半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)(6)PN結(jié)

半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)(6)PN結(jié)第一頁(yè)，共75頁(yè)。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(zhǎng))第二頁(yè)，共75頁(yè)。合金溫度降溫再結(jié)晶1.AlloyedJunctions(合金結(jié))第三頁(yè)，共75頁(yè)。2.DiffusedJunctions(擴(kuò)散結(jié))第四頁(yè)，共75頁(yè)。

Conceptualexampleoftheuseofphotolithographytoforma

pnjunctiondiode.第五頁(yè)，共75頁(yè)。擴(kuò)散系統(tǒng)第六頁(yè)，共75頁(yè)。3.IonImplantation(離子注入)第七頁(yè)，共75頁(yè)。第八頁(yè)，共75頁(yè)。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(jiǎn)稱Epi)工藝是指在單晶襯底上生長(zhǎng)一層跟襯底具有相同晶格排列的單晶材料4.EpitaxialGrowth(外延生長(zhǎng))方法：第九頁(yè)，共75頁(yè)。第十頁(yè)，共75頁(yè)。緩變結(jié)與突變結(jié)第十一頁(yè)，共75頁(yè)。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(dòng)態(tài)平衡）擴(kuò)散=漂移內(nèi)建電場(chǎng)漂移第十二頁(yè)，共75頁(yè)。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)E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第十三頁(yè)，共75頁(yè)。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(shí),在兩者的交界面處存在著一個(gè)過(guò)渡區(qū),通常稱為p-n結(jié).第十四頁(yè)，共75頁(yè)。第十五頁(yè)，共75頁(yè)。Poisson’sequation:Inthep-region:所以Inthen-region:第十六頁(yè)，共75頁(yè)。及第十七頁(yè)，共75頁(yè)。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)第十八頁(yè)，共75頁(yè)。3.接觸電勢(shì)差(TheContactPotential)VD

平衡時(shí)第十九頁(yè)，共75頁(yè)。n型半導(dǎo)體中的電子濃度為p型半導(dǎo)體中的電子濃度為第二十頁(yè)，共75頁(yè)。*勢(shì)壘高度~ND、NA第二十一頁(yè)，共75頁(yè)。4.空間電荷區(qū)寬度(Spacechargeregionwidth)

突變結(jié)第二十二頁(yè)，共75頁(yè)。第二十三頁(yè)，共75頁(yè)。第二十四頁(yè)，共75頁(yè)。第二十五頁(yè)，共75頁(yè)。5載流子分布(

Carrierdistributions)第二十六頁(yè)，共75頁(yè)。第二十七頁(yè)，共75頁(yè)。5.3.p-n結(jié)電流-電壓特性1.勢(shì)壘區(qū)的自由載流子全部耗盡,并忽略勢(shì)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(shí)，擴(kuò)散區(qū)的漂移電場(chǎng)可忽略。第二十八頁(yè)，共75頁(yè)。

外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)建電場(chǎng)，因而使勢(shì)壘兩端的電勢(shì)差由VD減小為（VD-Vf），相應(yīng)地勢(shì)壘區(qū)變薄。(1)正向偏置（Forwardbias）由于電場(chǎng)作用而使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過(guò)程稱為-電注入第二十九頁(yè)，共75頁(yè)。SpacechargeregionNeutralregionDiffusionregion第三十頁(yè)，共75頁(yè)。平衡時(shí)正向偏置第三十一頁(yè)，共75頁(yè)。這兩股電流之和就是正向偏置下流過(guò)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)散電流第三十二頁(yè)，共75頁(yè)。

根據(jù)電流連續(xù)性原理，通過(guò)p-n結(jié)中任一截面的總電流是相等的，只是對(duì)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(shì)壘區(qū)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：第三十三頁(yè)，共75頁(yè)。第三十四頁(yè)，共75頁(yè)。第三十五頁(yè)，共75頁(yè)。第三十六頁(yè)，共75頁(yè)。同理：第三十七頁(yè)，共75頁(yè)。-------肖克萊方程第三十八頁(yè)，共75頁(yè)。外加電場(chǎng)Vr與內(nèi)建電場(chǎng)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(shì)壘區(qū)加寬第三十九頁(yè)，共75頁(yè)。

勢(shì)壘區(qū)兩側(cè)邊界上的少數(shù)載流子被強(qiáng)電場(chǎng)掃過(guò)勢(shì)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(yùn)動(dòng)，形成了反向擴(kuò)散電流。第四十頁(yè)，共75頁(yè)。第四十一頁(yè)，共75頁(yè)。第四十二頁(yè)，共75頁(yè)。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(hào)表示反向電流方向與正向電流方向相反。第四十三頁(yè)，共75頁(yè)。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-njunction第四十四頁(yè)，共75頁(yè)。p-n結(jié)的伏-安特性

單向?qū)щ娦?--整流Ge、Si、GaAs：0.3、0.7、1V

具有可變電阻性第四十五頁(yè)，共75頁(yè)。

溫度影響大

單邊突變結(jié)I-V特性由輕摻雜一邊決定。第四十六頁(yè)，共75頁(yè)。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(shí)忽略了勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合；正向大電壓時(shí)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(shí)忽略了勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流。第四十七頁(yè)，共75頁(yè)?？臻g電荷區(qū)的復(fù)合電流第四十八頁(yè)，共75頁(yè)?？臻g電荷區(qū)的產(chǎn)生電流第四十九頁(yè)，共75頁(yè)。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(chǎng)第五十頁(yè)，共75頁(yè)。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(yùn)用時(shí)，這個(gè)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)第五十一頁(yè)，共75頁(yè)。5.4.p-n結(jié)電容(Capacitanceofp-nJunctions)p-n結(jié)電容包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散兩部分。（1）勢(shì)壘電容CT由于勢(shì)壘區(qū)電荷的變化表現(xiàn)出來(lái)的電容效應(yīng)-勢(shì)壘電容也稱結(jié)電容（Junctioncapacitance）第五十二頁(yè)，共75頁(yè)。勢(shì)壘電容對(duì)于線性緩變結(jié)對(duì)于突變結(jié)：第五十三頁(yè)，共75頁(yè)。對(duì)于突變結(jié)：第五十四頁(yè)，共75頁(yè)。其中:第五十五頁(yè)，共75頁(yè)?！獢U(kuò)散電容(2)擴(kuò)散電容也稱電荷存儲(chǔ)電容（chargestoragecapacitance）第五十六頁(yè)，共75頁(yè)。第五十七頁(yè)，共75頁(yè)。第五十八頁(yè)，共75頁(yè)。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(diǎn)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第五十九頁(yè)，共75頁(yè)。點(diǎn)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型支持襯底第六十頁(yè)，共75頁(yè)。

點(diǎn)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(guò)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?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單，所以價(jià)格便宜。對(duì)于小信號(hào)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(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線第六十一頁(yè)，共75頁(yè)。

面結(jié)型與點(diǎn)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第六十二頁(yè)，共75頁(yè)。（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(shí)，以CD為主，Cj≈CD反向偏置p-n結(jié)時(shí)，以CT為主，Cj≈CT第六十三頁(yè)，共75頁(yè)。5.5.p-n結(jié)的擊穿(Berakdown)

在反向偏置下，當(dāng)反向電壓很大時(shí)，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。第六十四頁(yè)，共75頁(yè)。p-n結(jié)中的電場(chǎng)隨著反向電壓的增加而增加，少數(shù)載流子通過(guò)反向擴(kuò)散進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)時(shí)獲得的動(dòng)能也就越來(lái)越大，當(dāng)載流子的動(dòng)能大到一定數(shù)值后，當(dāng)它與中性原子碰撞時(shí)，可以把中性原子的價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)——碰撞電離。

(1)雪崩擊穿(Avalancheberakdown)第六十五頁(yè)，共75頁(yè)。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(shì)壘寬度:勢(shì)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.第六十六頁(yè)，共75頁(yè)。(2)齊納擊穿(Zenerberakdown)或隧道擊穿是摻雜濃度較高的非簡(jiǎn)并p-n結(jié)中的擊穿機(jī)制.

根據(jù)量子力學(xué)的觀點(diǎn),當(dāng)勢(shì)壘寬度XAB足夠窄時(shí),將有電子穿透禁帶.當(dāng)外加反向電壓很大時(shí),能帶傾斜嚴(yán)重,勢(shì)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第六十七頁(yè)，共75頁(yè)。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.第六十八頁(yè)，共75頁(yè)。第六十九頁(yè)，共75頁(yè)。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(shí):(1)費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)帶.(2)勢(shì)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(shì)壘產(chǎn)生額外的電流.—隧道電流平衡時(shí)第七十頁(yè)，共75頁(yè)。加正向電壓的情況加反向電壓的情況第七十一頁(yè)，共75頁(yè)。隧道二極管的優(yōu)點(diǎn)：溫度影響小、高頻特性良好第七十二頁(yè)，共75頁(yè)。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).第七十三頁(yè)，共75頁(yè)