半導(dǎo)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(fù)合電流和產(chǎn)生電流●隧道電流●I-V特性的溫度依賴關(guān)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(guān)特性●PN結(jié)擊穿引言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(shí)，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)。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(jí)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(xué)接觸都稱為結(jié)（junction）,有時(shí)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(shuō)，金屬和半導(dǎo)體接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過(guò)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)）。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(dǎo)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(dǎo)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(guò)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(guò)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(guò)擴(kuò)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(guò)渡陡峭單邊突變

4、結(jié)（一側(cè)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)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(fèi)米能級(jí)恒定原理）在形成結(jié)之前N型材料中費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，P型材料中費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂。當(dāng)N型材料和P型材料被連接在一起時(shí)，費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)必定恒等。pnCEFEiEVE0yq漂移漂移擴(kuò)散擴(kuò)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(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡1.空間電荷區(qū)濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)

5、動(dòng)形成空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場(chǎng)促使少子漂移阻止多子擴(kuò)散內(nèi)建電場(chǎng)：空間電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷間產(chǎn)生的電場(chǎng)，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(chǎng)的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵時(shí)，所達(dá)到的動(dòng)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(chǎng)形成擴(kuò)散電流并增加空間電荷區(qū)的寬度平衡時(shí)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(dá)到穩(wěn)定，電流為零多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)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(fèi)米能級(jí)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(shí)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(bǔ)償?shù)氖┲麟x子和受主離子。它們是荷電的，固定不動(dòng)的，稱為空間電荷。空間電荷存在的區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。（c）與（b）相對(duì)應(yīng)的空間電荷分布2.1熱平衡PN結(jié)3.幾個(gè)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(shì)差：由于內(nèi)建電場(chǎng)，空間電荷區(qū)兩側(cè)存在電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差叫做內(nèi)建電勢(shì)差

7、（用表示）。勢(shì)壘區(qū)：N區(qū)電子進(jìn)入P區(qū)需要克服勢(shì)壘，P區(qū)空穴進(jìn)入N區(qū)也需要克服勢(shì)壘。于是空間電荷區(qū)又叫做勢(shì)壘區(qū)。中性近似：假設(shè)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(chǎng)。2.1熱平衡PN結(jié)4.空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)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(fèi)米勢(shì)為零基準(zhǔn)時(shí)：（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(duì)于N型的中性區(qū)，假設(shè)，。即，連并（2-1-2a）代入（2-1-4）中，得N區(qū)中性區(qū)電勢(shì)為：采用同樣的方法，得到P型中性區(qū)的電勢(shì)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(fèi)米能級(jí)恒定）從費(fèi)米能級(jí)恒定的觀點(diǎn)來(lái)看，熱平衡PN結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。形成PN結(jié)之前N區(qū)費(fèi)米能級(jí)比P區(qū)費(fèi)米能級(jí)高。形成PN結(jié)之后