半導體物理基礎(chǔ) PN結(jié)

Chap2PN結(jié)半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)

PN結(jié)制作工藝過程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N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)光刻膠層勻膠及堅膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴散窗口膠膜的晶片（f)腐蝕SiO2后的晶片

n-

Si光刻膠SiO2N+半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程(g)完成光刻后去膠的晶片

(h)通過擴散（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+半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程PN結(jié)是幾乎所有半導體器件的基本單元。除金屬－半導體接觸器件外，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)的物理原理是學習其它半導體器件器件物理的基礎(chǔ)。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程由P型半導體和N型半導體實現(xiàn)冶金學接觸（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）的冶金學接觸都稱為結(jié)（junction）,有時也叫做接觸（contact）.半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程由同種物質(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）。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程因此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－半導體接觸或金屬－半導體結(jié)（M-S結(jié)）。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程氧化工藝：

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)擴散的作用。這一發(fā)現(xiàn)直接導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；

半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程（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：熱氧化和化學氣相沉積方法。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程擴散工藝：由于熱運動，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運動，使其趨于均勻的趨勢，這種現(xiàn)象稱為擴散。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）后直接轟擊到半導體基片（靶片）中，再經(jīng)過退火使雜質(zhì)激活，在半導體片中形成一定的雜質(zhì)分布。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程外延工藝：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形成不同導電類型，不同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外延層。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)制作工藝過程光刻工藝：光刻工藝是為實現(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化合物涂敷在半導體晶片表面上。經(jīng)光線的照射后，光刻膠的化學結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。正性膠和負性膠半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)一、PN結(jié)的形成PN結(jié)是幾乎所有半導體器件的基本單元。PN結(jié)含有豐富的物理知識，掌握PN結(jié)的物理原理是學習其它半導體器件器件物理的基礎(chǔ)。P型半導體和N型半導體接觸后，當在濃度梯度作用下的擴散運動和在內(nèi)建電場作用下的漂移運動達到動態(tài)平衡后，就形成了PN結(jié)。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)------++++++------++++++空間電荷區(qū)NP內(nèi)建電場半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)當P型硅和N型硅放在一起并達到熱平衡后，費米能級應該在整個系統(tǒng)中保持恒定；費米能級以下的能態(tài)更趨向于被電子填滿，費米能級以上的能態(tài)更趨向于空著。最終達到平衡后，形成P高N低的能帶圖結(jié)構(gòu)。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖接觸后的能帶圖半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)突變結(jié)：N型區(qū)到P型區(qū)是陡變的緩變結(jié)：具有逐漸改變的雜質(zhì)分布半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)泊松方程：電荷密度、電場、電勢的關(guān)系：半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)（1）對于電中性區(qū)利用中性區(qū)電中性條件導出了兩個中性區(qū)間的電勢差公式。稱為內(nèi)建電勢或擴散電勢。只存在于熱平衡PN結(jié)。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)形成PN結(jié)之前，N區(qū)的費米能及比P區(qū)要高。形成PN結(jié)之后，費米能級要求恒定，即N區(qū)費米能級要下降由1-12-1和1-12-2得：半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)這也是熱平衡時電子從N區(qū)進入P區(qū)，或空穴從P區(qū)進入N區(qū)需要跨越的勢壘高度。因此，也把空間電荷區(qū)稱為勢壘區(qū)。（2）邊界層邊界層的寬度約為非本征德拜（Debye）長度的3倍。邊界層小于耗盡層的寬度，所以可以忽略。PN結(jié)可以只簡單的劃分為中性區(qū)和耗盡區(qū)。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)（3）耗盡區(qū)耗盡區(qū)：在空間電荷區(qū)中，各自的多數(shù)載流子濃度受到抑制或者耗盡。自由載流子濃度可以忽略，稱為耗盡近似。N側(cè)和P側(cè)的泊松方程可以分別簡化為2-1-11和2-1-12。摻雜濃度與結(jié)寬度的關(guān)系：2-1-13半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)邊界條件：處，由電場強度的概念，電力線最密集的地方電場強度最大。因此在公式2-1-15中取x=0，得到最大電場電場和電勢分布：2-1-16和2-1-18半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)單邊突變結(jié)：結(jié)一邊的雜質(zhì)濃度遠高于另外一邊。推導出內(nèi)建電勢為2-1-19假設(shè)：以PN結(jié)最右側(cè)為電勢0點。勢壘區(qū)：電子和空穴要越過空間電荷區(qū)需要克服勢壘做功，因此空間電荷區(qū)也稱為勢壘區(qū)。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)單邊突變結(jié)的耗盡層寬度為（耗盡近似）半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)由于電勢和電場的積分關(guān)系，存在以下的面積關(guān)系：半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)對稱突變結(jié)、非對稱突變結(jié)和單邊突變結(jié)的耗盡層厚度與接觸電勢的關(guān)系為：半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.2加偏壓的PN結(jié)2.2.1PN結(jié)的單向?qū)щ娦援斖饧与妷哼B接到PN結(jié)兩端時，熱平衡被破壞，會有電流流過。空間電荷區(qū)的電阻遠遠高于中性區(qū)，因此認為外加電壓直接加在空間電荷區(qū)。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.2加偏壓的PN結(jié)（a）熱平衡，耗盡層寬度為W

（b）加正向電壓，耗盡層寬度W’W半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)（c）加反向電壓，耗盡層寬度W’>W

半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)正向偏壓：勢壘削弱，擴散被加強，電流大。反向偏壓：勢壘加強，擴散被抑制，電流小。當偏離平衡態(tài)之后，費米能級出現(xiàn)分裂。費米能及與載流子濃度相關(guān)聯(lián)。而電流與費米勢的梯度有關(guān)（1-12-5和1-12-6）。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)在電中性區(qū)，多數(shù)載流子濃度仍然保持相應的平衡數(shù)值，因此在這些區(qū)域中的準費米能級并沒有偏離平衡費米能級。在空間電荷區(qū)，載流子濃度不發(fā)生變化，因此準費米能級不變。準費米能級的分裂表明：在緊靠耗盡區(qū)的電中性區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)了過量載流子。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)在反向偏壓下，耗盡近似仍然成立。單邊突變結(jié)的耗盡層寬度為耗盡層的寬度隨反向偏壓的增加而增加。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)在正向偏壓下，如果電流不大，耗盡近似仍然成立。但當電流增大時，空間電荷區(qū)的載流子濃度會與雜質(zhì)離子濃度可比擬，耗盡近似不再成立。一般來說，在正向偏壓下，耗盡近似不成立。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)2.2.2少數(shù)載流子的注入與運輸正向偏置條件下，電子從N區(qū)擴散到P區(qū)，空穴從P區(qū)擴散到N區(qū)。1、擴散近似nn0：熱平衡時n區(qū)的電子濃度——多子np0：熱平衡時p區(qū)的電子濃度——少子pn0：熱平衡時n區(qū)的空穴濃度——少子pp0：熱平衡時p區(qū)的空穴濃度——多子半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)考慮緊靠結(jié)邊緣的N側(cè)中性區(qū)載流子的行為。由于從P區(qū)注入了過量空穴，因此該區(qū)域?qū)⒔⒁粋€電場。該電場將使得電子有類似的分布，以中和過量的空穴。（圖2-6）因此在載流子注入的區(qū)域中不存在電場。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)多子處于被動地位，僅限于中和少子所引起的電場，可以忽略，主要是看少子的影響。假設(shè)該區(qū)域的電中性條件完全得到滿足，于是少數(shù)載流子將通過擴散運動在電中性區(qū)中輸運，這種近似稱為擴散近似。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)N區(qū)的空穴電流及連續(xù)性方程2-2-3和2-2-4P區(qū)的電子電流及連續(xù)性方程2-2-5和2-2-6選擇適當?shù)倪吔鐥l件，就可以求得注入的少子分布和少子電流。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)2.空間電荷區(qū)邊界的少數(shù)載流子濃度熱平衡時：根據(jù)自建電勢表達式2-1-7和完全電離原理，以及質(zhì)量作用定律，可以得到2-2-8和2-2-9：結(jié)的空間電荷層兩邊的電子濃度以及空穴濃度是和勢壘高度相聯(lián)系的。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)加上正向偏壓時：2-2-8被修改為2-2-10。在小注入條件下，得到邊界條件2-2-11和2-2-12。2-2-11和2-2-12是少子連續(xù)性方程在PN結(jié)空間電荷區(qū)邊界的邊界條件。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)邊界條件：加偏壓后的邊界少子濃度由熱平衡少子濃度和外加電壓決定。結(jié)邊緣少子濃度與熱平衡少子濃度成正比，即與雜質(zhì)濃度成反比。單邊突變結(jié)：單邊注入半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-2加偏壓的PN結(jié)正向注入：當PN結(jié)加正向偏壓時，少子濃度會大于熱平衡時少子濃度。反向抽?。寒擯N結(jié)加反向偏壓時，少子濃度會小于熱平衡時少子濃度。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN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，載流子不作漂移運動?？臻g電荷區(qū)內(nèi)不存在復合電流和產(chǎn)生電流。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性小注入，即和

半導體非簡并（費米能及位于禁帶之中）半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性首先對于N型中性區(qū)，當達到穩(wěn)態(tài)之后，正向注入的過剩載流子隨時間的變化應為0，即公式2-2-5為0，得到2-3-1?？昭〝U散長度對于N區(qū)很長的PN結(jié)（長二極管），得到N型中性區(qū)的空穴電流2-3-8和2-3-9，x越大，空穴電流越小。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性整個區(qū)域中的電流要恒定，必然會使得電子電流增加，即，少子電流通過電子－空穴對的復合不斷的轉(zhuǎn)換為多子電流。P型中性區(qū)的電子電流2-3-14和2-3-15。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性（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2-7正向偏壓情況下的的P-N結(jié)：半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性圖2－7的意義：注入的少子離開PN結(jié)邊界后不斷的與多子復合，將少子電流轉(zhuǎn)化為多子電流中性區(qū)的少子擴散電流隨著距離的增加成指數(shù)衰減，分別在Ln和Lp距離上衰減為1/e。少子電子的擴散區(qū)：空間電荷區(qū)N側(cè)邊緣LP左右的范圍少子空穴的擴散區(qū)：空間電荷區(qū)N側(cè)邊緣Ln左右的范圍半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性總電流為空穴電流＋電子電流肖克利（Shockley）方程I0為二極管飽和電流半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性二極管飽和電流的幾種表達式：半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性圖2-8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半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性對于反向偏置PN結(jié)：反向電流是由PN結(jié)邊界產(chǎn)生的，而被反向抽取到空間電荷區(qū)的少子而形成的。而這種少子的濃度很小，因此反向電流很小。對于正向偏置PN結(jié)；正向電流是由對應側(cè)的中性區(qū)多子注入后，在擴散過程中不斷轉(zhuǎn)化為多子電流而形成的。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性加反向偏壓時，邊界附近少子濃度幾乎為0。反向電流很小，且成飽和性質(zhì)，也常稱I0為反向飽和電流。PN結(jié)單向?qū)щ娦裕簣D2-9半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性對2－3節(jié)的要求：能夠畫出正、反偏壓下PN結(jié)少子分布、電流分布和總電流示意圖（圖2-7、8）。用語言描述正、反向偏置下電流形成。記住公式2-3-16及其近似2-3-22空穴和電子的擴散長度表達式及意義（兩個意義：擴散區(qū)域；少子擴散電流衰減為1/e）。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-4空間電荷區(qū)的復合電流和產(chǎn)生電流正偏復合電流：正向偏置時，空間電荷區(qū)載流子濃度超過平衡值，空間電荷區(qū)中會有非平衡載流子的復合。反偏產(chǎn)生電流：反向偏置時，將會有非平衡載流子的產(chǎn)生非平衡載流子的復合和產(chǎn)生會引起復合電流和產(chǎn)生電流。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-4空間電荷區(qū)的復合電流和產(chǎn)生電流考慮空間電荷區(qū)正偏復合電流和串聯(lián)電阻的影響的實際I－V曲線（圖2-10）：低偏壓：空間電荷區(qū)的復合電流占優(yōu)勢偏壓升高：擴散電流占優(yōu)勢更高偏壓：串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-4空間電荷區(qū)的復合電流和產(chǎn)生電流半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-4空間電荷區(qū)的復合電流和產(chǎn)生電流若越小，電壓愈低，則勢壘區(qū)復合電流的影響愈大在低電流水平時，復合電流成分占優(yōu)勢。高電流水平下，串聯(lián)電阻造成的較大歐姆電壓降支配著電流電壓特性。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流一、隧道電流隧道電流概念：當P側(cè)和N側(cè)均為重摻雜的情況時，有些載流子可能穿透(代替越過)勢壘而產(chǎn)生電流，這種電流叫做隧道電流。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流產(chǎn)生隧道電流的條件：（1）費米能級位于導帶或價帶的內(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)。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流圖2.12（a）：沒有加偏壓，費米能級進入導帶和價帶。費米能級以下的狀態(tài)被電子占據(jù)，費米能級以上的狀態(tài)為空。圖2.12（b）：加上正向偏壓，出現(xiàn)電子和空穴的準費米能級。能帶彎曲程度變小，N區(qū)有一些電子的能量與P區(qū)的空狀態(tài)相對應。電子可能隧道穿透結(jié)勢壘產(chǎn)生電流。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流圖2.12（c）：最大隧道電流的狀態(tài)。P區(qū)有足夠的空閑狀態(tài)能夠接收電子的隧道擊穿。圖2.12（d）：偏壓進一步增加，P區(qū)相應的空閑狀態(tài)變少，電流變小。直至為0。圖2.12（e）：加反向偏壓。反向隧道電流隨著反向偏壓的增加而增加。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流正向偏壓時隧道電流隨著電壓升高的變化：出現(xiàn)——增大——最大——減小——最小——為0。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流二、隧道二極管I/V曲線受擴散電流和隧道電流影響。當某一個極上加正電壓時，通過管的電流先將隨電壓的增加而很快變大，但在電壓達到某一值后，忽而變小，小到一定值后又急劇變大；如果加反向偏壓，電流則隨電壓的增加而急劇變大。因為這種變化可以用量子力學中的“隧道效應”加以說明，故稱隧道二極管。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流（a）江崎二極管電流-電壓特性半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流隧道二極管的主要特點1、隧道二極管是利用多子的隧道效應工作的。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音。2、隧道結(jié)是用重摻雜的簡并半導體制成，由于溫度對多子漲落的影響小，使隧道二級管的工作溫度范圍大。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-5隧道電流3、由于隧道效應的本質(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。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和局限性。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-6I-V特性的溫度依賴關(guān)系根據(jù)公式（2-6-3）反向電流隨溫度升高而增加。PN結(jié)中的電流包括擴散電流、空間電荷區(qū)產(chǎn)生與復合電流和隧道電流。無論是正向偏壓還是反向偏壓，隨著溫度的增加，都是以擴散電流為主。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。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-6I-V特性的溫度依賴關(guān)系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。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-6I-V特性的溫度依賴關(guān)系半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-7耗盡層電容耗盡層寬度是偏置電壓的函數(shù)。隨著偏置電壓的增、減，空間電荷區(qū)的電荷也不斷的變化。耗盡層內(nèi)空間電荷隨偏壓變化所引起的電容，稱為PN結(jié)的耗盡層電容，也稱為勢壘電容和過渡電容。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-7耗盡層電容2.7.1C-V關(guān)系對于單邊突變結(jié)，根據(jù)耗盡層寬度公式2-2-1，空間電荷區(qū)所存儲的電荷為半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-7耗盡層電容由電容定義得到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。

半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-7耗盡層電容常用－關(guān)系：1、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計算出施主濃度。2、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-7耗盡層電容由可見反向偏置的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。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性器件處理連續(xù)波時所表現(xiàn)出來的性能叫做器件的頻率特性。器件處理數(shù)字信號和脈沖信號時，在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間躍變，躍變過程中表現(xiàn)出來的特性叫做開關(guān)特性，也叫做瞬變特性半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性大信號：電流及電壓變化較大，如開關(guān)工作時。小信號：如連續(xù)波在小信號工作時，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。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性小信號工作時，外加電壓為直流電壓加上一個小信號電壓小信號條件：《半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性在PN結(jié)邊緣xn處，注入少子空穴的小信號分布為其中有半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性在N型中性區(qū)，可以將空穴分布寫成由連續(xù)性方程為0可得：其中半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性邊界條件為半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性x=xn處空穴電流的交流量為X=-xp處電子電流的交流量為半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性總的交流電流為：二極管的交流導納定義為交流電流與交流電壓之比：半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性

是二極管直流電導也叫做擴散電導，其倒數(shù)叫做PN結(jié)擴散電阻。稱為P-N結(jié)擴散電容。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，所以低頻正向偏壓下，擴散電容特別重要。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性在許多應用中，總是根據(jù)在使用條件下半導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到等效器件的功能。這種電路叫做等效電路。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2-8PN結(jié)二極管的頻率特性2－8節(jié)重點掌握：等效電路，直流電導，交流導納，擴散電容。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)的電容效應PN結(jié)兩端的外加電壓發(fā)生變化時，PN結(jié)中的電荷量也將隨之變化，它說明PN結(jié)具有一定的電容效應。通常把PN結(jié)的電容效應分成兩部分討論，即勢壘電容和擴散電容。勢壘電容是由于PN結(jié)中存在空間電荷而形成的，又稱為結(jié)電容，一般用CB表示。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)的電容效應擴散電容是由于多數(shù)載流子在擴散過程中電荷的積累而形成的，一般用CD表示。當加正向電壓時，多數(shù)載流子都要向?qū)Ψ絽^(qū)擴散。多子克服內(nèi)電場的阻力擴散到對方區(qū)域后，并不是立即與該區(qū)的多子復合而消失，而是在一定的范圍內(nèi)繼續(xù)擴散，逐漸復合。所以會在一定范圍內(nèi)存儲電荷，并按濃度梯度遞減。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)的電容效應因此擴散電容與非平衡載流子壽命和電壓變化頻率有關(guān)。器件物理中常用乘積來劃分頻率的高低。為非平衡載流子的壽命，也就是存儲電荷再分布的弛豫時間。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)PN結(jié)的電容效應在低頻情況下，信號變化周期較長，大于存儲電荷的再分布時間，電容較大。由2-105表示。在高頻情況下，存儲電荷的變化比電壓變化要慢的多，因此擴散電容很小。且擴散電容隨直流偏壓增加而增加。因此擴散電容有下面的特性：在低頻正向偏壓下，擴散電容特別重要。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.9電荷存儲和反向瞬變PN結(jié)二極管的開關(guān)作用：PN結(jié)二極管處于正向偏置時，允許通過較大的電流，處于反向偏置時通過二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時二極管的工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處于反向偏置時的工作狀態(tài)叫作關(guān)態(tài)?？梢娊Y(jié)二極管能起到開關(guān)作用。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.9電荷存儲和反向瞬變PN結(jié)的反向瞬變半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.9電荷存儲和反向瞬變當電壓由正向變?yōu)榉聪蚝?，PN結(jié)的電流和電壓的延遲現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向瞬變。PN結(jié)加一恒定的正向偏壓時，載流子被注入并保持在結(jié)二極管中，在擴散區(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。半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.9電荷存儲和反向瞬變半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.9電荷存儲和反向瞬變當外加電壓從正向轉(zhuǎn)為反向后，以N區(qū)的少子空穴為例，會在外加電場的作用下向空間電荷區(qū)流動，進入空間電荷區(qū)后又在內(nèi)電場的作用下漂移進P區(qū)，導致N區(qū)的少子濃度減小，但不是立即變?yōu)榉聪蚱玫那樾巍０雽w物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.9電荷存儲和反向瞬變半導體物理基礎(chǔ)PN結(jié)2.