半導(dǎo)體器件物理 施敏 第二版課件

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1、第4章PN結(jié)4.1基本工藝步驟4.2熱平衡狀態(tài)4.3耗盡層4.4耗盡層勢(shì)壘電容4.5電流-電壓特性4.6電荷儲(chǔ)存與暫態(tài)響應(yīng)4.7結(jié)擊穿4.8異質(zhì)結(jié)本章主題電特性和物理特性上p-n結(jié)的形成在偏壓下，結(jié)耗盡層的特性電流在p-n結(jié)的輸運(yùn)，產(chǎn)生及復(fù)合對(duì)其的影響p-n結(jié)的電荷儲(chǔ)存對(duì)其暫態(tài)響應(yīng)的影響發(fā)生在p-n結(jié)的雪崩倍增及其對(duì)最大反向電壓的影響異質(zhì)結(jié)及其基本特性4.1基本工藝步驟PN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，了解它的工作原理有助于更好地理解器件基本工藝步驟1氧化2圖形曝光3擴(kuò)散和離子注入4金屬化4.2熱平衡狀態(tài)

2、p-n結(jié)：整流性VBI/mAv/V反向擊穿正向?qū)軒DpnECECEFEFEVEV形成結(jié)前均勻摻雜p和n半導(dǎo)體pn+++---EECEC漂移擴(kuò)散EFEFEVEV擴(kuò)散漂移熱平衡時(shí)，在耗盡區(qū)電場(chǎng)p-n結(jié)能帶圖平衡費(fèi)米能級(jí)開始，N區(qū)中存在高濃度的電子，P區(qū)中存在高濃度的空穴。然后，載流子互相擴(kuò)散，分別留下ND+和NA-。這樣一來(lái)，產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng)?BJ阻止它們的繼續(xù)擴(kuò)散。在平衡態(tài)，擴(kuò)散=漂移,?BJ=常數(shù)電荷和電勢(shì)分布滿足Poisson方程：pn++++----內(nèi)建電勢(shì)內(nèi)建電勢(shì)概念在熱平衡時(shí)p型和n型中性區(qū)的總靜電勢(shì)差注意：PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)決定于摻雜濃度N

3、D、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度空間電荷由中性區(qū)移動(dòng)到結(jié)會(huì)遇到一窄小的過度區(qū)，這些摻雜離子的空間電荷部分被移動(dòng)載流子補(bǔ)償，越過了過度區(qū)，進(jìn)入移動(dòng)載流子濃度為零的完全耗盡區(qū)，這個(gè)區(qū)域稱為耗盡區(qū)在p=n=0兩個(gè)重要列子1突變結(jié)2線性緩變結(jié)4.3耗盡區(qū)4.3.1突變結(jié)電場(chǎng)電勢(shì)分布耗盡層近似假定：ND，NA是常數(shù)耗盡層近似Possion方程耗盡層近似總耗盡層寬度為：N區(qū)有：P區(qū)：電場(chǎng)隨x線性變化，在x=0時(shí)達(dá)最大值：電勢(shì)分布P-N和P+N結(jié)耗盡層寬度單邊突變結(jié)相關(guān)公式在P+N結(jié)中，NA>>ND,xp<>NA,Xn<

4、性緩變結(jié)線性緩變結(jié)相關(guān)公式熱平衡時(shí)，Possion方程電場(chǎng)為在x=0處，最大電場(chǎng)為內(nèi)建電勢(shì)耗盡區(qū)寬度4.4耗盡層勢(shì)壘電容單位面積耗盡層勢(shì)壘電容定義（其中dQ是外加偏壓變化dv時(shí)，單位面積耗盡層的增量）冶金結(jié)ppnV+dvwxdQ0dvdE=dQ/a圖B圖C圖反向偏壓下任意雜質(zhì)p-n結(jié)空間電荷隨外加偏壓的影響相對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布變化兩種結(jié)勢(shì)壘電容公式單邊突變結(jié)線性緩變結(jié)變?nèi)萜髟S多電路應(yīng)用p-n結(jié)在反向偏壓電壓變化特性，達(dá)此目的的p-n結(jié)稱為變?nèi)萜鞣聪蚱珘簞?shì)壘電容其中對(duì)線性緩變結(jié)n=1/3，突變結(jié)n=1/2，超突變結(jié)n>1/2電壓靈敏度：超突變結(jié)>突變結(jié)>線

5、性緩變結(jié)p+nVR超突變結(jié)m=-3/2線性緩變結(jié)m=1突變結(jié)m=0三種結(jié)的雜質(zhì)分布耗盡區(qū)寬度和反向偏壓的關(guān)系w（VR）1/（m+2）4.5電流電壓特性理想電流電壓特性基于如下假設(shè)1耗盡區(qū)為突變邊界，邊界之外為電中性2在邊界的載流子濃度和靜電電勢(shì)有關(guān)3小注入情況，（在中性區(qū)邊界，多數(shù)載流子因加上偏壓改變的量可忽略）4在耗盡區(qū)內(nèi)無(wú)產(chǎn)生和復(fù)合電流，空穴電子為常數(shù)4.5.1理想情況耗盡區(qū)邊界的少數(shù)載流子濃度總電流是常數(shù)穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程：上式稱為理想二極管方程式JS是飽和電流密度，理想電流-電壓特性如圖J/JS正向偏壓反向偏壓直角坐標(biāo)半對(duì)數(shù)坐標(biāo)正向偏壓反向偏壓4.

6、5.2產(chǎn)生復(fù)合與大注入影響在反向偏壓下，在耗盡區(qū)產(chǎn)生電流，w為耗盡區(qū)寬度總反向電流產(chǎn)生復(fù)合與大注入影響正向偏壓產(chǎn)生復(fù)合與大注入影響Et=Ei時(shí)當(dāng)產(chǎn)生復(fù)合與大注入影響對(duì)于v>3kT/q復(fù)合電流串聯(lián)電阻和大注人效應(yīng)串聯(lián)大注入在n端pn=nn電流正比于增長(zhǎng)較緩慢4.5.3溫度影響擴(kuò)散和復(fù)合產(chǎn)生電流大小和溫度有關(guān)硅二極管I，V和溫度的關(guān)系正向偏壓反向偏壓2251751257525VF/VVR/V2251751257525對(duì)于一擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)的單邊p+-n，飽和電流密度JS和溫度關(guān)系對(duì)p+-n結(jié)在反向偏壓4.6電荷儲(chǔ)存與暫態(tài)效應(yīng)少數(shù)載流子的儲(chǔ)存擴(kuò)散電容概念當(dāng)結(jié)

7、處于正向偏壓，中性區(qū)儲(chǔ)存電荷的重新排列，對(duì)結(jié)電容會(huì)產(chǎn)生附加電容理想二極管電導(dǎo)GP-N結(jié)小信號(hào)等效電路VIICdCjG暫態(tài)響應(yīng)+-VFI基本開關(guān)電路-+VRIFIRtoff0.1IR由正向偏壓到反向暫態(tài)響應(yīng)4.7PN結(jié)的電擊穿擊穿機(jī)制：雪崩擊穿隧道擊穿一載流子產(chǎn)生雪崩擊穿條件雪崩擊穿通用公式單邊突變結(jié)線性緩變結(jié)硅擴(kuò)散結(jié)的雪崩擊穿電壓判斷條件考慮邊緣效應(yīng)的通用公式隧道擊穿隧道穿透幾率P：隧道長(zhǎng)度:隧道擊穿:VB<4Eg/q雪崩擊穿：VB>6Eg/q4.8異質(zhì)結(jié)不同材料組成的結(jié)ECEC1EF1EVqx1qqx1qEg2EC2EF2EV2EV1真空能級(jí)兩個(gè)分

8、離半導(dǎo)體能帶圖異質(zhì)結(jié)vbiVb2Vb1qx2qECqx2qEC1EF1EC2EF2EV2Eg2Vb2EVEV