吉林大學(xué)半導(dǎo)體器件物理第二章

吉林大學(xué)半導(dǎo)體器件物理第二章第一頁，共116頁。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，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)。正因?yàn)槿绱耍琍N結(jié)一章在半導(dǎo)體器件物理課的64學(xué)時的教學(xué)中占有16學(xué)時，為總學(xué)時的四分之一。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）,有時也叫做接觸（contact）.第二頁，共116頁。引言由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同質(zhì)結(jié)（如硅），由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)（如硅和鍺）。由同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同型結(jié)（如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型鍺），由不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異型結(jié)（如P-硅和N-硅、P-硅和N－鍺）。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)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)）。第三頁，共116頁。引言70年代以來，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅平面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)：1950年美國人奧爾（R.Ohl）和肖克萊(Shockley)發(fā)明的離子注入工藝。1956年美國人富勒（C.S.Fuller）發(fā)明的擴(kuò)散工藝。1960年盧爾（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)發(fā)明的外延工藝。1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特蘭尼(E.Castellani)發(fā)明的光刻工藝。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。上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測試，封裝工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。第四頁，共116頁。

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)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)。

在集成電路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五條：

（1）對雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用；

（2）作為MOS器件的絕緣柵材料；

（3）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)；

（5）集成電路中電容器元件的絕緣介質(zhì)。

硅表面二氧化硅薄膜的生長方法：熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。

第五頁，共116頁。擴(kuò)散工藝：由于熱運(yùn)動，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運(yùn)動，使其趨于均勻的趨勢，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-固擴(kuò)散、雙溫區(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)原子通過硅片表面向內(nèi)部擴(kuò)散。第六頁，共116頁。離子注入技術(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)電場下加速，獲得較高的能量（1萬-100萬eV）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)：（1）低溫；（2）可精確控制濃度和結(jié)深；（3）可選出一種元素注入，避免混入其它雜質(zhì)；（4）可在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；（5）控制離子束的掃描區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)選擇注入，不需掩膜技術(shù)；（6）設(shè)備昂貴。第七頁，共116頁。外延工藝：外延是一種薄膜生長工藝，外延生長是在單晶襯底上沿晶體原來晶向向外延伸生長一層薄膜單晶層。外延工藝可以在一種單晶材料上生長另一種單晶材料薄膜。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。外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、熱壁外延（HWE）、原子層外延技術(shù)。第八頁，共116頁。光刻工藝：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)。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）涂敷在半導(dǎo)體晶片表面上。受特定波長光線的照射后，光刻膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如果光刻膠受光照（曝光）的區(qū)域在顯影時能夠除去，稱之為正性膠；反之如果光刻膠受光照的區(qū)域在顯影時被保留，未曝光的膠被除去稱之為負(fù)性膠；第九頁，共116頁。引言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)散窗口膠膜的晶片（f)腐蝕SiO2后的晶片

n-Si光刻膠SiO2N+第十頁，共116頁。引言

(g)完成光刻后去膠的晶片

(h)通過擴(kuò)散（或離子注入）形成P-N結(jié)(i)蒸發(fā)/濺射金屬

（j）P-N結(jié)制作完成

采用硅平面工藝制備結(jié)的主要工藝過程

P-SiN-SiSiO2N+第十一頁，共116頁。引言突變結(jié)與線性緩變結(jié)

（a）突變結(jié)近似（實(shí)線）的窄擴(kuò)散結(jié)（虛線）（b）線性緩變結(jié)近似（實(shí)線）的深擴(kuò)散結(jié)（虛線）圖2.2第十二頁，共116頁。引言突變結(jié)：

線性緩變結(jié)：在線性區(qū)

第十三頁，共116頁。2.1熱平衡PN結(jié)第十四頁，共116頁。2.1熱平衡PN結(jié)

（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖（b）接觸后的能帶圖圖2-3第十五頁，共116頁。2.1熱平衡PN結(jié)（c）與（b）相對應(yīng)的空間電荷分布

圖2-3第十六頁，共116頁。2.1熱平衡PN結(jié)圖2-4單邊突變結(jié)（a）空間電荷分布

（b）電場（c）電勢圖

單邊突變結(jié)電荷分布、電場分布、電勢分布

第十七頁，共116頁。2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)名詞、術(shù)語和基本概念：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、內(nèi)建電勢差、勢壘。分別采用費(fèi)米能級和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋了PN結(jié)空間電荷區(qū)（SCR）的形成。介紹了熱平衡PN結(jié)的能帶圖（圖2.3a、b）及其畫法。利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出了空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差公式:

第十八頁，共116頁。2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)解Poisson方程求解了PN結(jié)SCR內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢、內(nèi)建電勢差和耗盡層寬度：

（2-14）

（2-16）

（2-15）

（2-17）

（2-18）

擴(kuò)展知識：習(xí)題2.22.5第十九頁，共116頁。2.1熱平衡PN結(jié)教學(xué)要求

掌握下列名詞、術(shù)語和基本概念：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、內(nèi)建電勢差、勢壘。分別采用費(fèi)米能級和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋PN結(jié)空間電荷區(qū)（SCR)的形成正確畫出熱平衡PN結(jié)的能帶圖（圖2.3a、b）。利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差公式：

（2-7）解Poisson方程求解單邊突變結(jié)結(jié)SCR內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢、內(nèi)建電勢差和耗盡層寬度。并記憶公式（2-14）―（2-18）作業(yè)題：2.2、2.4、2.5、2.7、2.10

第二十頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)第二十一頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)

2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖

圖2.5單邊突變結(jié)的電勢分布（a）熱平衡，耗盡層寬度為W

（b）加正向電壓，耗盡層寬度W’W第二十二頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖

（c）加反向電壓，耗盡層寬度W’>W

圖2.5單邊突變結(jié)的電勢分布第二十三頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)注入P+-N結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布

第二十四頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)耗盡層寬度隨外加反偏壓變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果第二十五頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)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)介紹了加偏壓PN結(jié)能帶圖及其畫法根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珘篤使得PN結(jié)N型中性區(qū)的費(fèi)米能級相對于P型中性區(qū)的升高qV。在P型中性區(qū)＝。在空間電荷區(qū)由于n、p<<ni，可以認(rèn)為費(fèi)米能級不變即等于。在N型中性區(qū)＝。同樣，在空間電荷區(qū)=，于是從空間電荷區(qū)兩側(cè)開始分別有一個費(fèi)米能級從逐漸升高到和從逐漸下降到的區(qū)域。這就是P側(cè)的電子擴(kuò)散區(qū)和N側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)（以上分析就是畫能帶圖的根據(jù)）。

第二十六頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)在電子擴(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(J＝)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小（e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)米能級相對于P型中性區(qū)的降低q。擴(kuò)散區(qū)費(fèi)米能級的梯度小于零，因此會有反向電流產(chǎn)生。由于空間電荷區(qū)電場的抽取作用，在擴(kuò)散區(qū)載流子很少，很小，因此雖然有很大的費(fèi)米能級梯度，電流卻很小且趨于飽和。第二十七頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珘菏箍臻g電荷區(qū)內(nèi)建電勢差由下降到-V打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的擴(kuò)散運(yùn)動占優(yōu)勢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)建電勢差由上升到+V同樣打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的漂移運(yùn)動占優(yōu)勢這種漂移是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。在反偏壓下，耗盡層寬度為

（2-23）第二十八頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)根據(jù) （2-7）給出了結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度：

（2-29）和（2-30）在注入載流子的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足，則少數(shù)載流子由于被中和，不帶電，通過擴(kuò)散運(yùn)動在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這稱為擴(kuò)散近似。于是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程

第二十九頁，共116頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)教學(xué)要求

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)正確畫出加偏壓PN結(jié)能帶圖。根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析結(jié)的單向?qū)щ娦愿鶕?jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析結(jié)的單向?qū)щ娦哉莆辗雌珘合峦蛔兘Y(jié)，耗盡層寬度公式（2-23）

導(dǎo)出少數(shù)載流子濃度公式（2-29）和（2-30）作業(yè)：2-11、2-12、2-13第三十頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性第三十一頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性

理想的P-N結(jié)的基本假設(shè)及其意義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，這意味著忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻。均勻摻雜。無內(nèi)建電場，載流子不作漂移運(yùn)動?？臻g電荷區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流。小注入，即和

半導(dǎo)體非簡并

第三十二頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性

正向偏壓情況下的的P-N結(jié)

圖2-8正向偏壓情況下的的P-N結(jié)（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第三十三頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性反向偏壓情況下的的P-N結(jié)（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圖2-9反向偏壓情況下的的P-N結(jié)

第三十四頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性PN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式：

（1）（2-49a）

（2）（2-49b） （3）（2-49c） （4）（2-49d）

第三十五頁，共116頁。公式（2-49d）說明理想PN結(jié)反向電流是PN結(jié)擴(kuò)散區(qū)產(chǎn)生電流，證明如下：N型中性區(qū)的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)貯存空穴電荷為：把貯存電荷看作是分布在面積為A長度為一個擴(kuò)散長度的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)則其平均濃度為：，于是空穴的復(fù)合率為第三十六頁，共116頁。公式（2-49d）說明理想PN結(jié)反向電流是PN結(jié)擴(kuò)散區(qū)產(chǎn)生電流：U<0說明復(fù)合率是負(fù)的，產(chǎn)生率G=-U是正的：同樣分析得出PN結(jié)P側(cè)電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電子的產(chǎn)生率為：在反偏情況下公式（2-48）變成：（2-52）因此（2-52）式中的兩項(xiàng)分別是結(jié)空穴擴(kuò)散區(qū)和電子擴(kuò)散區(qū)中所發(fā)生的空穴產(chǎn)生電流和電子產(chǎn)生電流。

第三十七頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性小結(jié)穩(wěn)態(tài)PN結(jié)二極管中載流子分布滿足擴(kuò)散方程。

解擴(kuò)散方程求得滿足邊界條件的解（N側(cè)空穴分布）

（2-37）對于長二極管，上式簡化為

P-N結(jié)P側(cè)的電子分布為

（2-38）

（2-43）

第三十八頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性小結(jié)電流分布：少子注入引起的電流常稱為擴(kuò)散電流。在長二極管中空穴電流分布為：

（2-42）電子電流分布為：

（2-47）其中（2-46）（2-41）第三十九頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性小結(jié)

電流－電壓公式（Shockley公式）

P—N結(jié)的典型電流電壓特性

（2-48）

（2-49a）

第四十頁，共116頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性教學(xué)要求了解理想PN結(jié)基本假設(shè)及其意義。導(dǎo)出公式（2-37）。根據(jù)公式（2-37）導(dǎo)出長PN結(jié)和短PN結(jié)少子分布表達(dá)式。導(dǎo)出公式（2-48）、（2-49)。記憶公式（2-49）根據(jù)公式（2-49d）解釋理想PN結(jié)反向電流的來源。畫出正、反偏壓下PN結(jié)少子分布、電流分布和總電流示意圖。作業(yè)：（2-11）、（2-12）、（2.13）

第四十一頁，共116頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流第四十二頁，共116頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流

低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢偏壓升高：擴(kuò)散電流占優(yōu)勢更高偏壓：串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了

第四十三頁，共116頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流圖2-11襯底摻雜濃度為1016cm3的硅擴(kuò)散結(jié)的電流電壓特性第四十四頁，共116頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)復(fù)合電流與非平衡載流子注入引起的擴(kuò)散電流的比較：對于P+-N結(jié)，把擴(kuò)散電流記為，

（2-50）而

（2-57）于是

（2-59）上式表明，若越小，電壓愈低，則勢壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大。

第四十五頁，共116頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流小結(jié)概念

空間電荷區(qū)正偏復(fù)合電流空間電荷區(qū)反偏產(chǎn)生電流

式中W為空間電荷區(qū)寬度，U為空間電荷區(qū)載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的復(fù)合率，G為空間電荷區(qū)載流子產(chǎn)生率。

（2-53）

（2-61）

第四十六頁，共116頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流小結(jié)空間電荷區(qū)載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的最大復(fù)合率條件：

正偏復(fù)合電流和反偏產(chǎn)生電流分別為：

（2-54）

（2-56）

由于空間電荷層的寬度隨著反向偏壓的增加而增加因而反向電流是不飽和的。（2-57）

（2-61）

考慮空間電荷區(qū)正偏復(fù)合電流和串聯(lián)電阻的影響的實(shí)際I－V曲線

最大復(fù)合率為:第四十七頁，共116頁。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流教學(xué)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。

第四十八頁，共116頁。2.5隧道電流第四十九頁，共116頁。2.5隧道電流

產(chǎn)生隧道電流的條件（1）費(fèi)米能級位于導(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，從而成為簡并半導(dǎo)體時，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。第五十頁，共116頁。2.5隧道電流圖2-12各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖

第五十一頁，共116頁。2.5隧道電流圖2-12各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖

第五十二頁，共116頁。2.5隧道電流簡化的隧道穿透幾率是（2-62）

（2-63）

把式（2-63）代入（2-62）得到

（2-64）

則隧道電流可為（2-65）

式中為隧道電子的速度。

第五十三頁，共116頁。2.5隧道電流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。

圖2-13對應(yīng)于圖2-12正偏壓隧道結(jié)的勢壘（a）江崎二極管電流-電壓特性（b）反向二極管電流-電壓特性圖2-14第五十四頁，共116頁。2.5隧道電流隧道二極管的特點(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）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體制成，由于溫度對多子的影響小，使隧道二級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，電子穿越勢壘極其迅速，不受電子渡越時間的限制，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。第五十五頁，共116頁。2.5隧道電流小結(jié)

產(chǎn)生隧道電流的條件：（1）費(fèi)米能級位于導(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，從而成為簡并半導(dǎo)體時，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。

畫出了偏壓變化的能帶圖并根據(jù)能帶圖解釋了隧道二級管的I－V曲線。第五十六頁，共116頁。2.5隧道電流小結(jié)分析了隧道二級管的特點(diǎn)和局限性：（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）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體制成，所以溫度對多子的影響小，使隧二級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，電子穿越勢壘極其迅速，不受電子渡越時間的限制，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聲微波放大器。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。

第五十七頁，共116頁。2.5隧道電流教學(xué)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I－V特性。了解隧道二極管的特點(diǎn)和局限性。

第五十八頁，共116頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系第五十九頁，共116頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系當(dāng)P-N結(jié)處于反向偏置時

（2-66）式中隨溫度的增加而迅速增加，可見在高于室溫時，不太大的正偏壓（0.3V）就使占優(yōu)勢。

有

（2-48）

（2-49b）

（2-57）

（2-66）

第六十頁，共116頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系當(dāng)P-N結(jié)處于反向偏置時，，

（2-67）

隨著溫度增加，增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢。反向偏壓情況下，二極管特性的溫度效應(yīng)：

（2-49b）

相對來說，括號內(nèi)的參量對溫度變化不靈敏。

（2-68）

第六十一頁，共116頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系式（2-68）對T求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以，得到（2-69）

在正向偏置情況下，取，導(dǎo)出

（2-70）

（2-71）

將（2-69）式代入（2-70）和（2-71）式中，得到

和（2-72）

（2-73）

第六十二頁，共116頁。在正向偏置情況下取，又，代入上式得

（2-70）類似地得到（2-71）第六十三頁，共116頁。將（2-69）式代入（2-70）和（2-71）式中，得到(2-72)和（2-73）第六十四頁，共116頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系硅二極管正向和反向兩種偏壓下的溫度依賴關(guān)系示于圖2-15和圖2-16中

圖2-15硅平面二極管電流—電壓特性的溫度效應(yīng)圖2-16在硅P—N結(jié)二極管中反向飽和電流與溫度的關(guān)系第六十五頁，共116頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系小結(jié)討論了PN結(jié)I－V特性的溫度依賴關(guān)系即溫度對I－V特性的影響根據(jù)公式（2-68）反向電流隨溫度升高而增加。

給定電壓，電流隨溫度升高而迅速增加。對于硅二極管，在室溫（300K）時，每增加，電流約增加1倍。電壓隨溫度線性地減小，對于硅二極管，系數(shù)約為。

結(jié)電壓隨溫度變化十分靈敏，這一特性被用來精確測溫和控溫。

第六十六頁，共116頁。2.6I-V特性的溫度依賴關(guān)系教學(xué)要求

了解PN結(jié)I－V特性的溫度依賴關(guān)系。

推導(dǎo)公式（2-68）、（2-72）、（2-73）

作業(yè)：2-19。

第六十七頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管第六十八頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管

耗盡層電容

（2-74）（2-75）（2-76）C稱為過渡電容或耗盡層電容有時亦稱為勢壘電容：

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）第六十九頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管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

第七十頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管求雜質(zhì)分布

在雜質(zhì)分布未知的P-N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。看圖2.18所示未知雜質(zhì)分布：（2-78）式中是在空間電荷層邊緣處的雜質(zhì)濃度。由泊松方程，電場增量是與電荷增量之間具有如下關(guān)系：

（2-79）電場增量偏壓增量的具有如下關(guān)系：

（2-80）第七十一頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由（2-79）和（2-80）式得到

（2-81）C即為過渡電容。

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）求雜質(zhì)分布的程序：

在不同反偏壓下測量電容：第七十二頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管雜質(zhì)分布的程序：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)。第七十三頁，共116頁。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)果示于圖2-19中。第七十四頁，共116頁。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)果示于圖2-19中。第七十五頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管例題

考慮在的襯底上通過硼的兩步擴(kuò)散制成的P-N結(jié)。硼的表面濃度為，結(jié)深為。假設(shè)自建電勢為，求在反偏壓下的結(jié)電容。解：因?yàn)椋约八杂?。此外利用圖2-19b求出

第七十六頁，共116頁。變?nèi)荻O管根據(jù)

2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管（2-76）可見反向偏置的P-N結(jié)可以作為電容使用在LC調(diào)諧電路中。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：（2-83）對于單邊突變結(jié)，，如式（2-76）中所表示。

第七十七頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管包括一個P-N結(jié)電容的LC電路，其諧振頻率可表示為在電路應(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。（2-83）第七十八頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管小結(jié)概念：耗盡層電容：PN結(jié)空間電荷隨偏壓變化引起的電容。求雜質(zhì)分布變?nèi)荻O管給出了耗盡層電容公式（2-76）、（2-81）。給出了求雜質(zhì)分布的概念及求解程序。介紹了使用圖表2-19求電容的方法。介紹了變?nèi)荻O管的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)原則。

第七十九頁，共116頁。2.7耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管教學(xué)要求

掌握概念：耗盡層電容、求雜質(zhì)分布、變?nèi)荻O管記憶耗盡層電容公式（2-76）、（2-81）。掌握C－V關(guān)系：公式（2-77）及其應(yīng)用。推導(dǎo)求雜質(zhì)分布公式（2-82）。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。作業(yè)：2.17

第八十頁，共116頁。2.8小訊號交流分析第八十一頁，共116頁。2.8小訊號交流分析器件處理連續(xù)波時所表現(xiàn)出來的性能叫做器件的頻率特性。在小信號工作時，信號電流與信號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的變化。

（2-85）若外加交流信號電壓，則滿足小信號條件少子邊界條件空穴分布寫作

（2-91）在P-N結(jié)邊緣N側(cè)處，由（2-30）式

（2-86）第八十二頁，共116頁。2.8小訊號交流分析對于1得到

式中

（2-88）（2-89）（2-90）少子的邊界條件為:

第八十三頁，共116頁。2.8小訊號交流分析二交流少子連連續(xù)性方程：在N型中性區(qū)，把空穴分布

（2-91）（2-92）（2-93）代入連續(xù)性方程

式中（2-94）得第八十四頁，共116頁。2.8小訊號交流分析交流少子分布N區(qū)空穴交流分量

（2-95）（2-96）對于長二極管（）

第八十五頁，共116頁。2.8小訊號交流分析P區(qū)電子交流分量

（2-98）（2-101）（2-99）第八十六頁，共116頁。2.8小訊號交流分析交流電流

（2-97）（2-100）（2-99）總的交流電流

而（2-102）（2-103）第八十七頁，共116頁。2.8小訊號交流分析二極管的交流導(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：

（2-97）（2-99）其中為二極管正向電流直流成分。

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。（2-103）是二極管稱為P-N結(jié)擴(kuò)散電容。是正偏壓下PN結(jié)存貯電荷隨偏壓變化引起的電容，

隨直流偏壓的增加而增加。所以，在低頻正向偏壓下，擴(kuò)散電容特別重要。第八十八頁，共116頁。2.8小訊號交流分析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)小信號交流等效電路如圖2-20所示。

圖2-20二極管等效電路第八十九頁，共116頁。2.8小訊號交流分析小結(jié)概念：交流導(dǎo)納擴(kuò)散電導(dǎo)擴(kuò)散電阻擴(kuò)散電容等效電路解擴(kuò)散方程求出了