半導(dǎo)體器件物理第二章

第二章p-n結(jié)§2.1pn結(jié)基本原理§2.2耗盡區(qū)和耗盡層電容§2.3pn結(jié)的直流特性§2.4pn結(jié)的瞬態(tài)特性§2.5pn結(jié)的擊穿特性§2.6異質(zhì)結(jié)與高低結(jié)§2.7幾種典型二極管的應(yīng)用3/7/20241半導(dǎo)體器件物理PN結(jié)簡介熱平衡下的pn結(jié)耗盡近似條件§2.1pn結(jié)的基本原理3/7/20242半導(dǎo)體器件物理PN結(jié)簡介pn結(jié)作為整流、開關(guān)及其他用途的器件，同時(shí)也是半導(dǎo)體微波器件及光電器件的基本結(jié)構(gòu)，也是雙極型晶體管、可控硅整流器和場效應(yīng)晶體管的基本組成部分。pn結(jié)最重要的性質(zhì)是整流效應(yīng)，即只允許電流一個(gè)方向通過。典型的伏安特性：加正向偏置電壓時(shí)，電流隨偏壓的增加而迅速增大，通常正向偏壓<1V。加反向偏壓時(shí)，開始時(shí)幾乎沒有電流，反向電壓增加時(shí)，電流一直很小。當(dāng)電壓加到一個(gè)極限值時(shí)，電流突然增加，這種現(xiàn)象稱為結(jié)擊穿，反向擊穿電壓大約10V～10KV，與摻雜及器件其他參數(shù)有關(guān)。3/7/20243半導(dǎo)體器件物理理想二極管

3/7/20244半導(dǎo)體器件物理PN結(jié)基本工藝制造方法3/7/20245半導(dǎo)體器件物理平面工藝中主要工序（1）外延生長（2）氧化（3）擴(kuò)散（4）離子注入（5）光刻3/7/20246半導(dǎo)體器件物理

晶體生長與外延—從熔體中生長單晶：直拉法(Si)和布里奇曼法(GaAs)原材料：石英砂SiC(固體)+SiO2(固體)

Si(固體)+SiO(氣體)+CO(氣體)冶金級硅電子級硅（ppb量級）硅片成形:前處理切片雙面研磨拋光—外延：除常規(guī)外延工藝(如氣相外延VPE)外，還有液相生長法（廣泛應(yīng)用于化合物半導(dǎo)體）及絕緣體上硅分子束外延等。3/7/20247半導(dǎo)體器件物理氧化與薄膜淀積—四大類薄膜：熱氧化膜、電介質(zhì)膜、多晶硅膜和金屬膜—熱氧化膜：如柵氧化層、場氧化層—介質(zhì)膜：如淀積的SiO2、Si3N4膜（絕緣層、掩蔽膜、覆蓋在摻雜的薄膜上、鈍化）—多晶硅膜：MOS柵、多層金屬化的導(dǎo)電材料、淺結(jié)器件的接觸材料—金屬膜：如鋁和硅化物（歐姆接觸、整流、互連線）3/7/20248半導(dǎo)體器件物理擴(kuò)散與離子注入用可控制數(shù)量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體擴(kuò)散：摻雜分布主要由擴(kuò)散溫度及擴(kuò)散時(shí)間決定，用于形成深結(jié)：擴(kuò)散流密度F(單位時(shí)間通過單位面積的雜質(zhì)原子數(shù)）：

C為雜質(zhì)濃度，D是擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散過程的基本起因是濃度梯度擴(kuò)散結(jié)果評價(jià)：結(jié)深（染色法）、薄層電阻（四探針法）、擴(kuò)散層雜質(zhì)分布（SIMS）

雜質(zhì)再分布3/7/20249半導(dǎo)體器件物理離子注入：摻雜分布主要由離子質(zhì)量和注入離子的能量決定（典型的離子能量是30-300keV,注入劑量是在1011-1016離子數(shù)/cm2范圍），用于形成淺結(jié)

由于離子注入形成損傷區(qū)和畸變團(tuán)，為了激活注入的離子：退火

3/7/202410半導(dǎo)體器件物理光刻—圖形曝光與刻蝕—0.1m以內(nèi)仍采用光學(xué)光刻技術(shù)—短波長的射線：1nm波長軟X射線、13nm波長極紫外線、電子束曝光3/7/202411半導(dǎo)體器件物理(a)突變結(jié)(b)線性緩變結(jié)雜質(zhì)分布近似PN結(jié)大致可以分為兩種：（1）突變結(jié)：PN結(jié)兩區(qū)中的雜質(zhì)濃度為均勻分布，且在交界面處發(fā)生雜質(zhì)突變。如果一區(qū)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于另一區(qū)，稱為單邊突變結(jié)P+N或N+P結(jié)。由合金、淺擴(kuò)散或低能離子注入形成。（2）線性緩變結(jié)：結(jié)附近，其雜質(zhì)分布是緩變分布的，可以用直線近似，其斜率稱為雜質(zhì)濃度梯度。由深擴(kuò)散或高能離子注入制得的結(jié)。3/7/202412半導(dǎo)體器件物理熱平衡條件PNHoleSilicon(p-type)Silicon(n-type)3/7/202413半導(dǎo)體器件物理熱平衡條件3/7/202414半導(dǎo)體器件物理在界面處存在空穴和電子的濃度梯度，使得空穴由P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，電子由N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，兩者都在擴(kuò)散過程中通過復(fù)合而逐漸消失。這樣，在結(jié)兩側(cè)附近電中性被破壞，雜質(zhì)離子顯露出電性，稱為空間電荷?？臻g電荷區(qū)：存在空間電荷的區(qū)域自建電場（或內(nèi)建電場）這種平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。3/7/202415半導(dǎo)體器件物理1.熱平衡下P區(qū)與N區(qū)的費(fèi)米能級相等所謂平衡P-N結(jié)，即指無外界作用且溫度恒定的P-N結(jié)。費(fèi)米能級在整個(gè)樣品內(nèi)必須為常數(shù)。3/7/202416半導(dǎo)體器件物理2.內(nèi)建電勢（接觸電勢差）N型中性區(qū)P型中性區(qū)3/7/202417半導(dǎo)體器件物理內(nèi)建電勢的另一種求法：3/7/202418半導(dǎo)體器件物理耗盡近似條件“耗盡近似”條件在P-N結(jié)的理論分析中，為簡化問題的處理，常常假設(shè)空間電荷區(qū)中正負(fù)電荷密度完全由電離雜質(zhì)濃度決定，從而忽略自由載流子的影響。耗盡區(qū)從中性區(qū)向結(jié)移動(dòng)時(shí)，將遇到一個(gè)狹窄的過渡區(qū)，此處的雜質(zhì)離子部分地被可動(dòng)載流子補(bǔ)償，經(jīng)過過渡區(qū)就是完全耗盡區(qū)，其中可動(dòng)的載流子濃度為零，這個(gè)區(qū)稱為耗盡區(qū)，也叫空間電荷區(qū)。一般地，對Si，GaAs的p－n結(jié)，過渡區(qū)的寬度遠(yuǎn)小于耗盡區(qū)，可以忽略過渡區(qū)。3/7/202419半導(dǎo)體器件物理耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）、過渡區(qū)3/7/202420半導(dǎo)體器件物理§2.2耗盡區(qū)（耗盡層）和耗盡層電容求解泊松方程，必須知道雜質(zhì)分布。PN結(jié)大致可以分為兩種：（1）突變結(jié)：PN結(jié)兩區(qū)中的雜質(zhì)濃度為均勻分布，且在交界面處發(fā)生雜質(zhì)突變。如果一區(qū)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于另一區(qū)，稱為單邊突變結(jié)P+N或N+P結(jié)。由合金、淺擴(kuò)散或低能離子注入形成。（2）線性緩變結(jié)：結(jié)附近，其雜質(zhì)分布是緩變分布的，可以用直線近似，其斜率稱為雜質(zhì)濃度梯度。由深擴(kuò)散或高能離子注入制得的結(jié)。3/7/202421半導(dǎo)體器件物理1.突變結(jié)空間電荷區(qū)寬度向低摻雜濃度一側(cè)展寬泊松方程3/7/202422半導(dǎo)體器件物理利用耗盡區(qū)近似得：由邊界條件

（-xp）=

（xn）=0，得：電場分布3/7/202423半導(dǎo)體器件物理電勢分布X=0處，電場有最大值。若取x=0處的電勢為零，3/7/202424半導(dǎo)體器件物理耗盡區(qū)電荷分布電場分布電勢分布3/7/202425半導(dǎo)體器件物理內(nèi)建電勢由NA

xp=ND

xn以及xp+xn=W。可以求得：3/7/202426半導(dǎo)體器件物理耗盡區(qū)寬度3/7/202427半導(dǎo)體器件物理單邊突變結(jié)實(shí)際問題中經(jīng)常遇到p區(qū)和n區(qū)摻雜濃度相差懸殊的情況,當(dāng)突變結(jié)一邊雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于另一邊時(shí)，稱為單邊突變結(jié)。對于單邊突變結(jié)，空間電荷區(qū)寬度簡化為

式中NB為PN結(jié)輕摻雜區(qū)的濃度。3/7/202428半導(dǎo)體器件物理對p＋n結(jié)：設(shè)p型中性區(qū)為電勢零點(diǎn)，則Constant=03/7/202429半導(dǎo)體器件物理單邊突變結(jié)3/7/202430半導(dǎo)體器件物理例：硅的單邊突變結(jié)，NA＝1019cm－3，ND＝1016cm－3，求零偏壓下300K時(shí)耗盡層寬度和最大電場強(qiáng)度。除了考慮雜質(zhì)濃度外，還考慮到自由載流子的影響時(shí)，則在P型側(cè)有

(x)=-q[NA-p(x)],在N型側(cè)有

(x)=q[ND-n(x)]的關(guān)系，由此進(jìn)行簡單修正后可以得到更精確的耗盡層寬度，這種簡單模型對大多數(shù)突變結(jié)作出了相當(dāng)好的預(yù)言。對極不對稱的結(jié)，或超淺結(jié)，為了得到精確結(jié)果，需進(jìn)行數(shù)值分析。3/7/202431半導(dǎo)體器件物理2.線性緩變結(jié)對于線性緩變結(jié)，其雜質(zhì)分布可表示為由結(jié)對稱，兩邊耗盡區(qū)寬度為W/2，利用耗盡近似條件，空間電荷分布為-W/2

x

W/2

3/7/202432半導(dǎo)體器件物理泊松方程由電場邊界條件：可得電場分布：-W/2

x

W/2

-W/2

x

W/2

電場分布3/7/202433半導(dǎo)體器件物理電勢分布X=0處，電場有最大值。若取x=0處的電勢為零，-W/2

x

W/2

3/7/202434半導(dǎo)體器件物理線性緩變結(jié)3/7/202435半導(dǎo)體器件物理可以求得內(nèi)建電勢：

耗盡區(qū)寬度：

如果把線性緩變結(jié)看成由無數(shù)薄層組成，每一薄層摻雜濃度均勻，則類似于突變結(jié)，由此內(nèi)建電勢可由耗盡區(qū)邊緣處的雜質(zhì)濃度表示：將兩式聯(lián)立，消去W，可得到Vbi與雜質(zhì)濃度梯度a的函數(shù)關(guān)系。

3/7/202436半導(dǎo)體器件物理Si和GaAs線性緩變結(jié)的內(nèi)建電勢和雜質(zhì)梯度的關(guān)系圖（cm-4）

3/7/202437半導(dǎo)體器件物理3.非平衡PN結(jié)一個(gè)P-N結(jié)，當(dāng)加上外電壓時(shí)，勢壘區(qū)中載流子的擴(kuò)散和漂移兩種運(yùn)動(dòng)的相對平衡狀態(tài)將被破壞。直接結(jié)果是一種運(yùn)動(dòng)大于另一種運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致P-N結(jié)上凈電流的流動(dòng)。當(dāng)外加電壓的方向使P區(qū)相對于N區(qū)為正時(shí)，稱為正向偏置；反之，則稱為反向偏置。3/7/202438半導(dǎo)體器件物理不同電壓偏置下的p-n結(jié)3/7/202439半導(dǎo)體器件物理準(zhǔn)費(fèi)米能級電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級描述導(dǎo)帶電子分布的費(fèi)米能級空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級描述價(jià)帶空穴分布的費(fèi)米能級非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離EF越遠(yuǎn)。

3/7/202440半導(dǎo)體器件物理波爾茲曼關(guān)系由電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級可得N區(qū)邊界處注入的空穴濃度：結(jié)定律：邊界處注入的少子濃度由平衡態(tài)少子濃度和外加電壓所決定，其值為平衡少子濃度的exp(qVf/kT)倍。3/7/202441半導(dǎo)體器件物理P-N結(jié)正向注入效應(yīng)空間電荷區(qū)兩側(cè)少子擴(kuò)散長度范圍內(nèi)的區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)。在P區(qū)一側(cè)為電子擴(kuò)散區(qū)，N區(qū)一側(cè)為空穴擴(kuò)散區(qū)。

3/7/202442半導(dǎo)體器件物理反向偏壓下的P-N結(jié)反向偏壓下的P-N結(jié)電流只能來自勢壘區(qū)兩側(cè)的少子擴(kuò)散長度范圍內(nèi)對少子的抽取作用。

3/7/202443半導(dǎo)體器件物理正向偏置反向偏置3/7/202444半導(dǎo)體器件物理非平衡情況下空間電荷區(qū)寬度的變化

對于突變結(jié)有：對于線性緩變結(jié)有：3/7/202445半導(dǎo)體器件物理4.耗盡層電容P-N結(jié)電容可分為勢壘電容及擴(kuò)散電容，前者由勢壘區(qū)中的空間電荷隨外加電壓變化而引起，后者由勢壘區(qū)兩邊積累的非平衡少子電荷隨外加電壓變化所引起。P-N結(jié)的勢壘區(qū)寬度隨外加電壓而變，因此所包含的空間電荷（電離雜質(zhì)）量也隨外加電壓而變。即耗盡層內(nèi)正負(fù)電荷量隨外加電壓改變，這種電壓變化引起電荷量變化的電容效應(yīng)稱做P-N結(jié)耗盡層電容或勢壘電容。3/7/202446半導(dǎo)體器件物理P-N結(jié)勢壘電容P-N結(jié)勢壘電容類似于中間充滿半導(dǎo)體介質(zhì)的平板電容器。但兩者之間也有重要的差異：①平板電容器的電荷集中在極板上。而P-N結(jié)的電荷分布在整個(gè)空間電荷區(qū)內(nèi)，且電荷的變化只發(fā)生在勢壘區(qū)邊緣。②平板電容器極間距離一定，電容是一個(gè)常數(shù)，與電壓無關(guān)，而P-N結(jié)勢壘寬度隨外壓而變，故它是一個(gè)非線性電容，也稱為微分電容。③平板電容器可用于隔直流，而P-N結(jié)卻能允許直流通過。3/7/202447半導(dǎo)體器件物理單位面積耗盡層電容

設(shè)Q為單位面積耗盡區(qū)內(nèi)正的（或負(fù)的）電荷量,則單位面積耗盡層電容的定義為：對于任意摻雜分布的PN結(jié)，單位面積耗盡層電容表達(dá)式：

微分電容，只在小信號(hào)情形下成立。3/7/202448半導(dǎo)體器件物理（1）突變結(jié)勢壘電容勢壘電容為Vt為結(jié)上總電壓,即外加電壓與接觸電位的代數(shù)和。

3/7/202449半導(dǎo)體器件物理（2）線性緩變結(jié)勢壘電容勢壘電容為上面的討論都利用了耗盡近似，因此對反偏P-N結(jié)是適用的。但對接近零偏或正偏時(shí)，勢壘區(qū)內(nèi)自由載流子不能忽略，則上面的公式需進(jìn)行修正，只要把電壓項(xiàng)的Vbi換成(Vbi-2kT/q)即可。3/7/202450半導(dǎo)體器件物理（3）C-V特性對于單邊突變結(jié)，是直線，斜率為，由此可以給出襯底的雜質(zhì)濃度NB，截距為Vbi。因此可以用C－V特性估算任意雜質(zhì)濃度的分布。對于線性緩變結(jié)，作出pn結(jié)的曲線，由斜率和截距可得到雜質(zhì)梯度aj和內(nèi)建電勢Vbi。反向偏置時(shí)耗盡層電容為，當(dāng)VR>>Vbi時(shí)，3/7/202451半導(dǎo)體器件物理§2.3pn結(jié)的直流特性在正偏壓下，電子從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)，空穴從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)。兩者運(yùn)動(dòng)方向相反，但因所帶電荷異號(hào)，所以形成的電流方向相同，都是從P區(qū)向N區(qū)流動(dòng)。因此，通過P-N結(jié)的總的正向電流為兩者之和。當(dāng)外壓增大時(shí)，勢壘區(qū)電場將更減弱，電子、空穴擴(kuò)散電流亦相應(yīng)增加，于是總電流增大。在反向偏壓下，勢壘區(qū)兩側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長度范圍內(nèi)少子反擴(kuò)散形成了電流，其方向從N區(qū)流向P區(qū)。由于少子濃度很低，故反向電流很小，且由于少子濃度梯度是不變的，因此，反向電流不隨外壓的改變而變化，即反向電流飽和。3/7/202452半導(dǎo)體器件物理

P-N結(jié)電流的傳輸與轉(zhuǎn)換過程及電流密度分布3/7/202453半導(dǎo)體器件物理PN結(jié)的電流組成3/7/202454半導(dǎo)體器件物理理想伏安特性

基本假設(shè)：①耗盡區(qū)有突變的邊界，邊界外的半導(dǎo)體為電中性，外加電壓全部降在勢壘區(qū)中；滿足突變耗盡近似，即勢壘區(qū)中載流子全部耗盡。②兩個(gè)邊界處的載流子濃度通過結(jié)上的靜電勢差相關(guān)聯(lián)。等同于半導(dǎo)體非簡并，等同于滿足玻爾茲曼分布條件。③小注入條件。即注入的少子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度。在外加電壓變化時(shí)，中性區(qū)邊界處的多子濃度的變化可忽略。④忽略勢壘區(qū)中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合作用，耗盡區(qū)內(nèi)既無產(chǎn)生電流，又無復(fù)合電流，通過勢壘區(qū)的電子和空穴電流為常數(shù)。3/7/202455半導(dǎo)體器件物理基本方程組從半導(dǎo)體的基本方程出發(fā)。描述載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的電流密度方程和連續(xù)性方程3/7/202456半導(dǎo)體器件物理I-VCharacteristic3/7/202457半導(dǎo)體器件物理I-VCharacteristics3/7/202458半導(dǎo)體器件物理肖克萊方程求得P-N結(jié)的直流基本表達(dá)式，即肖克萊方程：3/7/202459半導(dǎo)體器件物理I-V特性曲線圖正向偏置：反向偏置:3/7/202460半導(dǎo)體器件物理討論具有單向?qū)щ娦詼囟葘﹄娏鞯挠绊?/p>

其中Dn、Ln、np0、Dp、Lp、pn0與T有關(guān)，JS隨T的升高而增大，且禁帶寬度Eg愈大，JS變化越快上述理想方程描述Ge的pn結(jié)在小電流密度下的伏安特性是適合的，而對Si和GaAs的pn結(jié)只能定性符合，因此需要進(jìn)行修正，包括產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)、大注入效應(yīng)、串聯(lián)電阻效應(yīng)和溫度效應(yīng)3/7/202461半導(dǎo)體器件物理反向偏置

當(dāng)P-N結(jié)反向偏置時(shí)，由耗盡近似知，勢壘區(qū)中的載流子濃度n=p=0，此時(shí)電子和空穴的產(chǎn)生過程占支配地位，俘獲過程并不重要。

勢壘區(qū)中產(chǎn)生電流密度為P-N結(jié)反向電流為反向擴(kuò)散電流與反向產(chǎn)生電流之和

產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)

3/7/202462半導(dǎo)體器件物理正向偏置對于P+-N結(jié)，總的正向電流為正向電流密度常用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示

η稱為二極管的理想化因子

3/7/202463半導(dǎo)體器件物理在P-N結(jié)中，當(dāng)注入的少數(shù)載流子濃度達(dá)到甚至超過多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱為大注入。大注入只在正向偏置中存在。大注入時(shí)的邊界條件為大注入效應(yīng)

3/7/202464半導(dǎo)體器件物理大注入下通過P＋-N結(jié)的總電流可表示為：同理可得，對于大注入到p區(qū)的電子電流3/7/202465半導(dǎo)體器件物理小結(jié)：①大注入使擴(kuò)散系數(shù)加倍，少子擴(kuò)散系數(shù)由DP增加到2DP，此時(shí)，漂移電流和擴(kuò)散電流各占一半。②大注入時(shí)電流對電壓的依賴關(guān)系由小注入的exp(qV/kT)變?yōu)閑xp(qV/2kT)，電流隨電壓增加的速度變慢。③大注入的電流密度與N區(qū)摻雜濃度無關(guān)，只與ni成正比。而小注入下與ni2/ND成比例。3/7/202466半導(dǎo)體器件物理大電流時(shí)，在串聯(lián)電阻R（包括中性區(qū)的電阻和非理想歐姆接觸的電阻）上的壓降不能忽略。實(shí)際加在勢壘上的電壓只有V－IR，因此電流隨正向電壓增加的速度變慢串聯(lián)電阻效應(yīng)

3/7/202467半導(dǎo)體器件物理工作溫度對器件的性能影響很多，無論是正偏還是反偏，擴(kuò)散電流和復(fù)合產(chǎn)生電流的大小都強(qiáng)烈依賴于溫度。1.反向偏置時(shí)：在室溫附近，對Si的pn結(jié)，溫度每增加1K，IS相應(yīng)增加15％，即溫度每增加6℃，反向電流增加1倍。2.正向偏置時(shí)：

對Si的pn結(jié)，V＝0.6V，室溫附近，溫度每增加10℃，電流增加1倍，電壓變化率約為－2mV/℃。溫度效應(yīng)

3/7/202468半導(dǎo)體器件物理§2.4pn結(jié)的瞬態(tài)特性正向偏置時(shí)，電子從n區(qū)注入到p區(qū)，空穴從p區(qū)注入到n區(qū)，少子一旦注入，便和多子復(fù)合，最終形成非平衡載流子濃度隨距離呈指數(shù)衰減的穩(wěn)定分布，這些非平衡載流子導(dǎo)致pn結(jié)內(nèi)的電荷積累，即等量的過剩電子電荷和過?？昭姾傻拇尜A。當(dāng)結(jié)上外加偏壓突然反向時(shí)，這些存貯電荷不能立即去除，需要經(jīng)過一定時(shí)間，pn結(jié)才能達(dá)到反偏狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間。存貯電荷和電流等隨時(shí)間的變化說明pn結(jié)的反向瞬態(tài)特性。3/7/202469半導(dǎo)體器件物理少數(shù)載流子的存貯少子存貯的電荷依賴于擴(kuò)散長度和耗盡區(qū)邊界上的電荷密度。用注入電流來表示存貯電荷：即存貯電荷是注入電流和少子壽命的乘積。

結(jié)論：注入的電流越大，進(jìn)入中性區(qū)的少子越多；少子壽命越長，注入的少子在復(fù)合之前擴(kuò)散進(jìn)中性區(qū)越遠(yuǎn)，積累的少子也越多。

3/7/202470半導(dǎo)體器件物理P-N結(jié)擴(kuò)散電容擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存貯電荷量隨電壓而改變的現(xiàn)象稱之為擴(kuò)散電容。當(dāng)pn結(jié)正偏時(shí)，中性區(qū)存貯電荷的再分布對結(jié)電容有一項(xiàng)附加的重要貢獻(xiàn)即為擴(kuò)散電容Cd

：

PN結(jié)擴(kuò)散電容考慮少子存貯對Cd的貢獻(xiàn)：3/7/202471半導(dǎo)體器件物理瞬態(tài)特性和反向恢復(fù)時(shí)間PN結(jié)的反向瞬變過程可以分為電流恒定和電流衰減兩個(gè)階段，相應(yīng)的瞬變時(shí)間分別以tS和tf表示。tS稱為存儲(chǔ)時(shí)間，tf稱為下降時(shí)間，定義為從IR衰減到0.1IR所經(jīng)過的時(shí)間。toff＝tS＋tf即為反向恢復(fù)時(shí)間，比偏壓從反向突變?yōu)檎虻乃沧儠r(shí)間長的多。采用電荷控制模型，對長p＋n結(jié)近似計(jì)算瞬變時(shí)間。3/7/202472半導(dǎo)體器件物理電荷控制模型反偏剛開始時(shí)，0<t<tS，存貯電荷通過外電路流走（反向抽?。┖妥陨韽?fù)合減少，

t＝0時(shí)，方程的解為存儲(chǔ)時(shí)間為：3/7/202473半導(dǎo)體器件物理討論當(dāng)IR/IF很小時(shí)，對于n型材料長度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長度（Wn>>Lp）的p＋n結(jié):反向恢復(fù)時(shí)間可近似為：對Wn≤Lp時(shí)，可近似為：對于高速開關(guān)器件，必須減小少子壽命。因此通常引進(jìn)能級靠近禁帶中央的復(fù)合中心，如硅中摻金，可以大大降低少子壽命。3/7/202474半導(dǎo)體器件物理§2.5pn結(jié)的擊穿特性引起P-N結(jié)擊穿的主要機(jī)構(gòu)有三種：熱不穩(wěn)定性，隧道效應(yīng)和雪崩倍增熱擊穿發(fā)生熱擊穿的P-N結(jié)，若未采取保護(hù)措施，會(huì)燒毀P-N結(jié)。隧道擊穿利用P-N結(jié)擊穿現(xiàn)象來穩(wěn)定電路中的電壓，作為穩(wěn)壓管使用，在該電路中有保護(hù)電阻以防止P-N結(jié)電流的無限增大。雪崩倍增效應(yīng)（AvalancheMultiplication）碰撞電離引起的雪崩倍增使大多數(shù)半導(dǎo)體器件的工作電壓受到限制，同時(shí)可以用在產(chǎn)生微波功率和探測光信號(hào)等場合。3/7/202475半導(dǎo)體器件物理1、熱不穩(wěn)定性由于在高反向電壓作用下的反向電流引起熱耗散，使結(jié)溫升高。結(jié)溫升高又反過來使反向電流增加，因?yàn)榉聪螂娏鲝?qiáng)烈地依賴溫度：

IR

T3

e-Eg0/kT

反向電流→熱耗散→結(jié)溫升高→反向電流增加對禁帶寬度較小，反向電流較大的P-N結(jié)（如鍺），室溫下的熱不穩(wěn)定性是重要的。對于一般P-N結(jié)不那么重要。特別是在低溫下，熱不穩(wěn)定性就變得更不重要了。3/7/202476半導(dǎo)體器件物理2、隧道擊穿

當(dāng)P-N結(jié)兩區(qū)摻雜都很高時(shí)，勢壘區(qū)變得很窄且電場很強(qiáng)。若反偏壓增加到某一值，能帶彎曲度的增大，將使載流子從勢壘區(qū)電場中獲得的附加靜電勢能達(dá)到甚至超過導(dǎo)帶底電子的能量。此時(shí)，根據(jù)量子力學(xué)理論，電子有一定幾率穿過禁帶而進(jìn)入導(dǎo)帶，這就叫隧道效應(yīng)。 電壓越大，勢壘區(qū)電場就越強(qiáng)，隧穿幾率就越大。這就使反向電流猛增，于是發(fā)生了隧道擊穿。 理論計(jì)算表明，隧道擊穿只發(fā)生在重?fù)诫s的P-N結(jié)中，典型的勢壘厚度為100?的量級，電場強(qiáng)度大于106V/cm。 隧道擊穿的擊穿電壓主要決定于勢壘區(qū)厚度d，而d又正比于Eg。而多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg隨溫度增加而減小，亦即隨著溫度升高，擊穿電壓降低，擊穿電壓的溫度系數(shù)是負(fù)的。3/7/202477半導(dǎo)體器件物理3、雪崩擊穿雪崩擊穿是最重要的P-N結(jié)擊穿機(jī)構(gòu)。它決定了大多數(shù)器件所加反向電壓的上限。雪崩擊穿條件雪崩擊穿電壓提高雪崩擊穿電壓的途徑：

電場限制環(huán)、擴(kuò)散環(huán)、臺(tái)面結(jié)構(gòu)等3/7/202478半導(dǎo)體器件物理雪崩擊穿電壓比隧道擊穿電壓高得多。研究表明：

VB<4（Eg/q）時(shí)主要是隧道擊穿，

VB>6（Eg/q）時(shí)主要是雪崩擊穿， 擊穿電壓在4

6（Eg/q）之間，則是兩種機(jī)構(gòu)的混合。對硅來說，Eg=1.12eV，若VB<4.5V為隧道擊穿，VB>6.7V為雪崩擊穿；對鍺，Eg=0.66eV，VB<2.7V的為隧道擊穿，VB>4.0V的為雪崩擊穿。3/7/202479半導(dǎo)體器件物理（a）隧道擊穿（b）雪崩擊穿3/7/202480半導(dǎo)體器件物理隧道擊穿與雪崩擊穿的比較

齊納擊穿雪崩擊穿單邊突變結(jié)N（cm-3）線性緩變結(jié)a(cm-4)擊穿電壓VB（V）單邊突變結(jié)N(cm-3)線性緩變結(jié)a(cm-4)擊穿電壓VB(V)Si>6×1017>5×1023<4.5<3×1017<1×1023>6.7Ge>1×1018>2×1023<2.7<1×1017<4×1022>4.0溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)正溫度系數(shù)3/7/202481半導(dǎo)體器件物理Si，GaAs單邊突變結(jié)擊穿臨界電場和襯底摻雜濃度的關(guān)系結(jié)擊穿3/7/202482半導(dǎo)體器件物理結(jié)擊穿3/7/202483半導(dǎo)體器件物理p+--n+或p+--n+結(jié)擊穿電壓與低摻雜濃度區(qū)厚度的關(guān)系:p型輕摻雜:n型輕摻雜結(jié)擊穿3/7/202484半導(dǎo)體器件物理結(jié)擊穿（b）通過矩形掩膜擴(kuò)散形成柱面區(qū)和球面區(qū)（a）擴(kuò)散掩膜的邊緣結(jié)形成彎曲3/7/202485半導(dǎo)體器件物理§2.6異質(zhì)結(jié)與高低結(jié)1.高低結(jié)發(fā)生在同一材料兩個(gè)具有相同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體接觸之間的結(jié)，由于結(jié)中一側(cè)摻雜濃度很高，另一側(cè)摻雜較低，所以稱為高低結(jié)，N＋N或P＋P。高低結(jié)對任何方向的電流都不呈高阻，基本上也沒有少子注入效應(yīng)，具有歐姆接觸的性質(zhì)，對不希望有注入效應(yīng)的情況非常有用，實(shí)際很多器件利用這種結(jié)完成歐姆接觸。3/7/202486半導(dǎo)體器件物理以N＋N為例分析：處于平衡狀態(tài)時(shí)，界面處要形成勢壘，但N＋N結(jié)與pn結(jié)不同的地方在于勢壘高度qVD比較低，主要取決于輕摻雜N區(qū)的費(fèi)米能級位置。因?yàn)镹＋N結(jié)勢壘較低且不處于耗盡狀態(tài)，所以結(jié)處沒有高阻區(qū)。外加電壓不像pn結(jié)那樣主要發(fā)生在勢壘區(qū)，而是主要降落在N區(qū)。正偏時(shí)，N＋區(qū)中電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，N區(qū)中空穴向N＋區(qū)運(yùn)動(dòng)，由于N＋區(qū)電子濃度很高，N區(qū)的空穴濃度很低，因此正向電流主要是電子電流。反偏時(shí)，N＋區(qū)中空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，N區(qū)中電子向N＋區(qū)運(yùn)動(dòng)，由于N＋區(qū)空穴濃度很低，N區(qū)的電子濃度較高，因此反向電流主要是電子電流。3/7/202487半導(dǎo)體器件物理2.異質(zhì)結(jié)兩種不同質(zhì)的材料構(gòu)成的接觸稱為異質(zhì)結(jié)。制作方法：氣相外延，液相外延，真空蒸發(fā)法，陰極濺射，分子束外延等按組分轉(zhuǎn)變情況分突變異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié)。按構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的材料分為同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)。二十世紀(jì)五十年代開始提出異質(zhì)結(jié)的設(shè)想，目前已經(jīng)制成高效率的異質(zhì)結(jié)光電池和發(fā)光管，雙異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器，超晶格結(jié)構(gòu)等。3/7/202488半導(dǎo)體器件物理禁帶寬度不同的兩種單晶材料一起構(gòu)成的晶體界面成為異質(zhì)結(jié)，例如GaAs/AlxGa1-xAs,InP/InxGa1-xAs1-yPy異質(zhì)結(jié)。若異質(zhì)結(jié)兩邊材料的導(dǎo)電類型相同，則成為同型異質(zhì)結(jié)，如n-GaAs/N-AlxGa1-xAs,p-GaAs/p-AlxGa1-xAs。若兩種材料的導(dǎo)電類型不同，則為異型異質(zhì)結(jié)，如n-GaAs/P-AlxGa1-xAs。在這些表達(dá)中，我們通常以小寫的n，p表示窄帶隙材料，以大寫的N，P表示寬帶隙材料。

3/7/202489半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與構(gòu)成異質(zhì)結(jié)材料的禁帶寬度、禁帶失調(diào)有關(guān)。設(shè)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)材料的禁帶寬度分別為Eg1>Eg2。禁帶的失調(diào)可能有三種情形：1）Eg2包含在Eg1之間，如Ga1-xAlxAs與GaAs

；2）Eg1與Eg2禁帶相互錯(cuò)開，如Ga1-xInxAs（下）和GaAs1-xSbx（上）；3）二者沒有共能量，如InAs（下）與GaSb（上）3/7/202490半導(dǎo)體器件物理3/7/202491半導(dǎo)體器件物理為了解釋N－PGe－GaAs異質(zhì)結(jié)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，Anderson在1962年提出一個(gè)異質(zhì)結(jié)的理論模型。安德森模型假定兩種材料具有完全相同的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，這樣可以把由這些差別而產(chǎn)生的懸鍵和界面態(tài)的影響忽略不計(jì)，凡晶格失配小于1％的異質(zhì)結(jié)都成立。

3/7/202492半導(dǎo)體器件物理晶格失配3/7/202493半導(dǎo)體器件物理3/7/202494半導(dǎo)體器件物理異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)電流異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)電流3/7/202495半導(dǎo)體器件物理3/7/202496半導(dǎo)體器件物理異質(zhì)結(jié)的較為重要的電流模型分為五種：①安德森模型即熱發(fā)射電流模型。②簡單隧道模型Rediker于1964年提出，在考慮熱發(fā)射電流機(jī)構(gòu)的同時(shí)，計(jì)入了尖峰勢壘的隧道效應(yīng)③隧道電流模型伴隨有界面復(fù)合作用在內(nèi)的隧道復(fù)合過程。④界面態(tài)復(fù)合模型VanRuyven1965年提出，考慮兩種材料在界面態(tài)進(jìn)行復(fù)合。⑤復(fù)合－隧道模型隧道電流和熱發(fā)射電流，且二者在界面態(tài)上匯合的復(fù)合隧道模型。實(shí)際上，異質(zhì)結(jié)往往同時(shí)存在多種電流機(jī)構(gòu)，哪種機(jī)構(gòu)為主將取決于界面上的能帶不連續(xù)性和界面態(tài)參數(shù)情況。主要用途：高效率的光電池、發(fā)光管和激光器等。3/7/202497半導(dǎo)體器件物理異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用異質(zhì)結(jié)的主要應(yīng)用之一是形成量子阱。它由兩個(gè)異質(zhì)結(jié)背對背相接形成的。異質(zhì)結(jié)的主要應(yīng)用之二是形成超晶格。它由異質(zhì)結(jié)交替周期生長形成。超晶格是Esaki和Tsu在1969年提出的。Esaki等提出的超晶格有兩類：1）同質(zhì)調(diào)制摻雜；2）異質(zhì)材料交替生長。超晶格或多量子阱間的共振隧穿效應(yīng)3/7/202498半導(dǎo)體器件物理（1）開關(guān)整流二極管（pn結(jié)整流效應(yīng)）（2）穩(wěn)壓二極管（pn結(jié)擊穿效應(yīng)）（3）變?nèi)荻O管（pn結(jié)微分電容效應(yīng)）（4）PIN二極管（pn結(jié)耗盡特性）（5）隧道二極管（pn結(jié)隧道效應(yīng)）（6）發(fā)光二極管（pn結(jié)注入發(fā)光）（7）激光二極管（pn結(jié)正向注入）（8）光電二極管（光伏型光電探測器）（9）碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管碰撞（pn結(jié)電離雪崩倍增效應(yīng)）§2.7幾種典型二極管的應(yīng)用3/7/202499半導(dǎo)體器件物理（4）PIN二極管3/7/2024100半導(dǎo)體器件物理PIN二極管電場分布：3/7/2024101半導(dǎo)體器件物理PIN二極管電場和電勢表達(dá)式：對于同樣的工作電壓,p-i-n二極管可以減小耗盡區(qū)的最大電場強(qiáng)度。3/7/2024102半導(dǎo)體器件物理（5）隧道二極管

(1)隧道效應(yīng)

(2)隧道二極管的I-V特性3/7/2024103半導(dǎo)體器件物理

★隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)—能量低于勢壘的粒子有一定的幾率穿越勢壘.這是一種量子力學(xué)效應(yīng)

隧穿幾率與勢壘的高度有關(guān),與勢壘的厚度有關(guān).

隧道二極管—利用量子隧穿現(xiàn)象的器件效應(yīng)3/7/2024104半導(dǎo)體器件物理隧道二極管—p-n結(jié),兩邊都是重?fù)诫s(簡并情況),以至在p區(qū),EF進(jìn)入價(jià)帶;在n區(qū),EF進(jìn)入導(dǎo)帶.結(jié)果:

①n區(qū)的導(dǎo)帶底部與p區(qū)的價(jià)帶頂部在能量上發(fā)生交疊

②勢壘十分薄電子可以隧道貫穿勢壘區(qū).3/7/2024105半導(dǎo)體器件物理圖6-293/7/2024106半導(dǎo)體器件物理

★隧道結(jié)的I-V特性正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升,達(dá)到一個(gè)極大,(峰值電流Ip,峰值電壓Vp

)隨后,電壓增加,電流反而減少,達(dá)到一個(gè)極小,(谷值電流Iv,谷值電壓Vv)

在Vp到Vv的電壓范圍內(nèi),出現(xiàn)負(fù)阻特性.當(dāng)電壓大于谷值電壓后,電流又隨電壓而上升3/7/2024107半導(dǎo)體器件物理

0點(diǎn)—平衡pn結(jié)

1點(diǎn)—正向電流迅速上升

2點(diǎn)—電流達(dá)到峰值3/7/2024108半導(dǎo)體器件物理

3點(diǎn)—隧道電流減少,出現(xiàn)負(fù)阻

4點(diǎn)--隧道電流等于05點(diǎn)—反向電流隨反向電壓的增加而迅速增加3/7/2024109半導(dǎo)體器件物理發(fā)光二極管(LED)是一種p-n結(jié)，加正向偏壓時(shí)，系統(tǒng)處于非平衡態(tài)--注入非平衡載流子，這些非平衡載流子因復(fù)合而產(chǎn)生光輻射.

它能在紫外光、可見光或紅外光區(qū)域輻射自發(fā)輻射光?？梢姽釲ED被大量用于各種電子儀器設(shè)備與使用者之間的信息傳送。而紅外光LED則應(yīng)用于光隔離及光纖通訊方面。（6）發(fā)光二極管（pn結(jié)電致發(fā)光）

3/7/2024110半導(dǎo)體器件物理3/7/2024111半導(dǎo)體器件物理由于人眼只對光子能量hν等