密度，即（2）勢(shì)壘區(qū)耗盡近似 在勢(shì)壘區(qū)以外的p區(qū)和n區(qū)沒有空間電荷，呈現(xiàn)電中性，其平衡多子濃度密度等于電離雜質(zhì)濃度，即（3）電中性近似 在耗盡近似和電中性近似情況下，外加電壓和接觸電勢(shì)差都作用在耗盡層上，耗盡層外的半導(dǎo)體為電中性，沒有

18、電壓降。（4）恒電流近似（5）非簡并近似 通過耗盡層的電子電流和空穴電流為常數(shù)，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用。 非平衡少子的濃度遠(yuǎn)小于-3，即非簡并條件，因此滿足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布。 2. 肖克萊方程式 在p-n結(jié)上加偏壓V，此時(shí)在p區(qū)勢(shì)壘邊少子電子的濃度為 由于非平衡少子的電注入，在勢(shì)壘邊處的非平衡少子濃度為 同理 ，在n區(qū)勢(shì)壘邊少子空穴的濃度為 在n區(qū)勢(shì)壘邊注入的非平衡少子的濃度為 在勢(shì)壘邊積累的少子必各向p區(qū)與n區(qū)內(nèi)部擴(kuò)散，根據(jù)恒電流條件，其擴(kuò)散流分別為 因此，流過 pn 結(jié)的電流密度為 上式就是理想pn 結(jié)模型的電流電壓方程式，又稱為肖克萊方程式。 即式中 三、pn結(jié)的伏安特性

19、pn結(jié)伏安特性曲線如圖所示。 1. pn結(jié)伏安特性曲線VI 由圖可知，pn結(jié)具有單向?qū)щ娦裕和饧诱蚱珘簳r(shí)，有正向電流流過；而在外加反向偏壓時(shí)，反向電流很小并迅速趨于飽和。（1）單向?qū)щ娦?pn結(jié)伏安特性曲線具有以下特征：VI死區(qū)電壓Si=0.6VGe=0.2V 在外加正向偏壓較小時(shí)，正向電流很小，幾乎為零。通常將這個(gè)電壓范圍稱為死區(qū)電壓，硅管是00.6V，而鍺管則為00.2V。（2）曲線特征死區(qū)電壓 VI死區(qū)電壓Si=0.6VGe=0.2V導(dǎo)通電壓Si=0.60.7VGe=0.20.3V 隨著外加正向偏壓的增加，正向電流緩慢增大，只有當(dāng)大于某個(gè)值時(shí)，正向電流才明顯增加。通常規(guī)定正向電流達(dá)到某

20、一明顯數(shù)值時(shí)所需要的外加正向電壓，稱為pn結(jié)的導(dǎo)通電壓，或門檻電壓。導(dǎo)通電壓 VI死區(qū)電壓Si=0.6VGe=0.2V導(dǎo)通電壓Si=0.60.7VGe=0.20.3V反向擊穿電壓VB 在外加反向偏壓情況下，隨著電壓的增加，反向電流迅速達(dá)到飽和。此時(shí)，繼續(xù)增加反向電壓，反向電流幾乎不變。但當(dāng)電壓增大到某個(gè)值時(shí)，反向電流迅速地增加。這個(gè)電壓稱為pn結(jié)的反向擊穿電壓。反向擊穿電壓 由肖克萊方程式，可知： 2. 理想pn結(jié)的電流電壓特性（1）pn結(jié)正向偏壓 在室溫下一般外加正向電壓約零點(diǎn)幾伏，故所以正向電流密度可以寫成 即：在正向偏壓下，正向電流密度隨正向偏壓呈指數(shù)關(guān)系迅速增大。 在反向偏壓下，VkT

21、 時(shí)（2）pn結(jié)反向偏壓所以得反向電流密度 即：在反向偏壓下，反向電流密度為常數(shù)，與外加電壓無關(guān)。 當(dāng)施加反向電壓時(shí)，外加電壓與內(nèi)建電壓極性相同，從而增加了結(jié)區(qū)的漂移電流，使之超過擴(kuò)散電流，其差值構(gòu)成反向電流。 顯然，隨著反向電壓由零開始增加 ，反向電流迅速飽和，其數(shù)值為 反向漂移電流由少子構(gòu)成，因而數(shù)值很小。事實(shí)上，當(dāng)施加反向電壓時(shí)勢(shì)壘增高，任何處于勢(shì)壘邊界的少子均被勢(shì)壘區(qū)高電場(chǎng)掃入對(duì)方，從而使勢(shì)壘區(qū)邊界少子數(shù)密度幾乎為零。式中， 都是平衡少子數(shù)密度，數(shù)值很低，因而反向飽和電流數(shù)值極小。 pn結(jié)的這種正向?qū)?、反向阻斷特性，稱為單向?qū)щ娦?，或稱為整流效應(yīng)。 綜上所述，除非極小的外加電壓，在正

22、、反向電壓下流過pn結(jié)二極管的電流數(shù)值差異懸殊：正向表現(xiàn)為低阻導(dǎo)通態(tài)，而反向則表現(xiàn)為高阻阻斷態(tài)。 由于飽和電流數(shù)值極小，因此，反向 pn 結(jié)可以看作是一個(gè)高阻阻斷層。 pn結(jié)的單向?qū)щ娦允蔷w管工作的基本原理，在檢波與整流方面得到廣泛應(yīng)用。 VI 比較pn結(jié)伏安特性的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線，可以發(fā)現(xiàn)： 3. 理論與實(shí)驗(yàn)曲線比較（1）正向偏壓情況 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果之間的偏差表現(xiàn)為： * 在正向電壓較小時(shí)，理論計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值小。* 正向電流較大時(shí)，電流電壓關(guān)系符合 * 正向電流大時(shí)，電流電壓呈現(xiàn)線性關(guān)系，而不是指數(shù)關(guān)系。 而不是理想pn結(jié)的電流電壓關(guān)系。 在反向偏壓時(shí)，實(shí)際測(cè)量的反向電流比理論計(jì)

23、算值大得多，而且反向電流不飽和，隨反向偏壓的增大而略有增加。 （2）反向偏壓情況 實(shí)驗(yàn)表明，理想pn結(jié)的電流電壓方程式同小注入下Ge-pn結(jié)符合的很好，與Si-pn結(jié)則偏差較大。影響pn結(jié)伏安特性的主要原因： * 表面效應(yīng) * 勢(shì)壘區(qū)中的產(chǎn)生和復(fù)合 * 大注入條件 * 串聯(lián)電阻效應(yīng) 四、影響pn結(jié)伏安特性的因素 1. 空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合電流（1）正向偏壓下的復(fù)合電流 在正向電壓下，p區(qū)的空穴和n區(qū)的電子進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)，使載流子濃度高于平衡值，從而導(dǎo)致復(fù)合率大于產(chǎn)生率。因此，一部分電子-空穴發(fā)生復(fù)合，形成復(fù)合電流，而不流過pn結(jié)。 設(shè)電子和空穴的壽命均為，復(fù)合中心分布均勻且具有單一有效能級(jí)，則由

24、半導(dǎo)體復(fù)合理論可得勢(shì)壘區(qū)的凈復(fù)合率為考慮到正向偏壓下，V kBT/e，則勢(shì)壘區(qū)凈復(fù)合率可簡化為若勢(shì)壘區(qū)的寬度為xd，則勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流密度為 考慮勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流后，pn結(jié)正向電流密度為* 僅當(dāng)正向偏壓比較低、或電流比較小時(shí)，復(fù)合電流才起重要作用。當(dāng)外加電壓大于0.5V時(shí)，復(fù)合電流的影響很小。 * 本征載流子濃度越大，復(fù)合電流的影響就越小。由于Ge的本征載流子濃度大，因此復(fù)合電流的影響可以忽略；而Si的本征載流子濃度較小，因此在校電流范圍內(nèi)復(fù)合電流的影響就必須考慮。 （2）反向偏壓下的產(chǎn)生電流 理想pn結(jié)的反向電流密度由p區(qū)和n區(qū)勢(shì)壘邊產(chǎn)生的少子構(gòu)成，實(shí)際上它并不代表pn結(jié)反向電流的全部，而只是

25、反向電流的一部分，常稱為體內(nèi)擴(kuò)散電流。 在反向電壓下，由于勢(shì)壘區(qū)對(duì)載流子的抽取，空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度低于平衡值，故電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率大于復(fù)合率，因此勢(shì)壘區(qū)存在產(chǎn)生電流。 勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流是反向擴(kuò)散電流之外的一個(gè)附加反向電流，因此實(shí)際pn結(jié)反向電流還應(yīng)該加上產(chǎn)生電流。 在反向偏壓且V kBT/e，勢(shì)壘區(qū)復(fù)合率為所以勢(shì)壘區(qū)凈產(chǎn)生率為若勢(shì)壘區(qū)的寬度為xd，則勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流密度為 考慮勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流后，pn結(jié)反向電流密度為 2. pn結(jié)表面的復(fù)合與產(chǎn)生電流（1）表面電荷引起的勢(shì)壘區(qū) 在二氧化硅層中，一般都含有一定數(shù)量的正電荷（如Na離子等），它們將吸引或排斥半導(dǎo)體內(nèi)的載流子，從而形成表面空間電荷區(qū)

26、。+-+- 如圖所示，在二氧化硅層中正電荷作用下，在半導(dǎo)體表面將形成負(fù)的空間電荷分布，對(duì)于pn結(jié)而言，相當(dāng)于空間電荷區(qū)延展、擴(kuò)大。 表面空間電荷區(qū)中的復(fù)合中心將引起附加的正向復(fù)合電流和反向產(chǎn)生電流。 在這里，表面空間電荷區(qū)越大，所引進(jìn)的附加電流也越大，并且在表面電荷足夠多的情況下，表面空間電荷區(qū)的寬度隨反向偏壓增加而增大，直到表面空間電荷與氧化層中電荷相等時(shí)為止。+-+-（2）硅-二氧化硅的界面態(tài) 在二氧化硅層與硅的交界面處，往往存在相等數(shù)量的、位于禁帶的能級(jí)，稱為界面態(tài)（表面態(tài)），它們與半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)能級(jí)類似，可以起到復(fù)合中心的作用。 表面態(tài)的復(fù)合中心也將引起附加的正向復(fù)合電流和反向產(chǎn)生電流

27、。（3）表面溝道電流 當(dāng)襯底雜質(zhì)濃度較低且SiO2膜中正電荷較多時(shí)，襯底表面將出現(xiàn)反型層，并與擴(kuò)散層相連，使pn結(jié)面積增大，因而反向電流增大。+-（4）表面漏導(dǎo)電流 當(dāng)pn結(jié)表面由于材料原因，或吸附水氣、金屬離子等而引起表面污染時(shí)，如同在pn結(jié)表面并聯(lián)了一個(gè)附加電導(dǎo)，因而將引起表面漏電，使反向電流增加，如圖所示。 3. 串聯(lián)電阻的影響 在制造工藝中，為了保證硅片的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)其厚度有一定的要求。同時(shí)，為了滿足pn結(jié)擊穿電壓的要求，低摻雜區(qū)的電阻率又不能太低。所以，pn結(jié)的串聯(lián)電阻較大。 當(dāng)電流流過串聯(lián)電阻時(shí)，pn結(jié)上的實(shí)際電壓應(yīng)為即，串聯(lián)電阻將導(dǎo)致pn結(jié)上實(shí)際電壓降低，從而使電流隨電壓的上升的

28、趨勢(shì)變慢。 由于結(jié)電壓與電流成對(duì)數(shù)關(guān)系，在大電流下，電壓主要增加在串聯(lián)電阻上，使電流電壓近似為線性關(guān)系。 4. 大注入的影響 在大注入情況下、由于自建場(chǎng)的作用，pn結(jié)正向電流密度應(yīng)修正為 同校注入情況下相比：* 大注入時(shí)，空穴電流密度與p區(qū)的雜質(zhì)濃度Na無關(guān)。這是由于注入p區(qū)的非平衡少子濃度比p區(qū)雜質(zhì)濃度高得多，從而削弱了雜質(zhì)濃度對(duì)正向電流的影響。 * 大注入時(shí)，相當(dāng)于少子擴(kuò)散系數(shù)大了一倍。這是由于小注入時(shí)忽略了p區(qū)電場(chǎng)作用，但在大注入情況下，電場(chǎng)的漂移作用不能忽略。若將漂移作用等效成擴(kuò)散作用，就相當(dāng)于加速了電子擴(kuò)散，使等效擴(kuò)散系數(shù)增大了一倍。 * 大注入時(shí)，正向電流隨外加電壓增加上升緩慢。這

29、是由于小注入時(shí)認(rèn)為外加電壓全部降落在勢(shì)壘區(qū)上，但在大注入情況下，外加電壓有一部分降落在p區(qū)，以建立p區(qū)自建電場(chǎng)，從而維持多子的積累，保證電中性條件。 5. 溫度的影響（1）對(duì)正、反向電流的影響 對(duì)于正向電流密度，則有正向電流 即，正向電流密度隨溫度升高加強(qiáng)。 對(duì)于反向電流密度，可以表示為反向偏壓 式中， 隨溫度變化較緩慢，故電流隨溫度的變化主要由指數(shù)項(xiàng)決定。 顯然，飽和電流隨溫度升高而迅速增大，并且禁帶越大的半導(dǎo)體，變化越快。（2）對(duì)pn結(jié)正向?qū)妷旱挠绊?隨著溫度的升高，js 將迅速增大；隨著外加中向電壓的增加，正向電流也會(huì)指數(shù)增大。因此，對(duì)于某一個(gè)特定電流值，隨著溫度升高，外加電壓將會(huì)減

30、小，即pn結(jié)正向?qū)妷篤F隨著溫度的升高而下降。 在室溫附近，一般地，溫度每升高1度，對(duì)于Ge-pn結(jié)，正向?qū)妷篤F下降2mV；而對(duì)Si-pn結(jié)，正向?qū)妷篤F將下降1mV。第3節(jié) pn結(jié)的電容特性上段下段目錄 pn結(jié)空間電荷區(qū)的電荷量隨著外加偏壓變化，表明pn結(jié)具有電容效應(yīng)。 pn結(jié)的電容效應(yīng)是pn結(jié)的基本性質(zhì)之一，它是研究半導(dǎo)體器件頻率特性的基礎(chǔ)。利用pn結(jié)電容效應(yīng)可制造變?nèi)荻O管和集成電路中所需要的電容器。 本節(jié)首先介紹pn結(jié)電容效應(yīng)及其產(chǎn)生的原因，然后給出突變結(jié)和緩變結(jié)勢(shì)壘電容的理論公式，最后給出擴(kuò)散電容的表達(dá)式。 pn結(jié)具有電容特性，它主要包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分。 當(dāng)p

31、n結(jié)加正向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少。此時(shí)，n區(qū)電子和p區(qū)空穴進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)，并中和了一部分電離施主雜質(zhì)和電離受主雜質(zhì)。這 一、pn結(jié)電容效應(yīng) 1. pn結(jié)電容效應(yīng)的來源（1）勢(shì)壘電容相當(dāng)于有一定數(shù)量的電子和空穴“存入”勢(shì)壘區(qū)。 當(dāng)減小正向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)寬度變寬，空間電荷數(shù)量增加。此時(shí)，勢(shì)壘區(qū)中的部分電子和空穴被自建電場(chǎng)掃出勢(shì)壘區(qū)，并分別進(jìn)入n區(qū)和p區(qū)。這相當(dāng)于有一定數(shù)量的電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)“取出”。 在反向偏壓下，隨著電壓的增大，勢(shì)壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少，導(dǎo)致有一定數(shù)量的電子和空穴“存入”勢(shì)壘區(qū)。 隨著電壓減小，勢(shì)壘區(qū)厚度變寬，空間電荷數(shù)量增多，導(dǎo)致一定數(shù)量的電子和空穴從勢(shì)

32、壘區(qū)釋放。 從上述分析可知：當(dāng)pn結(jié)上外加電壓變化時(shí)，自建電場(chǎng)的變化將引起勢(shì)壘區(qū)寬度和空間電荷數(shù)量的改變，從而導(dǎo)致載流子在勢(shì)壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，這種現(xiàn)象同電容器的“充電”和“放電”作用類似。這說明pn結(jié)具有電容效應(yīng)。 通常，我們將pn結(jié)勢(shì)壘區(qū)空間電荷量隨外加電壓變化的電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容，用CT 表示。 當(dāng)pn結(jié)加正向偏壓時(shí)，有電子從n區(qū)注入p區(qū)并在勢(shì)壘邊p區(qū)一個(gè)擴(kuò)散長度內(nèi)，形成非平衡電子和空穴的積累；（2）擴(kuò)散電容 隨著正向偏壓的增加，在n區(qū)和p區(qū)內(nèi)擴(kuò)散區(qū)積累的非平衡少子增加；而隨著正向偏壓的減小，擴(kuò)散區(qū)積累的非平衡少子也減少。 同樣，在n區(qū)也存在非平衡空穴和電子的積累。 當(dāng)pn結(jié)

33、加反向偏壓時(shí)，在“抽取”作用，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)非平衡載流子的積累也隨電壓變化；但由于少子濃度低于平衡值，載流子電量隨電壓的變化很小。 這種由于擴(kuò)散區(qū)電荷數(shù)量隨外加電壓變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為pn結(jié)的擴(kuò)散電容，用CD表示。 當(dāng)pn結(jié)在一個(gè)固定直流偏壓V作用下，疊加一個(gè)微小的交流電壓dV時(shí)，由微小電壓變化所引起的電荷變化dQ，稱為這個(gè)直流偏壓下的微分電容。即 微分電容有賴于pn結(jié)的直流偏壓，因此在不同偏壓下，微分電容也不相同。 2. 微分電容 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：pn結(jié)電容隨外加電壓而變化，即它們是可變電容。為此，引入微分電容。 對(duì)于突變結(jié)，勢(shì)壘區(qū)的電荷密度分布為 根據(jù)高斯定理，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)滿足 二、pn結(jié)的勢(shì)壘電

34、容 1.突變結(jié)的勢(shì)壘電容 - - - - - + + - - - - - + +xpxn - - - - - - - -+ + + + +NdNaN(x)(x)（1）電場(chǎng)分布 根據(jù)耗盡近似和電中性近似，勢(shì)壘邊處場(chǎng)強(qiáng)為零，于是可得勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)分布xpxn - - - - - - - -+ + + + +NdNaN(x)(x)E(x) 勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)分布如圖所示，電場(chǎng)方向由n區(qū)指向p區(qū)，在結(jié)處電場(chǎng)最強(qiáng)，為 （2）空間電荷分布 根據(jù)電中性條件，可得 上式也可以由最大電場(chǎng)強(qiáng)度公式獲得。這說明，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正負(fù)空間電荷區(qū)的寬度與雜質(zhì)濃度成反比。所以，當(dāng)外加電壓變化時(shí)，勢(shì)壘區(qū)主要向雜質(zhì)濃度低的一側(cè)擴(kuò)展。xpxn

35、- - - - - - - -+ + + + +NdNaN(x)(x)E(x)（3）電勢(shì)分布 勢(shì)壘區(qū)的泊松方程可寫成 由于兩個(gè)勢(shì)壘邊的電勢(shì)差為VD，所以平衡pn結(jié)勢(shì)壘區(qū)的電勢(shì)分布可寫成 利用電勢(shì)在x = 0處連續(xù)的條件，由上式可得 因?yàn)楹?（4）勢(shì)壘寬度 所以得于是，得勢(shì)壘寬度 當(dāng)pn結(jié)上加偏壓V時(shí)，勢(shì)壘區(qū)上總電壓為VD-V，則勢(shì)壘寬度可推廣為 上式表明：突變結(jié)的勢(shì)壘寬度隨外加偏壓的變化而變化。在偏壓一定時(shí)，隨結(jié)兩側(cè)的雜質(zhì)濃度的變化而變化。 對(duì)單邊突變結(jié)，勢(shì)壘區(qū)主要向輕摻雜一側(cè)擴(kuò)展。 勢(shì)壘區(qū)內(nèi)單位面積上的總電量為 利用即得 （5）勢(shì)壘電容 若pn結(jié)面積為S，則pn結(jié)的勢(shì)壘電容為 根據(jù)微分電容定

36、義，得單位面積勢(shì)壘電容為 同突變結(jié)處理相類似，若在x = 0處也采用耗盡近似，則勢(shì)壘區(qū)的空間電荷密度為式中j 為雜質(zhì)濃度梯度。 耗盡區(qū)的泊松方程可寫成 2.線性緩變結(jié)的勢(shì)壘電容 (1)電場(chǎng)分布 采用耗盡近似和中性近似，電場(chǎng)只分布在勢(shì)壘，因此勢(shì)壘邊的電場(chǎng)強(qiáng)度為零，即則勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)分布為 勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)呈現(xiàn)拋物線形狀，如圖所示。其最大電場(chǎng)在結(jié)處，為 根據(jù)電場(chǎng)分布，可得線性緩變結(jié)的電勢(shì) (2)電勢(shì)分布 利用勢(shì)壘區(qū)的接觸電勢(shì)差VD可得 則線性緩變結(jié)的電勢(shì)分布 利用電勢(shì)在x = xD/2處對(duì)稱性質(zhì)，由上式可得勢(shì)壘寬度 在pn結(jié)外加偏壓時(shí)，可以寫成 (3)勢(shì)壘寬度 勢(shì)壘區(qū)正空間電荷為即 (4)勢(shì)壘電容 根據(jù)

37、微分電容定義，可得線性緩變結(jié)的勢(shì)壘電容 顯然，pn結(jié)的勢(shì)壘電容又可以寫成即，pn結(jié)勢(shì)壘電容可以等效為一個(gè)電容變化的平行板電容器。 上述分析表明，無論是突變結(jié)還是線性緩變結(jié)，其勢(shì)壘電容均與外加電壓有關(guān)。 對(duì)于p+-n結(jié)或n+-p結(jié)，由勢(shì)壘電容公式可得 在實(shí)際應(yīng)用中，一方面可以制造變?nèi)萜骷?，另一方面，可以用來測(cè)量結(jié)附近的雜質(zhì)情況。例如：* 測(cè)量單邊突變結(jié)的雜質(zhì)濃度 式中，N0為輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度。由上式得若通過實(shí)驗(yàn)作出關(guān)系曲線則由斜率可以求得N0。 對(duì)于線性緩變結(jié)，由勢(shì)壘電容公式可得* 測(cè)量線性緩變結(jié)的雜質(zhì)濃度梯度 由實(shí)驗(yàn)作出關(guān)系曲線是一直線，從其斜率和截距可以求出雜質(zhì)濃度梯度和接觸電勢(shì)差。 無

38、論突變結(jié)還是線性緩變結(jié)，勢(shì)壘電容公式都是在耗盡層近似基礎(chǔ)上獲得的。 當(dāng)pn結(jié)反偏電壓較高時(shí)，耗盡層近似是合理的，勢(shì)壘電容的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。 但是在反向偏壓較低，特別是施加正向偏壓時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)有大量載流子通過，載流子電荷隨外加電壓變化而改變的電容效應(yīng)增大，因此，利用上述公式計(jì)算正向偏壓的pn結(jié)勢(shì)壘電容將產(chǎn)生較大的誤差，勢(shì)壘電容公式應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?3.勢(shì)壘電容公式的修正 對(duì)于不對(duì)稱突變結(jié)，在反向偏壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容可修正為式中j 為雜質(zhì)濃度梯度。 對(duì)于對(duì)稱突變結(jié) (1)突變結(jié) 對(duì)于線性緩變結(jié)，應(yīng)該修正為式中 (2)線性緩變結(jié) 另外，在正向偏壓較大時(shí)，一般需用下式計(jì)算： 實(shí)際擴(kuò)

39、散結(jié)的雜質(zhì)分布通常為余誤差函數(shù)或高斯函數(shù)，因此勢(shì)壘的計(jì)算非常復(fù)雜。 求擴(kuò)散結(jié)勢(shì)壘電容的方法： 4.實(shí)際擴(kuò)散結(jié)勢(shì)壘電容計(jì)算 (1)將擴(kuò)散結(jié)近似為突變結(jié)或線性緩變結(jié)計(jì)算 當(dāng)pn結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)濃度相差很大、襯底摻雜濃度很小，或雜質(zhì)濃度梯度很大、結(jié)深很小時(shí)，可近似為單邊突變結(jié)，采用突變結(jié)勢(shì)壘電容公式計(jì)算。 當(dāng)pn結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)濃度相差不大、襯底摻雜濃度較高、雜質(zhì)濃度梯度很小、結(jié)深較大時(shí)，可近似為線性緩變結(jié)。首先獲得雜質(zhì)濃度梯度，然后利用線性緩變結(jié)勢(shì)壘電容公式計(jì)算。 (2)查表法 例如，已知硅pn結(jié)的擴(kuò)散層表面雜質(zhì)濃度NS=1018cm-3、襯底雜質(zhì)濃度N0=1015cm-3、結(jié)深Xj= 2*10-4cm，求反

40、偏電壓V=-5.3V時(shí)，pn結(jié)的勢(shì)壘電容CT、勢(shì)壘寬度Xm和擴(kuò)散側(cè)勢(shì)壘寬度X1。 根據(jù)計(jì)算* 確定圖表 確定對(duì)應(yīng)的圖。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果* 求勢(shì)壘電容和結(jié)深 在圖找出對(duì)應(yīng)點(diǎn)，然后沿左上斜線找出與結(jié)深Xj =2 m 曲線的交點(diǎn)，再由交點(diǎn)沿水平線對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)值，可得 根據(jù)計(jì)算結(jié)果* 求擴(kuò)散側(cè)勢(shì)壘寬度 與結(jié)深曲線的交點(diǎn)，由交點(diǎn)沿水平線可得對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值 pn結(jié)加外電壓時(shí)，由于少子注入，而在擴(kuò)散區(qū)積累的少子按照指數(shù)形式分布，可寫成 將上式在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積分，可以得到單位面積的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)所積累的總電荷。 三、pn結(jié)的擴(kuò)散電容即由此可得擴(kuò)散區(qū)單位面積的微分電容 設(shè)pn結(jié)面積為S，則正向偏壓下，總的微分?jǐn)U散電容為對(duì)于p

41、+n結(jié)，則為 由于上述所用的濃度分布采用穩(wěn)態(tài)形式，因此，上式只近似應(yīng)用于低頻情況。 進(jìn)一步的分析表明：隨著頻率的增加，擴(kuò)散電容減小。 由于擴(kuò)散電容隨正向偏壓按照指數(shù)增加，所以，在大的正向偏壓時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用。第4節(jié) pn結(jié)的開關(guān)特性上段下段目錄 pn結(jié)二極管具有單向?qū)щ娦?，所以可以?dāng)作開關(guān)使用，即：當(dāng)二極管處于正向?qū)顟B(tài)時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)閉合，稱為“開”態(tài)；當(dāng)二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)斷開，稱為“關(guān)”態(tài)。 同傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)和電器開關(guān)(如繼電器)相比，pn結(jié)二極管的開關(guān)速度極快，因此在電子設(shè)備中廣泛使用。 本節(jié)著重介紹影響pn結(jié)開關(guān)特性的因素，進(jìn)而給出提高二極管開關(guān)速度的途徑。 一

42、、pn結(jié)的開關(guān)特性分析 1. 等效電路 pn結(jié)二極管的等效電路如圖所示。CfCpCjRjLs Rs 在pn結(jié)二極管的等效電路中：* Ls是電極引線電感* Rs是串聯(lián)電阻* Cp是管殼寄生電容* Cf是引線和底座之間的寄生電容* Cj是勢(shì)壘電容，在正向偏壓下，還要并聯(lián)一個(gè)擴(kuò)散電容Cd* Rj是勢(shì)壘電阻（1）正向偏壓等效電路 pn結(jié)二極管的等效電路要分正向偏壓和反向偏壓兩種情況，下面是在兩種情況下的等效電路：CpLs Rf 在正偏下pn結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)結(jié)電阻很小，并且結(jié)電容的容抗遠(yuǎn)大于結(jié)電阻，因此pn結(jié)可以等效為一個(gè)由結(jié)電阻和串聯(lián)電阻構(gòu)成的電阻，其等效電路如下圖所示。（2）反向偏壓等效電路 在

43、反偏下pn結(jié)處于未導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，結(jié)電阻遠(yuǎn)大于結(jié)電容的容抗，可以忽略。因此pn結(jié)可以等效為結(jié)電容和串聯(lián)電阻構(gòu)成的電阻，其等效電路如下圖所示。CpLS RS Cj 2. 靜態(tài)開關(guān)特性 pn結(jié)二極管并不是一個(gè)理想開關(guān)。因?yàn)槔硐腴_關(guān)在“開”態(tài)時(shí)電阻為零、電壓降也為零，而實(shí)際pn結(jié)二極管在正向?qū)〞r(shí)，總有一個(gè)電壓降VD，對(duì)Si二極管其數(shù)值為0.7V。 由于存在“正向電壓降”，因此在“開”態(tài)時(shí)，負(fù)載上的電壓并不等于外加電壓，而V-VD V。 同樣，理想開關(guān)在“關(guān)”態(tài)時(shí)電阻應(yīng)該是無窮大、電流為零，然而實(shí)際pn結(jié)二極管在反向截止時(shí)，有一個(gè)反向飽和電流反向漏電流。 3. 瞬態(tài)開關(guān)特性 在矩形脈沖電壓作用下，實(shí)

44、際pn結(jié)二極管的響應(yīng)電流波形如圖所示。uVrVft 在正向電壓Vf 作用下，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，流過pn結(jié)的正向電流為If 。itftsIfIr 當(dāng)外加偏壓階躍為反向電壓Vr 時(shí)，流過pn結(jié)的反向電流并沒有立刻變?yōu)榉聪蝻柡碗娏鱅0，而是經(jīng)過一段時(shí)間后才恢復(fù)到反向飽和電流狀態(tài)。 在反向電壓Vr 作用下，流過pn結(jié)電流從正向變?yōu)榉聪蝻柡蜖顟B(tài)經(jīng)歷的時(shí)間，稱為反向恢復(fù)時(shí)間。這一過程，稱為反向恢復(fù)過程。uVrVftitftsIfIr 事實(shí)上，當(dāng)脈沖電壓從負(fù)階躍到正時(shí)，流過pn結(jié)的電流也需要一個(gè)變化過程才達(dá)到正向電流If 值。但相比于反向恢復(fù)過程，這一上升過程經(jīng)歷的時(shí)間較小，因此影響開關(guān)速度的主要因素是反

45、向恢復(fù)時(shí)間。 由于存在“反向恢復(fù)過程”，因此二極管在快速連續(xù)的脈沖作用下的開關(guān)特性受到限制。如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比反向恢復(fù)時(shí)間短，則二極管在正、反向下都將處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)起不到開關(guān)作用。 二、pn結(jié)的反向恢復(fù)過程 1. 正向儲(chǔ)存過程 以p+n結(jié)為例，當(dāng)正向偏壓加在pn結(jié)上時(shí)，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，p+區(qū)空穴將注入n區(qū)，其濃度為空穴將向n 區(qū)內(nèi)部擴(kuò)散，根據(jù)擴(kuò)散方程，其擴(kuò)散電流可表示為 當(dāng)僅考慮擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)，注入空穴在n區(qū)的濃度為 但是，由于內(nèi)建電場(chǎng)的阻礙作用，在這一過程中n 層中將儲(chǔ)存大量的空穴，其電荷為 pn結(jié)在正向偏壓下存儲(chǔ)了大量電荷的過程稱為電荷存儲(chǔ)過程。 顯然，儲(chǔ)存的空穴與正向電流之間的

46、關(guān)系滿足 2.反向恢復(fù)過程 當(dāng)外加偏壓從正向階躍改變到反向時(shí)，二極管內(nèi)的勢(shì)壘電場(chǎng)將n區(qū)存儲(chǔ)的空穴抽回p+區(qū)，產(chǎn)生很大的反向電流，如圖所示。 當(dāng)存儲(chǔ)的空穴耗盡時(shí)，通過pn結(jié)二極管的反向電流迅速下降到反向飽和電流，形成電流階躍。 在反向電流曲線中，ts 稱為存儲(chǔ)時(shí)間，tf 稱為下降時(shí)間，tr= ts +tf 則稱為反向恢復(fù)時(shí)間。 itftsIfIr 從物理概念上看，反向恢復(fù)時(shí)間就是正向注入時(shí)儲(chǔ)存在擴(kuò)散區(qū)的非平衡少子消失的時(shí)間。（1）復(fù)合作用 根據(jù)復(fù)合理論，載流子的復(fù)合率與載流子數(shù)目成正比，與載流子的壽命成反比。因此，在復(fù)合作用下，存儲(chǔ)電荷隨時(shí)間的變化可以表示成 清除存儲(chǔ)電荷的主要機(jī)制有兩個(gè)：一是通

47、過復(fù)合作用，二是通過反向電流的抽取作用。 由于t = 0時(shí)，儲(chǔ)存電荷為則上式的解為 這說明，儲(chǔ)存電荷在復(fù)合作用下將按照指數(shù)規(guī)律衰減，其衰減時(shí)間與本征區(qū)中載流子壽命 、正向電流If 有關(guān)。載流子壽命越長，正向電流越大，反向過程中的儲(chǔ)存時(shí)間越長。（2）抽取作用 在外加反向偏壓下，勢(shì)壘邊的非平衡少子受到強(qiáng)電場(chǎng)的抽取，被抽取的載流子構(gòu)成反向電流。根據(jù)電荷守恒定律，可得設(shè)t = 0時(shí)，Q = If，則得抽取時(shí)間 顯然，加大反向電流，可以縮短抽取時(shí)間。 3.反向恢復(fù)時(shí)間（1）存儲(chǔ)時(shí)間 根據(jù)連續(xù)性方程，存儲(chǔ)電荷的時(shí)間變化率可以寫成由于t = 0時(shí)，Q = If，則由上式可得 在注入和抽取共同作用下，非平衡少

48、子的分布如圖所示。 由于反向電流是由n區(qū)少子(空穴)向勢(shì)壘區(qū)方向擴(kuò)散引起的，所以有 在儲(chǔ)存時(shí)間內(nèi)，反向電流不變，空穴在勢(shì)壘區(qū)邊的斜率也始終不變，如圖所示。 但是，在復(fù)合與抽取的作用下，儲(chǔ)存電荷逐漸減少，其變化如圖所示。 儲(chǔ)存時(shí)間是勢(shì)壘邊處非平衡少子濃度達(dá)到零時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，由如圖可知，當(dāng)當(dāng)勢(shì)壘邊少子濃度為零時(shí)，剩余儲(chǔ)存電荷為代入連續(xù)性方程的解公式，可得 這說明：存儲(chǔ)時(shí)間主要由非平衡載流子壽命、正向電流和反向電流確定。（2）下降時(shí)間 假設(shè)在反向恢復(fù)過程中，反向電流保持不變，則由連續(xù)性方程的解公式可得反向恢復(fù)時(shí)間于是可得下降時(shí)間 實(shí)際的下降時(shí)間比上式計(jì)算值大，這是由于下降時(shí)間一般比壽命短幾個(gè)數(shù)量級(jí)

49、，所以可以認(rèn)為殘存少數(shù)載流子主要是通過反向電流抽走的，此時(shí)復(fù)合還來不及起作用。另外，反向電流是逐漸減小的。 考慮到上述因素后，下降時(shí)間近似為式中： 殘存電荷 殘存電荷總量由反向電流的衰減時(shí)間tT 確定，為 雙極擴(kuò)散系數(shù) n區(qū)向兩側(cè)擴(kuò)散載流子的擴(kuò)散系數(shù)用雙極擴(kuò)散系數(shù)等效，可寫成 雜質(zhì)濃度梯度 結(jié)附近的雜質(zhì)濃度梯度為 三、提高pn結(jié)開關(guān)速度的途徑 1. 影響pn結(jié)開關(guān)速度的因素 影響pn結(jié)開關(guān)速度的關(guān)鍵是反向恢復(fù)時(shí)間，而影響反向恢復(fù)時(shí)間的主要有：（1）非平衡少數(shù)載流子的儲(chǔ)存量 反向恢復(fù)由儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間構(gòu)成，其中儲(chǔ)存電荷量越大，儲(chǔ)存時(shí)間越長。儲(chǔ)存電荷是在正向?qū)ㄟ^程中注入的，它可以表示為即電荷儲(chǔ)

50、存量與正向電流和非平衡少數(shù)載流子壽命有關(guān)。 正向電流對(duì)電荷儲(chǔ)存量的影響如圖所示，電流越大，儲(chǔ)存電荷越多。 非平衡少子壽命對(duì)電荷儲(chǔ)存量的影響如圖所示。載流子復(fù)合概率越小，少子壽命越長，其擴(kuò)散長度越大，則儲(chǔ)存的電荷也就越多。（2）儲(chǔ)存電荷的消失 消除儲(chǔ)存電荷量的機(jī)制有兩個(gè)：即復(fù)合作用和抽取作用，其中復(fù)合概率越大載流子壽命越短，反向電流越大則抽取作用越強(qiáng)。 綜上所述，影響pn結(jié)開關(guān)速度的主要因素是：正向電流、反向電流和非平衡少數(shù)載流子的壽命。因此，提高pn結(jié)開關(guān)速度應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。 2. 提高pn結(jié)開關(guān)速度的途徑（1）電路方面 減小正向電流和增大初始反向電流。正向電流越小，則儲(chǔ)存電荷越少；初始

51、反向電流越大，則對(duì)儲(chǔ)存電荷的抽取就越快。（2）器件結(jié)構(gòu)方面 非平衡少子電荷主要儲(chǔ)存在輕摻雜區(qū)，因此，減薄輕摻雜區(qū)厚度可以減少儲(chǔ)存電荷。同時(shí)，在其它條件相同時(shí)，薄基區(qū)二極管的反向抽取電流比厚基區(qū)大。（3）器件材料與工藝方面 降低少數(shù)載流子的壽命，這是提高pn結(jié)開關(guān)速度的最主要方法。 在注入和抽取電流相等的條件下，反向恢復(fù)時(shí)間與壽命之間滿足下面的經(jīng)驗(yàn)公式 在半導(dǎo)體材料中引入復(fù)合中心可以降低少數(shù)載流子壽命，通常采用摻金、摻鉑、電子輻射、中子輻射等工藝實(shí)現(xiàn)。 金在硅中是有效的復(fù)合中心，因此在開關(guān)二極管中常采用摻金的方法來提高其開關(guān)速度。在工藝上一般采用高溫?cái)U(kuò)散、快速冷卻的方法，使高溫下進(jìn)入硅中的金凍結(jié)

52、在材料中。 半導(dǎo)體材料中金的濃度與反向恢復(fù)時(shí)間滿足下面的經(jīng)驗(yàn)公式第5節(jié) pn結(jié)的擊穿特性上段下段目錄 當(dāng)施加在p-n結(jié)上的反向偏壓增大到某一個(gè)數(shù)值時(shí)，反向電流密度突然開始迅速增大的現(xiàn)象，稱為pn結(jié)擊穿。 在擊穿現(xiàn)象中，電流增大的基本原因不是由于遷移率的增大，而是由于載流子數(shù)目的增加。 pn結(jié)的擊穿有兩種情況，即電擊穿和熱擊穿。其中電擊穿又分為兩種類型：雪崩擊穿和隧道擊穿。 下面對(duì)這三種擊穿的機(jī)理給予簡單說明。 一、pn結(jié)的雪崩擊穿 流過pn結(jié)的反向電流，主要由擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的少子電流組成。 1. 雪崩擊穿機(jī)理（1）碰撞電離 當(dāng)反向偏壓很大時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)很強(qiáng)。此時(shí)，進(jìn)入到勢(shì)壘區(qū)的少子將被強(qiáng)電場(chǎng)加

53、速。隨著載流子速度的加大，其動(dòng)能越來越大。具有很大動(dòng)能的載流子在與勢(shì)壘區(qū)晶格原子發(fā)生碰撞時(shí)，將能把價(jià)鍵上的電子碰撞出來，成為導(dǎo)帶電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。這種載流子碰撞晶格產(chǎn)生電子空穴對(duì)的過程，稱為碰撞電離。 為了定量描述碰撞電離現(xiàn)象，通常把每個(gè)載流子在單位距離內(nèi)通過碰撞電離而產(chǎn)生的電子-空穴數(shù)目稱為碰撞電離率，可近似地表示為式中，E為勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度，ci 和n 均為常數(shù)。對(duì)于硅和鍺pn結(jié)，常數(shù)為對(duì)于硅和鍺pn結(jié)，有效電離率可寫成 顯然，碰撞電離率主要集中在電場(chǎng)最大處附近。在勢(shì)壘寬度內(nèi)積分，可得一個(gè)載流子通過勢(shì)壘區(qū)時(shí)，由碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴數(shù)為（2）雪崩倍增效應(yīng) 碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴在電

54、場(chǎng)中也將被電場(chǎng)加速，并獲得足夠的能量。它們也將同晶格發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，使碰撞電離過程繼續(xù)下去。 這種使載流子不斷增殖的方式，稱為載流子的倍增效應(yīng)。 由于這種載流子倍增效應(yīng)與雪崩過程相似，故稱為雪崩倍增效應(yīng)。 為了表示雪崩倍增的程度，引入一個(gè)參數(shù)，稱為雪崩倍增因子，其定義為流出勢(shì)壘區(qū)的電流與流入 勢(shì)壘區(qū)的電流之比。即式中，I0為pn結(jié)的反向飽和電流，I為發(fā)生雪崩倍增后的反向電流。 由于雪崩倍增效應(yīng)，使勢(shì)壘區(qū)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子，迅速增大了反向電流，從而使pn 結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，對(duì)應(yīng)的電壓稱為雪崩擊穿電壓。 根據(jù)碰撞電離率和雪崩倍增因子的定義，利用pn結(jié)電流關(guān)系，可得p+n結(jié)

55、空穴電流雪崩倍增因子與碰撞電離的關(guān)系。即（3）雪崩擊穿條件 同理可得pn+結(jié)電子電流雪崩倍增因子與碰撞電離的關(guān)系 在忽略電子與空穴電離率差別時(shí)，引入有效電離率此時(shí)，雪崩倍增因子與碰撞電離率的關(guān)系可簡化為 由上式可知，pn結(jié)發(fā)生雪崩擊穿的條件為 此外，由實(shí)驗(yàn)可知，雪崩倍增因子還隨外加偏壓變化，其規(guī)律為式中m為常數(shù)，其數(shù)值根據(jù)半導(dǎo)體材料低摻雜濃度一側(cè)的導(dǎo)電類型而定。 顯然，雪崩擊穿除與勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)外，還與勢(shì)壘寬度有關(guān)。 2.雪崩擊穿電壓（1）單邊突變結(jié) 臨界電場(chǎng) 對(duì)于單邊突變結(jié)，空間電荷區(qū)幾乎全部擴(kuò)展在低摻雜區(qū)一側(cè)。根據(jù)突變結(jié)電場(chǎng)分布公式，有進(jìn)行積分變換，得代入雪崩擊穿條件即根據(jù)邊界條件，雪

56、崩擊穿的臨界電場(chǎng)為 擊穿電壓 由單邊突變結(jié)空間電荷區(qū)寬度公式和最大電場(chǎng)公式單邊突變結(jié)最大電場(chǎng)與電壓關(guān)系當(dāng)最大電場(chǎng)達(dá)到雪崩擊穿臨界電場(chǎng)時(shí)，pn結(jié)發(fā)生擊穿，此時(shí)的外加電壓就是擊穿電壓。由于擊穿電壓遠(yuǎn)大于VD，則由臨界電場(chǎng)公式可得 單邊突變結(jié)雪崩擊穿電壓還可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，這個(gè)公式適合各種半導(dǎo)體材料。（2）線性緩變結(jié) 臨界電場(chǎng) 對(duì)于線性緩變結(jié)，電場(chǎng)分布為在x=0處，電場(chǎng)強(qiáng)度最大，為在x=xD/2處，電場(chǎng)強(qiáng)度為零。進(jìn)行積分變換，得代入雪崩擊穿條件即解上述積分，并利用邊界條件，得雪崩擊穿的臨界電場(chǎng)為 擊穿電壓 由線性緩變結(jié)空間電荷區(qū)寬度公式可得線性緩變結(jié)最大電場(chǎng)與電壓關(guān)系由臨界電場(chǎng)公式可得線性緩變結(jié)的

57、擊穿電壓 線性緩變結(jié)雪崩擊穿電壓還可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，這個(gè)公式適合各種半導(dǎo)體材料。（3）實(shí)際擴(kuò)散結(jié)的雪崩擊穿電壓 對(duì)于實(shí)際的擴(kuò)散結(jié)，在擴(kuò)散層表面雜質(zhì)濃度NS比較高、結(jié)深比較淺時(shí)，可用突變結(jié)公式計(jì)算。而NS較低且結(jié)深較深時(shí)，采用線性緩變結(jié)公式計(jì)算； 一般地，由于擴(kuò)散結(jié)的雜質(zhì)分布為高斯函數(shù)或余誤差函數(shù)，雪崩擊穿電壓的計(jì)算比較復(fù)雜，需要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，或利用數(shù)據(jù)表計(jì)算。 3.影響雪崩擊穿電壓的因素（1）材料參數(shù)的影響 由pn結(jié)雪崩擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式 上式說明，影響pn結(jié)雪崩擊穿電壓的主要材料參數(shù)是禁帶寬度和低摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度或雜質(zhì)濃度梯度。 由上式可知，選用禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料，可以提高pn結(jié)的雪

58、崩擊穿電壓，在三種典型半導(dǎo)體材料中，GaAs、Si、Ge的禁帶寬度依次減小。 此外，要通過pn結(jié)的雪崩擊穿電壓可選用低摻雜的高電阻材料做襯底，或通過深擴(kuò)散以降低雜質(zhì)濃度梯度。（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響 pn結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雪崩擊穿電壓有較大的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 外延層的厚度 為了減小串聯(lián)電阻，pn結(jié)通常做在高摻雜襯底上面的低摻雜外延層內(nèi)。外延層的厚度限制，對(duì)pn結(jié)的擊穿電壓有直接的影響。 單邊突變結(jié)的電場(chǎng)分布如圖所示，當(dāng)最大電場(chǎng)達(dá)到Ec時(shí)，pn結(jié)將發(fā)生雪崩擊穿。 如果pn結(jié)外延層足夠厚，以致發(fā)生雪崩擊穿時(shí)勢(shì)壘區(qū)仍在外延層內(nèi)，則雪崩擊穿電壓即為圖中三角形面積。 如果pn結(jié)外延層比較薄，以致發(fā)

59、生雪崩擊穿時(shí)勢(shì)壘區(qū)已穿通外延層，此時(shí)勢(shì)壘區(qū)寬度受到限制，則雪崩擊穿電壓即為圖中梯形面積。 通過對(duì)面積的計(jì)算，得這說明，在外延層厚度小于雪崩擊穿時(shí)的勢(shì)壘厚度時(shí)，雪崩擊穿電壓下降。并且，外延層厚度越小，雪崩擊穿電壓也越小。 為了防止外延層出現(xiàn)穿通以致于使雪崩擊穿電壓下降，外延層厚度必須大于雪崩擊穿時(shí)勢(shì)壘區(qū)寬度和結(jié)深之和。即 擴(kuò)散結(jié)的結(jié)深 采用平面工藝制造的pn結(jié)，在雜質(zhì)通過二氧化硅窗口向體內(nèi)擴(kuò)散同時(shí)，也沿表面方向橫向擴(kuò)散，其擴(kuò)散深度與縱向近似相同。 因此，擴(kuò)散結(jié)的底部是一個(gè)平面，而其側(cè)面則近似為1/4圓柱形曲面，這部分稱為柱面結(jié)；如果二氧化硅窗口中有尖銳的角，則尖角附近的形狀近似為1/8球面，稱為

60、球面結(jié)。球面結(jié)平面結(jié)柱面結(jié) 在雜質(zhì)濃度、結(jié)深和反向偏壓相同條件下，平面結(jié)，柱面結(jié)和球面結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)分布如圖所示。球面結(jié)平面結(jié)柱面結(jié) 因?yàn)榉聪蚱珘合嗤矫娼Y(jié)，柱面結(jié)和球面結(jié)電場(chǎng)分布曲線下面的面積相等，但是空間電荷區(qū)的厚度不同，球面結(jié)最小而平面結(jié)最大，因此球面結(jié)的最大電場(chǎng)大于柱面結(jié)、大于平面結(jié)。又由于碰撞電離率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而快速增大，因此球面結(jié)的擊穿電壓小于柱面結(jié)、柱面結(jié)擊穿電壓小于平面結(jié)擊穿電壓。 對(duì)于淺擴(kuò)散結(jié)，相應(yīng)的柱面結(jié)和球面結(jié)曲率半徑較小，引起的電場(chǎng)集中效應(yīng)比較明顯，因此，擊穿電壓下降的特別顯著。 為了減小結(jié)深對(duì)pn結(jié)擊穿電壓的影響，可采用以下措施：* 深結(jié)擴(kuò)散 通過增加擴(kuò)散結(jié)