半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)(6)PN結(jié)

圖1p-n結(jié)基本結(jié)構(gòu)Chapter6p-nJunctions（p-n結(jié)）5.1FabricationOfp-nJunction1.AlloyedJunctions(合金結(jié))2.DiffusedJunctions(擴(kuò)散結(jié))3.IonImplantation(離子注入)4.EpitaxialGrowth(外延生長)合金溫度降溫再結(jié)晶1.AlloyedJunctions(合金結(jié))2.DiffusedJunctions(擴(kuò)散結(jié))

Conceptualexampleoftheuseofphotolithographytoforma

pnjunctiondiode.擴(kuò)散系統(tǒng)3.IonImplantation(離子注入)分子束外延(MBE)超高真空化學(xué)氣相沉積(UHV/CVD)常壓及減壓外延(ATM&RPEpi)

外延(簡稱Epi)工藝是指在單晶襯底上生長一層跟襯底具有相同晶格排列的單晶材料4.EpitaxialGrowth(外延生長)方法：緩變結(jié)與突變結(jié)5.2Equilibriump-nJunction1空間電荷區(qū)(Spacechargeregion)的形成(平衡狀態(tài)下的結(jié))剛接觸，擴(kuò)散》漂移（達(dá)到動態(tài)平衡）擴(kuò)散=漂移內(nèi)建電場漂移漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運動內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。阻擋層

耗盡區(qū)Depletionregion空間電荷區(qū)Spacechargeregion

當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體接觸在一起時,在兩者的交界面處存在著一個過渡區(qū),通常稱為p-n結(jié).Poisson’sequation:Inthep-region:所以Inthen-region:及EFn高于EFp表明兩種半導(dǎo)體中的電子填充能帶的水平不同。2能帶圖(Enerybanddiagram)3.接觸電勢差(TheContactPotential)VD

平衡時n型半導(dǎo)體中的電子濃度為p型半導(dǎo)體中的電子濃度為*勢壘高度~ND、NA4.空間電荷區(qū)寬度(Spacechargeregionwidth)

突變結(jié)5載流子分布(

Carrierdistributions)5.3.p-n結(jié)電流-電壓特性1.勢壘區(qū)的自由載流子全部耗盡,并忽略勢壘區(qū)中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合。I-Vcharacteristicofap-njunction現(xiàn)假設(shè):

2.小注入:注入的少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子濃度。在注入時，擴(kuò)散區(qū)的漂移電場可忽略。

外加電場與內(nèi)建電場方向相反，削弱了內(nèi)建電場，因而使勢壘兩端的電勢差由VD減小為（VD-Vf），相應(yīng)地勢壘區(qū)變薄。(1)正向偏置（Forwardbias）由于電場作用而使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程稱為-電注入SpacechargeregionNeutralregionDiffusionregion平衡時正向偏置這兩股電流之和就是正向偏置下流過p-n結(jié)的電流。P區(qū)空穴向n區(qū)擴(kuò)散——空穴擴(kuò)散電流n區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散——電子擴(kuò)散電流

根據(jù)電流連續(xù)性原理，通過p-n結(jié)中任一截面的總電流是相等的，只是對于不同的截面，電子電流和空穴電流的比例有所不同而已?？紤]-xp截面：忽略了勢壘區(qū)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：同理：-------肖克萊方程外加電場Vr與內(nèi)建電場方向一致漂移>擴(kuò)散(2)反向偏置（Reversebias）VD增大為（VD+Vr），相應(yīng)地勢壘區(qū)加寬

勢壘區(qū)兩側(cè)邊界上的少數(shù)載流子被強電場掃過勢壘區(qū)。使邊界處的少子濃度低于體內(nèi)。產(chǎn)生了少子的擴(kuò)散運動，形成了反向擴(kuò)散電流。類似于正向偏置的方法，可求得反向電流密度

式中，Js不隨反向電壓變化，稱為反向飽和電流密度；負(fù)號表示反向電流方向與正向電流方向相反。p-n結(jié)的正向和反向電流密度公式可統(tǒng)一用下列公式表示：正向：V=Vf反向：V=-Vr（3）I-Vcharacteristicofap-njunctionp-n結(jié)的伏-安特性

單向?qū)щ娦?--整流Ge、Si、GaAs：0.3、0.7、1V

具有可變電阻性

溫度影響大

單邊突變結(jié)I-V特性由輕摻雜一邊決定。影響p-n結(jié)伏-安特性的主要因素：產(chǎn)生偏差的原因：（1）正向小電壓時忽略了勢壘區(qū)的復(fù)合；正向大電壓時忽略了外加電壓在擴(kuò)散區(qū)和體電阻上的壓降。（2）在反向偏置時忽略了勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流。空間電荷區(qū)的復(fù)合電流空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流注入p+-n結(jié)的n側(cè)的空穴及其所造成的電子分布大注入擴(kuò)散區(qū)產(chǎn)生內(nèi)建電場p-n結(jié)的直流伏-安特性表明：

1.具有單向?qū)щ娦浴?/p>

2.具有可變電阻性。特別是在高頻運用時，這個電容效應(yīng)更為顯著。p-n結(jié)的交流特性表明:p-n結(jié)還具有可變電容的性質(zhì)5.4.p-n結(jié)電容(Capacitanceofp-nJunctions)p-n結(jié)電容包括勢壘電容和擴(kuò)散兩部分。（1）勢壘電容CT由于勢壘區(qū)電荷的變化表現(xiàn)出來的電容效應(yīng)-勢壘電容也稱結(jié)電容（Junctioncapacitance）勢壘電容對于線性緩變結(jié)對于突變結(jié)：對于突變結(jié)：其中:——擴(kuò)散電容(2)擴(kuò)散電容也稱電荷存儲電容（chargestoragecapacitance）CT與CD都與p-n結(jié)的面積A成正比，且隨外加電壓而變化。點接觸式二極管面積很小，

CT、CD

：0.5—1pF面結(jié)型二極管中的整流管面積大，

CT、CD

：幾十—幾百pF點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底

點接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過電流法而形成的。因此，其PN結(jié)的靜電容量小,適用于高頻電路。因為構(gòu)造簡單，所以價格便宜。對于小信號的檢波、整流、調(diào)制、混頻和限幅等一般用途而言，它是應(yīng)用范圍較廣的類型。點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線

面結(jié)型與點接觸型二極管相比較，正向特性和反向特性好，因此，用于大電流和整流。負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金（3）總電容p-n結(jié)的總電容為兩者之和：正向偏置p-n結(jié)時，以CD為主，Cj≈CD反向偏置p-n結(jié)時，以CT為主，Cj≈CT5.5.p-n結(jié)的擊穿(Berakdown)

在反向偏置下，當(dāng)反向電壓很大時，p-n結(jié)的反向電流突然增加，從而破壞了p-n結(jié)的整流特性--p-n結(jié)的擊穿。p-n結(jié)中的電場隨著反向電壓的增加而增加，少數(shù)載流子通過反向擴(kuò)散進(jìn)入勢壘區(qū)時獲得的動能也就越來越大，當(dāng)載流子的動能大到一定數(shù)值后，當(dāng)它與中性原子碰撞時，可以把中性原子的價電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對——碰撞電離。

(1)雪崩擊穿(Avalancheberakdown)連鎖反應(yīng)，使載流子的數(shù)量倍增式的急劇增多，因而p-n結(jié)的反向電流也急劇增大，形成了雪崩擊穿。影響雪崩擊穿電壓的主要因素：1.摻雜濃度:摻雜濃度大,擊穿電壓小.2.勢壘寬度:勢壘寬度足夠?qū)?擊穿電壓小3.禁帶寬度:禁帶寬度越寬,擊穿電壓越大.4.溫度:溫度升高,擊穿電壓增大.(2)齊納擊穿(Zenerberakdown)或隧道擊穿是摻雜濃度較高的非簡并p-n結(jié)中的擊穿機(jī)制.

根據(jù)量子力學(xué)的觀點,當(dāng)勢壘寬度XAB足夠窄時,將有電子穿透禁帶.當(dāng)外加反向電壓很大時,能帶傾斜嚴(yán)重,勢壘寬度XAB變得更窄.造成很大的反向電流.使p-n結(jié)擊穿.XDXAB影響齊納擊穿電壓的主要因素：1.摻雜濃度:摻雜濃度大,擊穿電壓小.2.禁帶寬度:禁帶寬度越寬,擊穿電壓越大.3.溫度:溫度升高,擊穿電壓下降..

齊納擊穿電壓具有負(fù)的溫度系數(shù),而雪崩擊穿電壓具有正的溫度系數(shù),這種溫度效應(yīng)是區(qū)分兩種擊穿機(jī)構(gòu)的重要方法.

摻雜濃度高,反向偏壓不高的情況下,易發(fā)生齊納擊穿.相反,易發(fā)生雪崩擊穿.(3)熱擊穿禁帶寬度較窄的半導(dǎo)體易發(fā)生這種擊穿.6.p-n結(jié)中的隧道效應(yīng)

當(dāng)p-n結(jié)的兩邊都是重?fù)诫s時:(1)費米能級分別進(jìn)入導(dǎo)帶和價帶.(2)勢壘十分薄.

在外加正向或反向電壓下,有些載流子將可能穿透勢壘產(chǎn)生額外的電流.—隧道電流平衡時加正向電壓的情況加反向電壓的情況隧道二極管的優(yōu)點：溫度影響小、高頻特性良好7.p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)

如果用hν>Eg的光照射具有p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體表面,那么只要結(jié)的深度在光的透入深度范圍內(nèi),光照的結(jié)果將在光照面和暗面之間產(chǎn)生光電壓.—光生伏特效應(yīng).試述平衡p-n結(jié)形成的物理過程..它有什么特點?畫出勢壘區(qū)中載流子漂移運動和擴(kuò)散運動的方向.2.內(nèi)建電勢差VD受哪些因素的影響?鍺p-n結(jié)與硅p-n結(jié)的VD哪個大?為什么?3.試比較平衡p-n結(jié),正向偏置p-n結(jié),反向偏置p-n結(jié)的特點.4.寫出p-n結(jié)整流方程,并說明方程中每一項的物理意義?5.p-n結(jié)的理想伏-安特性與實際伏-安特性有哪些區(qū)別