半導(dǎo)體物理器件

1、第1頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二引言PN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除金屬半導(dǎo)體接觸器件外，所有結(jié)型器件都由PN結(jié)構(gòu)成。PN結(jié)本身也是一種器件整流器。PN結(jié)含有豐富的物理知識(shí)，掌握PN結(jié)的物理原理是學(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件物理的基礎(chǔ)。由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)接觸（原子級(jí)接觸）所形成的結(jié)構(gòu)叫做PN結(jié)。任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學(xué)接觸都稱為結(jié)（junction）,有時(shí)也叫做接觸（contact）。1.PN結(jié)定義：第2頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二引言2.幾種分類：因此PN結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)、異型同質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)

2、之分。廣義地說，金屬和半導(dǎo)體接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過為了意義更明確，把它們叫做金屬半導(dǎo)體接觸或金屬半導(dǎo)體結(jié)（M-S結(jié)）。 同質(zhì)結(jié)：由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如硅）；異質(zhì)結(jié)：由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如硅和鍺） ；同型結(jié)：由同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié) （如P-硅和P-鍺、N-硅和N-鍺）；異型結(jié)：由不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié) （如P-硅和N-硅、P-鍺和N鍺）；第3頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二引言3.采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程(a)拋光處理后的型硅晶片(b)采用干法或濕法氧化 工藝的晶片氧化層制作 (c)光刻膠層勻膠及堅(jiān)膜 （d)圖形掩膜、曝光 (e)曝光后去掉擴(kuò)散

3、窗口膠膜的晶片n - Si光刻膠SiO2N+（f)腐蝕SiO2后的晶片 第4頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程(g)完成光刻后去膠的晶片 (i)蒸發(fā)/濺射金屬 （j） PN 結(jié)制作完成 (h)通過擴(kuò)散（或離子注入）形成 PN結(jié)P - SiN - SiSiO2N+第5頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二引言4.突變結(jié)與線性緩變結(jié) 1)突變結(jié)： P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)過渡陡峭單邊突變結(jié)（一側(cè)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一側(cè)的質(zhì)濃度的突變結(jié)）Na-Nd0 x Na-Nd xj第6頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分

4、，星期二引言4.突變結(jié)與線性緩變結(jié) 2)線性緩變結(jié)： 在線性區(qū)：兩區(qū)之間雜質(zhì)過渡是漸變的 Na-Nd0 x xj-ax第7頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)1.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)恒定原理）在形成結(jié)之前N型材料中費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，P型材料中費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂。當(dāng)N型材料和P型材料被連接在一起時(shí)，費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)必定恒等。p n CE FE iE VE 0yq 漂移 漂移 擴(kuò)散 擴(kuò)散 E ny py （a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖 （b）接觸后的能帶圖第8頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1

5、熱平衡PN結(jié)2.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)劃分）恒定費(fèi)米能級(jí)的條件是由電子從N型一邊轉(zhuǎn)移至P型一邊，空穴則沿相反方向轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的。電子和空穴的轉(zhuǎn)移在N型和P型各邊分別留下未被補(bǔ)償?shù)氖┲麟x子和受主離子。它們是荷電的，固定不動(dòng)的，稱為空間電荷?？臻g電荷存在的區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。（c） 與（b）相對(duì)應(yīng)的空間電荷分布 第9頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)3.幾個(gè)概念耗盡近似：在空間電荷區(qū)，與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，這種近似稱為耗盡近似。因此空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)（又稱為耗盡層）。在完全耗盡的區(qū)域，自由載流子密度為零。內(nèi)建電勢(shì)差：由于內(nèi)

6、建電場(chǎng)，空間電荷區(qū)兩側(cè)存在電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差叫做內(nèi)建電勢(shì)差（用 表示）。勢(shì)壘區(qū)：N區(qū)電子進(jìn)入P區(qū)需要克服勢(shì)壘，P區(qū)空穴進(jìn)入N區(qū)也需要克服勢(shì)壘。于是空間電荷區(qū)又叫做勢(shì)壘區(qū)。中性近似：假設(shè)耗盡區(qū)以外，在雜質(zhì)飽和電離情況下，多子濃度等于電離雜質(zhì)濃度 ，因而保持電中性，因此PN結(jié)空間電荷區(qū)外部區(qū)域常稱為中性區(qū)。中性區(qū)自由載流子濃度與雜質(zhì)濃度相等，不存在電場(chǎng)。第10頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)4.空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差(N型一邊和P型一邊中性區(qū)之間的電位差）方法一：（中性區(qū)電中性條件）由一維泊松方程：取費(fèi)米勢(shì)為零基準(zhǔn)時(shí)：（2-2）由中性區(qū)電中性條件，即電荷的

7、總密度為零。得到：即：（2-4）第11頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)方法一：（中性區(qū)電中性條件）（2-5）對(duì)于N型的中性區(qū)，假設(shè) ， 。即 ，連并（2-2a）代入（2-4）中，得N區(qū)中性區(qū)電勢(shì)為：采用同樣的方法，得到P型中性區(qū)的電勢(shì)為：（2-6）因而，在N型一邊與P型一邊中性區(qū)之間的電位差為（2-7）第12頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)方法二：（費(fèi)米能級(jí)恒定）從費(fèi)米能級(jí)恒定的觀點(diǎn)來看，熱平衡PN結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。形成PN結(jié)之前N區(qū)費(fèi)米能級(jí)比P區(qū)費(fèi)米能級(jí)高。形成PN結(jié)之后，費(fèi)米能級(jí)恒定要求N區(qū)費(fèi)米能級(jí)

8、相對(duì)P區(qū)費(fèi)米能級(jí)下降，則原費(fèi)米電勢(shì)差 即PN結(jié)中N型與P型中性區(qū)間電勢(shì)差 。未形成PN結(jié)之前的N區(qū)（P區(qū)）的電子（空穴）濃度為：可以得到分別的費(fèi)米能級(jí)為：再由熱電勢(shì)，得：第13頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二方法三：（在平衡狀態(tài)下，凈的空穴電流密度為零）并可進(jìn)一步求出內(nèi)建電勢(shì)為從上式可解出內(nèi)建電場(chǎng)， 由于 ， ，故得：第14頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)5. 利用Poisson方程求解單邊突變結(jié) (P+N) SCR內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度N側(cè)Poisson方程：P側(cè)Poisson方程：空間電荷的電中性：空

9、間電荷層寬度：對(duì)于單邊突變結(jié)：?jiǎn)芜呁蛔兘Y(jié)電荷分布、電場(chǎng)分布、電勢(shì)分布第15頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)對(duì)N側(cè)Poisson方程邊界條件：應(yīng)用做一次積分：得：邊界條件：再次積分：第16頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)很小，由電勢(shì)連續(xù)性，內(nèi)建電勢(shì)差：擴(kuò)散電勢(shì)或自建電勢(shì)熱平衡下的勢(shì)壘高度耗盡層寬度：思考： 利用Poisson方程求解突變結(jié)SCR（非單邊）內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度第17頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.1熱平衡PN結(jié)6.學(xué)習(xí)要求1)掌握下列名詞、術(shù)語

10、和基本概念：PN結(jié)、突變結(jié)、線性緩變結(jié)、單邊突變結(jié)、空間電荷區(qū)、耗盡近似、中性區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、勢(shì)壘。2)分別采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋PN結(jié)空間電荷區(qū)（SCR)的形成3)正確畫出熱平衡PN 結(jié)的能帶圖（圖2.3a、b）。4)利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差公式：5)解Poisson方程求解單邊突變結(jié)SCR內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度。（2-7）第18頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二第19頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.2加偏壓的PN結(jié)1.加偏壓的PN結(jié)的能帶圖1)熱平衡時(shí)2)加正向偏壓時(shí)耗

11、盡層寬度為耗盡層寬度為第20頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.2加偏壓的PN結(jié)加正向偏壓時(shí)遠(yuǎn)離PN結(jié)空間電荷區(qū)的中性區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 和 。偏壓 使熱平衡費(fèi)米能級(jí)分裂，N區(qū)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 相對(duì)P區(qū)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 上移 。相應(yīng)地，N區(qū)各個(gè)能級(jí)上移 。勢(shì)壘高度降至 。在空間電荷區(qū)由于 ，可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí) 和 通過空間電荷區(qū)時(shí)分別不變。在空間電荷區(qū)N側(cè)，空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)從 逐漸升高,最后與準(zhǔn)電子費(fèi)米能級(jí) 相等。這個(gè)空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)變化的區(qū)域，稱為空穴擴(kuò)散區(qū)。類似地，在空間電荷區(qū)P側(cè) 逐漸下降,最后與空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 相等。這個(gè)電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)變化的區(qū)域，稱為電子擴(kuò)散區(qū)。第21頁，共94頁，

12、2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.2加偏壓的PN結(jié)3)加反偏壓時(shí)耗盡層寬度為N區(qū)接正電位，在遠(yuǎn)離PN結(jié)空間電荷區(qū)的中性區(qū)， 及諸能級(jí)相對(duì)P區(qū) 下移 。在空間電荷區(qū)由于載流子耗盡，通過空間電荷區(qū)時(shí) 和 不變。勢(shì)壘高度增加至 ，增高的勢(shì)壘阻擋載流子通過PN結(jié)擴(kuò)散，通過PN結(jié)的電流非常小，結(jié)的阻抗很高。耗盡層寬度（突變結(jié)）：（2-23）第22頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.2加偏壓的PN結(jié)4)根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析結(jié)的單向?qū)щ娦栽陔娮訑U(kuò)散區(qū)和空穴擴(kuò)散區(qū)， 不等于常數(shù)，根據(jù)修正歐姆定律必有電流產(chǎn)生，由于 ，電流沿x 軸正方向，即為正向電流。又由于在空間

13、電荷區(qū)邊界注入的非平衡少子濃度很大，因此在空間電荷區(qū)邊界電流密度也很大( ， ) 離開空間電荷區(qū)邊界隨著距離的增加注入的非平衡少子濃度越來越?。╡指數(shù)減少），電流密度也越來越小。反偏壓 使得PN結(jié)N型中性區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于P型中性區(qū)的降低 。擴(kuò)散區(qū)費(fèi)米能級(jí)的梯度小于零，因此會(huì)有反向電流產(chǎn)生。由于空間電荷區(qū)電場(chǎng)的抽取作用，在擴(kuò)散區(qū)載流子很少， 很小，因此雖然有很大的費(fèi)米能級(jí)梯度，電流卻很小且趨于飽和。第23頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.2加偏壓的PN結(jié)5)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析結(jié)的單向?qū)щ娦?正偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由 下降到 打破了PN結(jié)的熱平衡，使

14、載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)即造成少子的正向注入且電流很大。反偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由 上升到 同樣打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的漂移運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)這種漂移是N區(qū)少子空穴向P區(qū)和P區(qū)少子電子向N區(qū)的漂移，因此電流是反向的且很小。第24頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.2加偏壓的PN結(jié)在正偏壓下，外加電壓降低了PN結(jié)的勢(shì)壘，加強(qiáng)了電子從N側(cè)到P側(cè)的擴(kuò)散以及空穴從P側(cè)到N側(cè)的擴(kuò)散。2. 少數(shù)載流子的注入與輸運(yùn)N側(cè)和P側(cè)平衡電子濃度N側(cè)和P側(cè)平衡空穴濃度自建電勢(shì)：（2-27）平衡時(shí)結(jié)邊緣的載流子濃度第25頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.2加偏壓的

15、PN結(jié)加上偏壓 ，結(jié)電勢(shì)變?yōu)?N側(cè)和P側(cè)空間電荷層邊緣的電子濃度考慮低水平注入，得：類推得：空間電荷層邊緣的少數(shù)載流子濃度正向少子注入：當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)邊緣反向少子抽?。寒?dāng)PN結(jié)加上反向偏壓時(shí)，在結(jié)邊緣1)結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度第26頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.2加偏壓的PN結(jié)2)空間電荷效應(yīng)和擴(kuò)散近似在注入載流子存在的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足。注入載流子通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這種近似稱為擴(kuò)散近似。在擴(kuò)散近似下，穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程。注入P+N結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布第27頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)

16、39分，星期二2.2加偏壓的PN結(jié)3.學(xué)習(xí)要求1)掌握名詞、術(shù)語和基本概念：正向注入、反向抽取、擴(kuò)散近似、擴(kuò)散區(qū)2)正確畫出加偏壓PN結(jié)能帶圖。3)根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析結(jié)的單向?qū)щ娦?)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析結(jié)的單向?qū)щ娦?)掌握反偏壓下突變結(jié)，耗盡層寬度公式（2-23）6)導(dǎo)出少數(shù)載流子濃度公式 （2-29）和（2-30）第28頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二第29頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性1.理想的P-N結(jié)的基本假設(shè)及其意義1)外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上，耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體是電中性的

17、，這意味著忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻。2)均勻摻雜。無內(nèi)建電場(chǎng)，載流子不作漂移運(yùn)動(dòng)。3)空間電荷區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流。4)小注入，即5)半導(dǎo)體非簡(jiǎn)并第30頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性2.載流子分布滿足邊界條件解得解穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程第31頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性2.載流子分布對(duì)于長(zhǎng)二極管 ，上式簡(jiǎn)化為PN結(jié)P側(cè)的電子分布為少數(shù)載流子分布第32頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性3.電流分布對(duì)于長(zhǎng)二極管，空

18、穴注入所引起的擴(kuò)散電流為在空間電荷層邊緣（2-40），空穴電流為空穴電流分布改寫為（2-42）第33頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性3.電流分布（2-47）類似，電子電流分布為空穴電流分布為第34頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性3.電流分布公式（2-42）和（2-47）指出，由于少子電流沿遠(yuǎn)離PN結(jié)的方向而e指數(shù)地減小。因?yàn)榭傠娏飨鄬?duì)于x來說必定不變，才能滿足電流連續(xù)性。所以多子電流必須隨著x增加而增加，以補(bǔ)償空穴電流的下降。也就是說，少子電流通過電子空穴對(duì)的復(fù)合不斷地轉(zhuǎn)換為

19、多子電流。電子電流和空穴電流：忽略空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流，得總電流：二極管飽和電流第35頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性4.PN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)方式(一般是反向飽和電流)理想PN結(jié)飽和電流來源于擴(kuò)散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的非平衡少數(shù)載流子。（2-49d）（2-49c）二極管飽和電流由電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流兩部分構(gòu)成（2-49a）（2-49b）對(duì)于P+N(N+P)單邊突變結(jié)，電子電流（空穴電流）可以忽略與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度有密切的關(guān)系。禁帶寬度大，其值越小。第36頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想P

20、N結(jié)的直流電流電壓特性5.反向偏置PN結(jié)的少子分布和電流分布（a）少數(shù)載流子分布（b）少數(shù)載流子電流（c）電子電流和空穴電流反向偏壓反向飽和電流分別是PN結(jié)空穴擴(kuò)散區(qū)和電子擴(kuò)散區(qū)所發(fā)生的空穴產(chǎn)生電流和電子產(chǎn)生電流第37頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性6.PN結(jié)的典型電流電壓特性 PN結(jié)正向電流隨外加電壓e指數(shù)增加，反向電流則很小，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。?8頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.3理想PN結(jié)的直流電流電壓特性7.學(xué)習(xí)要求1)了解理想PN結(jié)基本假設(shè)及其意義。2)根據(jù)公式（2-37）導(dǎo)出長(zhǎng)PN結(jié)

21、少子分布表達(dá)式。3)理解公式（2-48）、（2-49)。4)根據(jù)公式（2-49d）解釋理想PN結(jié)反向電流的來源。5)畫出正偏壓下PN結(jié)少子分布、電流分布和總電流示意圖。6)理解反偏壓下PN結(jié)少子分布、電流分布和總電流示意圖。第39頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流1.復(fù)合電流（在正偏壓的時(shí)候出現(xiàn)）正偏壓使得空間電荷層邊緣處的載流子濃度增加，以致 ，這些過量載流子穿越空間電荷層，使得超過平衡值，因此，在空間電荷層中會(huì)有復(fù)合。復(fù)合電流：考慮最大復(fù)合條件外加電壓 V 時(shí)，在勢(shì)壘區(qū)中，平衡時(shí)，可見：當(dāng) V = 0 時(shí)，np = ni2 ，U

22、= 0 ， 不發(fā)生凈復(fù)合； 當(dāng) V 0 時(shí)，np ni2 ，U 0 ， 發(fā)生凈復(fù)合； 當(dāng) V 0 時(shí)，np ni2 ，U VT 時(shí)，把擴(kuò)散電流記為3.復(fù)合電流與擴(kuò)散電流的比較（對(duì)于P+N結(jié)）上式表明，若 越小，電壓愈低，則勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大；半導(dǎo)體材料的禁帶寬度愈大，勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流愈大；硅PN結(jié)比鍺PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流大； PN結(jié)輕摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度愈大，勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流愈大。 第43頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流4.產(chǎn)生電流（在反向偏壓的時(shí)候出現(xiàn)）PN結(jié)處于反向偏壓，空間電荷區(qū)中 ，有：產(chǎn)生率：產(chǎn)生電流：由于空間電荷層的寬度隨著

23、反向偏壓的增加而增加因而反向電流是不飽和的，產(chǎn)生電流也隨著反向偏壓的增加而增加。第44頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流5.學(xué)習(xí)要求理解并掌握概念：正偏復(fù)合電流 反偏產(chǎn)生電流推導(dǎo)公式（2-54）、（2-57）、（2-61）理解低偏壓下空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)，隨著電壓增加擴(kuò)散電流越來越成為主要成分第45頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二第46頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.5隧道電流1.量子力學(xué)的隧道效應(yīng)當(dāng)PN結(jié)的P側(cè)和N側(cè)均為重?fù)诫s的情況時(shí)，有些載流子可能穿透勢(shì)壘而產(chǎn)生額外的電流

24、2.產(chǎn)生隧道電流的條件（1）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；（2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；（3）在相同的能量水平上在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的能帶中有空的狀態(tài)。當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體時(shí)，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。第47頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.5隧道電流3.隧道效應(yīng)p(a)0K和沒有外加偏壓(b)外加正向偏壓(c)外加正向偏壓第48頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.5隧道電流4.隧道效應(yīng)(d)外加正向偏壓(e)外加反向偏壓第49頁，共94頁，2022年，5月20日

25、，17點(diǎn)39分，星期二2.5隧道電流5.隧道機(jī)制分析簡(jiǎn)化的隧道穿透幾率：勢(shì)壘高度空間電荷層寬度（勢(shì)壘厚度）代入得：（2-64）則隧道電流可為：隧道電子的速度第50頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.5隧道電流5.隧道機(jī)制分析若摻雜密度稍予減少，使正向隧道電流可予忽略，電流電壓曲線則將被改變成示于圖2-14b中的情形。這稱為反向二極管第51頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.5隧道電流6.隧道二極管的特點(diǎn)和應(yīng)用上的局限性（1）隧道二極管是利用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時(shí)間內(nèi)通過結(jié)的多數(shù)載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低的噪聲。（2

26、）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體制成，由于溫度對(duì)多子的影響小，使隧道二級(jí)管的工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子渡越時(shí)間的限制，因此可以在極高頻率下工作。這種優(yōu)越的性能，使隧道二級(jí)管能夠應(yīng)用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電路以及低噪音微波放大器。由于應(yīng)用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二極管的利用受到限制 。第52頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二7.學(xué)習(xí)要求了解產(chǎn)生隧道電流的條件畫出能帶圖解釋隧道二極管的IV特性了解隧道二極管的特點(diǎn)和局限性2.5隧道電流第53頁，共94頁，202

27、2年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二1.PN結(jié)處于正向偏置2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系總電流（擴(kuò)散電流）：（2-48）復(fù)合電流：（2-57）得：（2-66）式中 隨溫度的增加而迅速增加，可見在高于室溫時(shí)，不太大的正偏壓（Si0.3V）就使 占優(yōu)勢(shì)。 第54頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.PN結(jié)處于反向偏置2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系（2-67）隨著溫度增加， 增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)。無論是在正向還是反向偏置，PN結(jié)的溫度特性主要取決于二極管方程：（2-48）反向偏壓情況下，二極管IV特性的溫度效應(yīng)：（2-49b）第55頁，共94頁，2022年，5月20日，

28、17點(diǎn)39分，星期二3.PN結(jié)處于反向偏置2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系（2-49b）相對(duì)來說，括號(hào)內(nèi)的參量對(duì)溫度變化不靈敏。 （2-68）對(duì)T求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以 ，得到（2-69）反映了反偏壓情況下，二極管IV特性的溫度效應(yīng)。20 40 60 80 100 101 102 103 100 VR=6V T C 第56頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二4.PN結(jié)處于正向偏置2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系?。?-70）導(dǎo)出：代入（2-69）式，得到 （2-72）I，A 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10-4 10-3 10-2 10-1 100 10-5 150

29、C 25C -55C VV 結(jié)電壓隨溫度變化十分靈敏，常用來精確測(cè)溫和控溫第57頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二5.學(xué)習(xí)要求了解PN結(jié)IV特性的溫度依賴關(guān)系了解公式（2-68）、（2-72）、（2-73）2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系第58頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二1.耗盡層電容 已經(jīng)證明耗盡層寬度是偏置電壓的函數(shù)，由于在結(jié)的兩個(gè)半邊內(nèi)空間電荷直接正比于耗盡層寬度，則有：2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管（2-74）空間電荷層小信號(hào)電容：得：（2-76）C稱為過渡電容或耗盡層電容有時(shí)亦稱為勢(shì)壘電容第59頁，共94頁，2022年，5

30、月20日，17點(diǎn)39分，星期二1.耗盡層電容 2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管PN結(jié)空間電荷區(qū)空間電荷隨外加偏壓變化所引起的電容。 常用 關(guān)系： （2-77）21C 0y RV 1、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計(jì)算出施主濃度。2、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處第60頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.求雜質(zhì)分布 2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管在雜質(zhì)分布未知的PN結(jié)中，可以利用電容電壓曲線描繪出輕摻雜一邊的雜質(zhì)分布，此稱求雜質(zhì)分布。考慮任意雜質(zhì)分布：（2-78）x ()xN ()WN W dW 式中 是在空間電荷層邊緣 處的雜質(zhì)濃度。由泊松方程

31、，電場(chǎng)增量是與電荷增量之間具有如下關(guān)系：電場(chǎng)增量偏壓增量的具有如下關(guān)系： （2-80）第61頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.求雜質(zhì)分布 2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由 得： 勢(shì)壘電容把（2-79）式至（2-81）式代入（2-78）式并將結(jié)果重新整理得到（2-82）第62頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二3.求雜質(zhì)分布的程序 2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管在不同反偏壓下測(cè)量電容：用（2-81）式求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度：畫出 相對(duì) 的曲線。從此 曲線中取 并將其結(jié)果代入（2-82）式計(jì)算出畫出完整的雜質(zhì)分布注

32、意：倘若出現(xiàn)高密度的陷阱中心和界面態(tài)，如硅中摻金情形，前面的分析必須加以修正，以適應(yīng)這些荷電的狀態(tài)。 第63頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二3.求雜質(zhì)分布的程序 2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果第64頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二3.求雜質(zhì)分布的程序 2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果第65頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二4.變?nèi)荻O管 2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管根據(jù)（2-76）可見反向偏置的PN結(jié)可以作為電容使用在LC調(diào)諧

33、電路中。專門為此目的制造的二極管稱為變?nèi)荻O管。結(jié)型二極管的電容電壓方程可寫成 ：對(duì)于單邊突變結(jié)， ，如式（2-76）中所表示。 （2-83）第66頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二4.變?nèi)荻O管 2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管包括一個(gè)P-N結(jié)電容的LC電路，其諧振頻率可表示為（2-84）在電路應(yīng)用中，總是希望在諧振頻率和控制電壓之間有線性關(guān)系，也就是說，要求 。第67頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二5.學(xué)習(xí)要求掌握概念：耗盡層電容、求雜質(zhì)分布、變?nèi)荻O管掌握耗盡層電容公式（2-76）、（2-81）2.7耗盡層電容 求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻?/p>

34、極管掌握CV關(guān)系： 公式（2-77）及其應(yīng)用掌握求雜質(zhì)分布的概念及求解程序掌握使用圖表2-19求電容的方法了解變?nèi)荻O管的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)原則第68頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二PN結(jié)在小信號(hào)工作時(shí)特點(diǎn)：信號(hào)電流與信號(hào)電壓之間滿足線性關(guān)系， 從物理上說，就是器件內(nèi)部的載流子分布 的變化跟得上信號(hào)的變化。2.8小信號(hào)交流分析器件的頻率特性：器件處理連續(xù)波時(shí)所表現(xiàn)出來的性能。 （大信號(hào)、小信號(hào)）器件的開關(guān)特性（瞬變）：器件處理數(shù)字信號(hào)和脈沖信號(hào)時(shí)所表現(xiàn) 出來的性能。（大信號(hào)）PN結(jié)在大信號(hào)工作時(shí)特點(diǎn)：IV特性和CV特性等都是非線性的。討論P(yáng)N結(jié)在小信號(hào)工作時(shí)，可以把電流、電

35、壓以及非平衡載流子的瞬態(tài)值表示成直流成分與交流成分的疊加：小信號(hào)條件：（2-85）交流小信號(hào)下的擴(kuò)散電流第69頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.8小信號(hào)交流分析空穴分布：1.少子邊界條件（2-91）在PN結(jié)邊緣N側(cè) 處，由（2-30）式 得（2-86）對(duì)于采用近似：得：（2-88）式中：少子的邊界條件為: （2-90）第70頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.8小信號(hào)交流分析在N型中性區(qū)，把空穴分布2.交流少子連續(xù)性方程代入連續(xù)性方程：（2-92）式中得由于（2-93）第71頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.8小

36、信號(hào)交流分析3.交流少子分布（2-96）N區(qū)空穴交流分量對(duì)于長(zhǎng)二極管（ ） （2-95）第72頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.8小信號(hào)交流分析交流少子分布P區(qū)電子交流分量（2-98）（2-100）第73頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.8小信號(hào)交流分析4.交流電流（2-97）（2-102）總的交流電流 而空穴電流 ： 注入到P區(qū)電子交流分量： 得： （2-100）第74頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.8小信號(hào)交流分析5.二極管的交流導(dǎo)納二極管的交流導(dǎo)納定義為交流電流與交流電壓之比：（2-104）其中為二極管

37、正向電流直流成分。 直流電導(dǎo)也叫做擴(kuò)散電導(dǎo)，其倒數(shù)叫做PN結(jié)擴(kuò)散電阻。 稱為P-N結(jié)擴(kuò)散電容。其性質(zhì)如下：1、擴(kuò)散電容在PN結(jié)正偏壓情況下出現(xiàn)。偏壓愈高，擴(kuò)散電容愈大。反偏PN結(jié)不存在貯存電荷，因此不表現(xiàn)出擴(kuò)散電容；2、工作電流愈大，擴(kuò)散電容愈大；3、對(duì)于高頻情形，存貯電荷跟不上結(jié)電壓的變化、很小，對(duì)于低頻情況，擴(kuò)散電容特別重要；4、減少少子壽命（硅材料中摻金）可以有效地減小擴(kuò)散電容。第75頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.8小信號(hào)交流分析6.二極管的等效電路 在許多應(yīng)用中，總是根據(jù)在使用條件下半導(dǎo)體器件各部分的物理作用，用電阻，電容，電流源和電壓源等組成一定的電路

38、來達(dá)到等效器件的功能。這種電路叫做等效電路。PN結(jié)小信號(hào)交流等效電路如圖2-20所示。耗盡層電容 串聯(lián)電阻 擴(kuò)散電容 直流電導(dǎo) 第76頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.8小信號(hào)交流分析7.學(xué)習(xí)要求掌握概念：交流導(dǎo)納 擴(kuò)散電導(dǎo) 擴(kuò)散電阻 擴(kuò)散電容 等效電路掌握解擴(kuò)散方程求出了交流少子分布、電流分布、交流電流掌握二極管等效電路第77頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.9電荷貯存和反向瞬變1.二極管的開關(guān)作用PN結(jié)二極管處于正向偏置時(shí)，允許通過較大的電流，處于反向偏置時(shí)通過二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時(shí)二極管的工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處

39、于反向偏置時(shí)的工作狀態(tài)叫作關(guān)態(tài)。可見結(jié)二極管能起到開關(guān)作用。第78頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.9電荷貯存和反向瞬變2.PN結(jié)的反向瞬變 電流和電壓的延遲現(xiàn)象源于PN結(jié)的電荷貯存效應(yīng)第79頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.9電荷貯存和反向瞬變3.PN結(jié)二極管的電荷貯存效應(yīng)PN結(jié)加一恒定的正向偏壓時(shí)，載流子被注入并保持在結(jié)二極管中，在擴(kuò)散區(qū)建立確定的非平衡少數(shù)載流子分布，這種現(xiàn)象稱為電荷貯存效應(yīng)。當(dāng)正向偏壓突然轉(zhuǎn)至反向偏壓時(shí)，在穩(wěn)態(tài)條件下所保持的載流子并不能立刻消除。第80頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.9

40、電荷貯存和反向瞬變4.PN結(jié)反向瞬變的定性解釋 到則沿X軸的負(fù)方向，于是電流反向。 1、在處注入的載流子濃度結(jié)界面不斷下降，注入載流濃度的梯度2、注入的非平衡少子的濃度梯度不變，因此反向電流變成反向電流的原因。 為常量。這就解釋了當(dāng)偏壓由立即變成擴(kuò)散電流之后，但在這一段時(shí)間內(nèi)，由于在減小，因此平衡少子被去除完畢，于是結(jié)電壓為零。 仍然大于面上，因此PN結(jié)兩端的電壓3、在也在減小，當(dāng)時(shí)，可以認(rèn)為，即全部注入的非第81頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.9電荷貯存和反向瞬變PN結(jié)反向瞬變的定性解釋 在，因而也愈來愈小，因此也愈來愈小，電流和電壓波形中出現(xiàn)“尾巴”。（即達(dá)到

41、穩(wěn)定的反偏狀態(tài)之后） 由于反向偏壓PN結(jié)的抽取作用，在面上達(dá)到反向偏壓PN結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的分布狀況，第82頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.9電荷貯存和反向瞬變5.PN結(jié)反向瞬變的定量分析（電荷控制分析方法 ） 在 考慮長(zhǎng)P+N結(jié)二極管的電荷貯存效應(yīng)。 N側(cè)的總貯存電荷定義為 （2-106）對(duì)連續(xù)方性程 （1-213a）從0至求一次積分（令）并利用（2-106）式，得到 （2-107）電荷控制方程 第83頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.9電荷貯存和反向瞬變PN結(jié)反向瞬變的定量分析（電荷控制分析方法 ） 在 為在全部貯存電荷被去除（定義貯存

42、時(shí)間）所需要的時(shí)間，從而 通過解依賴于時(shí)間的連續(xù)性方程進(jìn)行精確分析得到的是 （2-112）（2-113）第84頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二 2.9電荷貯存和反向瞬變6.階躍恢復(fù)二極管反向瞬變波形可以通過在二極管中引入一自建場(chǎng)進(jìn)行修正。例如若在P+N二極管輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度為 （2-114）自建電場(chǎng)為：式中 為在PN結(jié)處的雜質(zhì)濃度；a為常數(shù)。（2-115）于是注入的非平衡少子空穴既有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也有在自建場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)。自建場(chǎng)沿著-x方向，漂移電流也沿-x方向，方向當(dāng)二極管由正向偏置轉(zhuǎn)換到反向偏置之后，注入少子空穴開始反向流向空間電荷區(qū)，而此時(shí)自建場(chǎng)E將加速這種

43、流動(dòng)。 第85頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.9電荷貯存和反向瞬變7.學(xué)習(xí)要求掌握概念： PN結(jié)二極管的開關(guān)作用、反向瞬變、電荷貯存、貯存時(shí)間、電荷控制分析方法、階躍恢復(fù)二極管根據(jù)PN結(jié)二極管的少數(shù)載流子分布示意圖定量地解釋PN結(jié)二極管的反向瞬變現(xiàn)象。了解利用電荷控制方法求得貯存時(shí)間并與嚴(yán)格解的結(jié)果比較。了解階躍恢復(fù)二極管工作原理第86頁，共94頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2.10 PN結(jié)擊穿1.PN結(jié)擊穿當(dāng)加在PN結(jié)上的反偏壓增加到一定數(shù)值，再稍微增加，PN結(jié)就會(huì)產(chǎn)生很大的反向電流。這種現(xiàn)象叫做結(jié)擊穿。擊穿過程并非具有破壞性的，只要最大電流受到限制，它可以長(zhǎng)期地重復(fù)。2.擊穿機(jī)制齊納擊穿：齊納提出在高電場(chǎng)下耗盡