半導體器件物理課件-pn結(jié)2

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1、第二章PN結(jié)●熱平衡PN結(jié)●加偏壓的PN結(jié)●理想PN結(jié)的直流電流-電壓特性●空間電荷區(qū)的復合電流和產(chǎn)生電流●隧道電流●I-V特性的溫度依賴關系●耗盡層電容●PN結(jié)二極管的頻率特性●PN結(jié)二極管的開關特性●PN結(jié)擊穿引言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。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

2、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）。1.PN結(jié)定義：引言2.幾種分類：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)）。同質(zhì)結(jié)：由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如硅）；異質(zhì)結(jié)：由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如硅和鍺）；同型結(jié)：由同種導電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如P-硅和P-鍺、N-硅和N-鍺）；異型結(jié)：由不同種導電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如P-硅和N-

3、硅、P-鍺和N－鍺）；引言3.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)光刻膠層勻膠及堅膜（d)圖形掩膜、曝光(e)曝光后去掉擴散窗口膠膜的晶片n-Si光刻膠SiO2N+（f)腐蝕SiO2后的晶片引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程(g)完成光刻后去膠的晶片(i)蒸發(fā)/濺射金屬（j）PN結(jié)制作完成(h)通過擴散（或離子注入）形成PN結(jié)P-SiN-SiSiO2N+引言4.突變結(jié)與線性緩變結(jié)1)突變結(jié)：P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)過渡陡峭單邊突變

4、結(jié)（一側(cè)的雜質(zhì)濃度遠遠大于另一側(cè)的質(zhì)濃度的突變結(jié)）引言4.突變結(jié)與線性緩變結(jié)2)線性緩變結(jié)：在線性區(qū)：兩區(qū)之間雜質(zhì)過渡是漸變的2.1熱平衡PN結(jié)1.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)費米能級恒定原理）在形成結(jié)之前N型材料中費米能級靠近導帶底，P型材料中費米能級靠近價帶頂。當N型材料和P型材料被連接在一起時，費米能級在熱平衡時必定恒等。pnCEFEiEVE0yq漂移漂移擴散擴散Enypy（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖（b）接觸后的能帶圖多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡1.空間電荷區(qū)濃度差多子的擴散運

5、動形成空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場促使少子漂移阻止多子擴散內(nèi)建電場：空間電荷區(qū)中的正、負電荷間產(chǎn)生的電場，其方向由n區(qū)指向p區(qū)。平衡p-n結(jié)：載流子在內(nèi)建電場的作用下，漂移運動和擴散運動相抵時，所達到的動態(tài)平衡（p-n結(jié)的凈電流為零）。++++++------空間電荷區(qū)內(nèi)建電場形成擴散電流并增加空間電荷區(qū)的寬度平衡時平衡p-n結(jié)形成漂移電流并減小空間電荷區(qū)的寬度空間電荷區(qū)的寬度也達到穩(wěn)定，電流為零多子的擴散運動少子的漂移運動2.1熱平衡PN結(jié)2.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)劃分）恒定費米能級的條件是由電子

6、從N型一邊轉(zhuǎn)移至P型一邊，空穴則沿相反方向轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的。電子和空穴的轉(zhuǎn)移在N型和P型各邊分別留下未被補償?shù)氖┲麟x子和受主離子。它們是荷電的，固定不動的，稱為空間電荷?？臻g電荷存在的區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。（c）與（b）相對應的空間電荷分布2.1熱平衡PN結(jié)3.幾個概念耗盡近似：在空間電荷區(qū)，與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，這種近似稱為耗盡近似。因此空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)（又稱為耗盡層）。在完全耗盡的區(qū)域，自由載流子密度為零。內(nèi)建電勢差：由于內(nèi)建電場，空間電荷區(qū)兩側(cè)存在電勢差，這個電勢差叫做內(nèi)建電勢差

7、（用表示）。勢壘區(qū)：N區(qū)電子進入P區(qū)需要克服勢壘，P區(qū)空穴進入N區(qū)也需要克服勢壘。于是空間電荷區(qū)又叫做勢壘區(qū)。中性近似：假設耗盡區(qū)以外，在雜質(zhì)飽和電離情況下，多子濃度等于電離雜質(zhì)濃度，因而保持電中性，因此PN結(jié)空間電荷區(qū)外部區(qū)域常稱為中性區(qū)。中性區(qū)自由載流子濃度與雜質(zhì)濃度相等，不存在電場。2.1熱平衡PN結(jié)4.空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差(N型一邊和P型一邊中性區(qū)之間的電位差）方法一：（中性區(qū)電中性條件）由一維泊松方程：取費米勢為零基準時：（2-1-2b）由中性區(qū)電中性條件，即電荷的總密度為零。得到：即：（2-1

8、-4）2.1熱平衡PN結(jié)方法一：（中性區(qū)電中性條件）（2-1-5）對于N型的中性區(qū)，假設，。即，連并（2-1-2a）代入（2-1-4）中，得N區(qū)中性區(qū)電勢為：采用同樣的方法，得到P型中性區(qū)的電勢為：（2-1-6）因而，在N型一邊與P型一邊中性區(qū)之間的電位差為（2-1-7）2.1熱平衡PN結(jié)方法二：（費米能級恒定）從費米能級恒定的觀點來看，熱平衡PN結(jié)具有統(tǒng)一的費米能級。形成PN結(jié)之前N區(qū)費米能級比P區(qū)費米能級高。形成PN結(jié)之后