半導體器件原理

PrinciplesofSemiconductorDevices第一章：pn結二極管劉憲云xyliu@半導體器件原理

PrinciplesofSemicond統計物理能帶理論雙極晶體管pn結二極管肖特基二極管歐姆接觸JFET、MESFET、MOSFET、HEMT從物理到器件引言統計物理能帶理論雙極晶體管pn結二極管肖特基二極管歐姆接觸J同質結與異質結同型結與異型結

半導體器件接觸的物理機制：-平衡時的能帶圖1、金屬--半導體界面第一個被研究的半導體器件。可作為整流接觸--肖特基勢壘，或用作歐姆接觸。也可以得到其他許多器件，如MESFET.具有整流特性，廣泛用于電子電路的整流、開關及其他工作中。若再加一p型半導體，兩個p-n結構成p-n-p雙極晶體管。2、pn結半導體器件基礎同質結與異質結半導體器件接觸的物理機制：-平衡時的能帶圖1、3、異質結界面4、金屬-絕緣體-半導體結構具有兩種半導體各自的pn結都不能達到的優良光電特性適于制作高速開關器件、太陽能電池及半導體激光器等。若用氧化物代替絕緣體，可視為M-O-S界面。ULSL中最重要的MOSFET器件的基本結構。3、異質結界面4、金屬-絕緣體-半導體結構具有兩種半導體各自70年代以來，制備結的主要技術是硅平面工藝。硅平面工藝包括以下主要的工藝技術：1950年美國人奧爾（R.Ohl）和肖克萊(Shockley)發明的離子注入工藝。1956年美國人富勒（C.S.Fuller）發明的擴散工藝。1960年盧爾（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)發明的外延工藝。1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特蘭尼(E.Castellani)發明的光刻工藝。正是光刻工藝的出現才使硅器件制造技術進入平面工藝技術時代，才有大規模集成電路和微電子學飛速發展的今天。上述工藝和真空鍍膜技術，氧化技術加上測試，封裝工藝等構成了硅平面工藝的主體。70年代以來，制備結的主要技術是硅平面工藝。硅平面工藝包括以氧化工藝：

1957年人們發現硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質向硅內擴散的作用。這一發現直接導致了硅平面工藝技術的出現。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；

（4）集成電路中的隔離介質和絕緣介質；

（5）集成電路中電容器元件的絕緣介質。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。氧化工藝：

1957年人們發現硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質擴散工藝：由于熱運動，任何物質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，這種現象稱為擴散。

常用擴散工藝：液態源擴散、片狀源擴散、固-固擴散、雙溫區銻擴散。

液態源擴散工藝：使保護氣體（如氮氣）通過含有擴散雜質的液態源，從而攜帶雜質蒸汽進入高溫擴散爐中。在高溫下雜質蒸汽分解，在硅片四周形成飽和蒸汽壓，雜質原子通過硅片表面向內部擴散。擴散工藝：由于熱運動，任何物質都有一種從濃度高處向濃度低處運離子注入技術：將雜質元素的原子離化變成帶電的雜質離子，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，再經過退火使雜質激活，在半導體片中形成一定的雜質分布。離子注入技術的特點：低溫；可精確控制濃度和結深；可選出一種元素注入，避免混入其它雜質；可在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；控制離子束的掃描區域,可實現選擇注入,不需掩膜技術；設備昂貴。離子注入技術：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可以方便地形成不同導電類型，不同雜質濃度，雜質分布陡峭的外延層。外延技術：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、熱壁外延（HWE）、原子層外延技術。外延工藝：光刻工藝：光刻工藝是為實現選擇摻雜、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。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（由光敏化合物、樹脂和有機溶劑組成）涂敷在半導體晶片表面上。受特定波長光線的照射后，光刻膠的化學結構發生變化。如果光刻膠受光照（曝光）的區域在顯影時能夠除去，稱之為正性膠；反之如果光刻膠受光照的區域在顯影時被保留，未曝光的膠被除去稱之為負性膠.光刻工藝：采用硅平面工藝制備PN結的主要工藝過程

(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+采用硅平面工藝制備PN結的主要工藝過程(a)拋光處理后的n(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(i)蒸發/濺射金屬

（j）P-N結制作完成

采用硅平面工藝制備結的主要工藝過程P-SiN-SiSiO2N+(g)完成光刻后去膠的晶片(h)通過擴散（或離子注入）形成13電路符號PN結+引線+管殼=封裝形成晶體二極管類型：面接觸型點接觸型平面型pn結二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。13電路符號pn結二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變半導體器件的特性與工作過程均與pn結有密切聯系；穩壓電路和開關電路利用pn結基本特性來工作。通過對pn結器件的分析建立在討論其他半導體器件時經常用到的基本術語和概念；分析pn結的基本技巧也適用于研究其它半導體器件；理解和掌握pn結原理是學習半導體器件原理的關鍵。14半導體器件的特性與工作過程均與pn結有密切聯系；14本章學習要點：pn結基本器件工藝；掌握平衡狀態下pn結的特性：內建電勢、內建電場及空間電荷區寬度等；掌握pn結二極管的I-V特性；了解pn結擊穿。本章學習要點：1.1pn結的基本結構1.2pn結靜態特性：平衡pn結1.3反偏1.4pn結電流1.5pn結的小信號模型1.6產生—復合電流1.7結擊穿1.8隧道二極管16第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構16第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構17單晶材料摻入受主雜質原子摻入施主雜質原子凈受主雜質Na凈施主雜質Nd定義：在一塊完整的硅片（鍺片）上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，則在兩種半導體的交界面附近就形成了PN結。pn結簡化圖理想均勻摻雜pn結的摻雜剖面PN空穴擴散電子擴散1.1pn結的基本結構17單晶材料摻入受主雜質原子摻入施主pn結的形成P型和N型半導體交界處載流子的擴散pn結的形成P型和N型半導體交界處載流子的擴散帶電粒子（電子和空穴）擴散→P區和N區原來的電中性被破壞→在交界面兩側形成一個不能移動的帶異性電荷的離子層pn結的形成帶電粒子（電子和空穴）擴散→P區和N區原來的電中性被破壞→在pn結的形成過程pn結的形成熱平衡條件下，每種粒子（電子與空穴）所受的“擴散力”與“電場力”相互平衡。pn結的形成過程pn結的形成熱平衡條件下，每種粒子（電子與空空間電荷區擴散和漂移相互聯系，又相互矛盾。多子擴散運動，少子漂移運動，兩者達到動態平衡，空間電荷區的寬度基本穩定下來，PN結處于相對穩定狀態。

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+根據擴散原理，空穴要從濃度高的P區向N區擴散，自由電子要從濃度高的N區向P區擴散，并在交界面發生復合(耗盡）。P區N區空間電荷區空間電荷區擴散和漂移相互聯系，又相互矛盾。－－－－－－－－－少子漂移

擴散與漂移達到動態平衡形成一定寬度的PN結多子擴散

形成空間電荷區產生內電場

促使阻止少子擴散與漂移達到動態平衡形成一定寬度的PN結多子繼續討論擴散使空間電荷區加寬，內電場增強，同時對多數載流子擴散阻力增大，使少數載流子漂移增強；漂移使空間電荷區變窄，電場減弱，又促使多子擴散容易進行。當漂移運動達到和擴散運動相等時，PN結便處于動態平衡狀態。在平衡狀態下，電子從N區到P區擴散電流必然等于從P區到N區的漂移電流；空穴的擴散電流和漂移電流也必然相等。即總的多子擴散電流等于總的少子漂移電流，且二者方向相反。繼續討論擴散使空間電荷區加寬，內電場增強，同時對多數載流子擴繼續討論在無外電場或其他因素激發時，PN結處于平衡狀態，沒有電流通過，空間電荷區的寬度一定。

由于空間電荷區內，多數載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來的多數載流子復合掉了，即多數載流子被耗盡了，所以空間電荷區又稱為耗盡層，其電阻率很高，為高阻區。擴散作用越強，耗盡層越寬。繼續討論在無外電場或其他因素激發時，PN結處于平衡狀態，沒有pn結的空間電荷區和內建電場均勻摻雜pn結空間電荷區的電場勻摻雜pn結空間電荷區的電勢在內建電場的作用下，空間電荷區內不存在電子與空穴，因此空間電荷區又稱為耗盡區（沒有可自由移動的凈電荷，高阻區）。pn結的空間電荷區和內建電場均勻摻雜pn結空間電荷區的電場在小結濃度差多子擴散雜質離子形成空間電荷區內建電場阻止多子的進一步擴散促進少子的漂移動態平衡（平衡pn結）pn結的基本結構以及空間電荷區的形成過程小結濃度差多子擴散雜質離子形成空間電荷區內建電場阻止多子的進1.1pn結的基本結構1.2pn結靜態特性：平衡pn結1.3反偏1.4pn結電流1.5pn結的小信號模型1.6產生—復合電流1.7結擊穿1.8隧道二極管27第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構27第一章：pn結二極管1.2pn結靜態特性：平衡pn結28無外加激勵和無電流存在的熱平衡狀態下突變結的各種特性。零偏狀態:V外=0

1.內建電勢差

由PN結空間電荷區的形成過程可知，在達到平衡狀態時，PN結空間電荷區中形成了一個內建電場，該電場在空間電荷區中的積分就形成了一個內建電勢差。

從能量的角度來看，在N型區和P型區之間建立了一個內建勢壘，阻止電子進一步向P型區擴散，該內建勢壘的高度即為內建電勢差，用Vbi表示。1.2pn結靜態特性：平衡pn結28無外加激勵和無電流存在內建電勢差pn結靜態特性：平衡pn結內建電勢差29內建電勢差Vbi維持了n區多子電子與p區少子電子之間及p區多子空穴與n區少子空穴之間的平衡。pn結本征費米能級與導帶底之間的距離是相等的，內建電勢差可以由p區與n區內部費米能級的差值來確定。熱平衡狀態下pn結的能帶圖內建電勢差pn結靜態特性：平衡pn結內建電勢差29對于平衡狀態的pn結我們有：參照前邊圖中φFn、φFp的定義，可以知道：參照前邊圖中φFn、φFp的定義，可以知道：注意Nd、Na分別表示N區和P區內的有效施主摻雜濃度和有效受主摻雜濃度接觸電勢差的大小直接和雜質濃度、本征載流子濃度、以及熱電壓（溫度及分布）相關。對照：費米能級和摻雜以及溫度的關系本章開始Nd,Na分別指n區和p區內的凈施主和受主濃度！！！對于平衡狀態的pn結我們有：參照前邊圖中φFn、φFp的定例計算pn結中的內建電勢差。硅pn結的環境溫度為T=300K，摻雜濃度分別為Na=1×1018cm-3，Nd=1×1015cm-3。假設ni=1.5×1010cm-3。解：由內建電勢差公式知：Vbi=Vtln(NaNd/ni2)∵Vt=kT/e=0.0259V(T=300K)

(k波爾茲曼常數=8.62×10-5eV/K)Na=1×1018cm-3

Nd=1×1015cm-3

ni=1.5×1010cm-3∴Vbi=0.754V

由于進行的是對數運算，當摻雜濃度的數量級改變很大時，內建電勢差也只是有微小的變化。例計算pn結中的內建電勢差。pn+-E-xp+xneNdeNa內建電場由空間電荷區的電荷所產生，電場強度的大小和電荷密度的關系由泊松方程確定：其中φ為電勢，E為電場強度，ρ為電荷密度，εs為介電常數。

從圖可知，電荷密度ρ(x)為：耗盡區假設(假設空間電荷區在n區的x=+xn處及x=-xp處突然中止）平衡pn結電場強度ρpn+-E-xp+xneNdeNa內建電場由空間電荷區的電荷則p側空間電荷區內電場可以積分求得：邊界條件（熱平衡時，中性區電場為0）：x=-xp時，E=0相應，n側空空間電荷區電場：邊界條件：x=xn時，E=0冶金結所在的位置，電場函數連續則p側空間電荷區內電場可以積分求得：邊界條件（熱平衡時，中性p側電場和n側電場在界面處（x=0）連續，即：-xpxneNdeNa-xpxnx=0E因而兩側空間電荷區的寬度xp和xn有關系：空間電荷區整體保持電中性空間電荷區主要向低摻雜一側延伸np側電場和n側電場在界面處（x=0）連續，即：-xpxneN根據電場強度和電勢的關系，將p區內電場積分可得電勢：確定具體的電勢值需要選擇參考點，假設x=-xp處的電勢為0，則可確定積分常數值C1’和p區內的電勢值為：根據電場強度和電勢的關系，將p區內電場積分可得電勢：確定具體同樣的，對n區內的電勢表達式積分，可求出：當x=0時，電勢值連續，因而利用p區電勢公式可求出：同樣的，對n區內的電勢表達式積分，可求出：當x=0時，電勢值pp0np0nn0pn0-xpxnx=0EpnΦ=0Φ=Vbi電勢和距離是二次函數關系，即拋物線關系空間電荷區內的載流子濃度變化顯然，x=xn時，Φ=Vbi，因而可以求出：pp0np0nn0pn0-xpxnx=0EpnΦ=0Φ=Vb空間電荷區寬度pn+-xp+xn由整體的電中性條件要求，我們已經知道：將該式代入用電勢公式求出的Vbi式，可得到：空間電荷區寬度與摻雜濃度有關空間電荷區寬度pn+-xp+xn由整體的電中性條件要求，我們例計算pn結中的空間電荷區寬度和電場。硅pn結所處的環境溫度為T=300K，摻雜濃度為Na=1016cm-3，Nd=1015cm-3

，ni=1.5×1010cm-3。解

Vbi=Vtln(NaNd/ni2)=0.635V

由xn和xp公式可知xn=0.864μm，xp=0.086μm

空間電荷區寬度為：

冶金結處的最大電場為：例計算pn結中的空間電荷區寬度和電場。冶金結處的最大電場熱平衡狀態下pn結處存在著空間電荷區和接觸電勢差;內建電場從n區空間電荷區邊界指向p區空間電荷區，內建電場在p、n交界處最強;因為是熱平衡狀態，p區、n區及空間電荷區內具有統一的費米能級；空間電荷區內的漂移電流和擴散電流趨向平衡，無宏觀電流。p、n兩側的空間電荷總數量相等，對外部保持整體的電中性，空間電荷區內無（幾乎）自由載流子、因而又稱為耗盡區；空間電荷區內形成內建電場，表現為電子的勢壘，因而又稱為勢壘區空間電荷區的寬度與摻雜濃度密切相關.pn結靜態特性：平衡pn結熱平衡狀態下pn結處存在著空間電荷區和接觸電勢差;pn結靜態pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi-xpxnEMaxpn結靜態特性：平衡pn結電場強度pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi-x單邊突變結：一側高摻雜，而另一側低摻雜的突變結p+n或pn+單邊突變結空間電荷區主要向輕摻雜一側擴展單邊突變結的勢壘主要降落在輕摻雜一側單邊突變結：一側高摻雜，而另一側低摻雜的突變結p+n或pn+

這一關系給出了內建電勢差在p、n兩側的分配關系。這也解釋了為什么對于單邊突變結（p+n或pn+)來說，電壓主要降落在輕摻雜一側。外加電壓同樣會分配在pn結兩側，其分配比例不變。因為在同樣的耗盡假設下，求解泊松方程的過程是完全相同的，只是將整個電場積分后的電勢差Vbi代換為Vbi-Vapp這一關系給出了內建電勢差在p、n兩側的分配關系。這也1.1pn結的基本結構1.2pn結靜態特性：平衡pn結1.3反偏1.4pn結電流1.5pn結的小信號模型1.6產生—復合電流1.7結擊穿1.8隧道二極管44第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構44第一章：pn結二極管在p區與n區之間加一個電勢，則pn結就不能再處于熱平衡狀態。反偏狀態下，外加電場方向和內建電場相同。反偏：在p、n區之間施加一個反向電壓。反偏電壓幾乎全部施加于空間電荷區，而中性區電壓幾乎為01.3反偏在p區與n區之間加一個電勢，則pn結就不能再處于熱平衡狀態。PN結加反向電壓時的導電情況PN結加反向電壓→→漂移電流＞擴散電流，耗盡層變寬→→反向電阻增大。此時：由于IS很小PN結相當于不導通，即稱PN結截止！由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。PN結加反向電壓時的導電情況PN結加反向電壓→→

外加電場的存在將會使得能帶圖中N型區的費米能級往下拉，下拉的幅度等于外加電壓引起的電子勢能變化量。此時，PN結上總的勢壘高度增大為：空間電荷區寬度與電場外加電場的存在將會使得能帶圖中N型區的費米能級往下拉反偏pn結的空間電荷區寬度空間電荷量增大反偏電壓空間電荷區電場增強勢壘升高空間電荷區寬度增加將零偏時空間電荷區寬度公式中的Vbi用Vbi+VR=Vtotal代替，即可求出反偏時的空間電荷區寬度。空間電荷區寬度與電場反偏pn結的空間電荷區寬度空間電荷量增大反偏電壓空間電荷區電空間電荷區的電場增強，電場強度和電荷的關系仍然如泊松方程所描述。由于xn和xp增大，因而最大場強也增大。將xn或xp中的Vbi替換為Vbi+VR可得到：

空間電荷區寬度與電場空間電荷區的電場增強，電場強度和電荷的關系仍然如泊松方程所描

加反偏電壓后，pn結空間電荷區寬度、電荷量及電場的變化。類似于電容的充放電效果，因而反偏pn結可以表現為一個電容的特性。隨著反偏電壓的增加，空間電荷區的電荷量也隨之增加。 加反偏電壓后，pn結空間電荷區寬度、電荷量及電場的變化。類

勢壘電容是由空間電荷區離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當于PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。圖01.09勢壘電容的示意圖勢壘電容示意圖

勢壘電容（結電容）勢壘電容是由空間電荷區離子薄層形成的。圖

勢壘電容（結電容）勢壘電容外加反偏電壓增量dVR在n區形成額外正電荷；p區形成額外負電荷dQ’的單位是C/cm2均勻摻雜pn結空間電荷區寬度隨反偏電壓改變的微分變化量微分電荷勢壘電容（結電容）勢壘電容外加反偏電壓增量dVR在n區

勢壘電容（結電容）勢壘電容的表達式為：勢壘電容(耗盡層電容)n型區內空間電荷區的寬度：比較一下描述反偏條件下耗盡區寬度的表達式與勢壘電容C‘的表達式，我們發現可以看到，勢壘電容的大小與εs(材料）、Vbi（摻雜水平）、Na、Nd及反偏電壓等因素有關。這表明勢壘電容可以等效為其厚度為空間電荷區寬度的平板電容勢壘電容（結電容）勢壘電容的表達式為：勢壘電容(耗盡

單邊突變結單邊突變結：冶金結一側的摻雜濃度遠大于另一側的摻雜濃度的pn結。Na>>Nd時，這種結稱為p+n結。54p+n結的勢壘電容表達式簡化為：總空間電荷區寬度：單邊突變結單邊突變結：冶金結一側的摻雜濃度遠大于另勢壘電容和反偏電壓有關系：可以看到，單邊突變結的C-V特性可以確定輕摻一側的摻雜濃度。這是C-V法測定材料摻雜濃度的原理。電容倒數的平方是外加反偏電壓的線性函數勢壘電容和反偏電壓有關系：可以看到，單邊突變結的C-V特性可1.1pn結的基本結構1.2pn結靜態特性：平衡pn結；1.3反偏1.4pn結電流1.5pn結的小信號模型1.6產生—復合電流1.7結擊穿1.8隧道二極管56第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構56第一章：pn結二極管1.4pn結電流將二極管電流和器件內部的工作機理、器件參數之間建立定性和定量的關系。定性推導：分析過程，處理方法定量推導：建立理想模型-寫少子擴散方程，邊界條件-求解少子分布函數-求擴散電流-結果分析。分析實際與理想公式的偏差，造成偏差的原因。當給pn結外加一個正偏電壓時，pn結內就會產生電流。定性考慮pn結內電荷如何流動→給出pn結電流-電壓關系的數學推導。1.4pn結電流將二極管電流和器件內部的工作機理、器件參1.4pn結電流58零偏（平衡）:pn結能帶圖電子和空穴在擴散過程中遇到勢壘。勢壘維持熱平衡反偏:pn結能帶圖增高的勢壘高度繼續阻止電子與空穴的流動。Pn結內基本沒有電流正偏:勢壘降低，電場減弱，電子由n區經空間電荷區向p區擴散，同樣也形成從p區向n區擴散的空穴流。電荷的流動在pn結內形成電流。通過pn結的能帶圖，可以定性的了解pn結電流的形成機制1.4pn結電流58零偏（平衡）:pn結能帶圖電子和1.熱平衡狀態電子從n區擴散到p區需有足夠的能量克服“勢壘”。只有少數能量高的電子能越過勢壘到達p區，形成擴散流。P區的電子到達n區不存在勢壘，但是少子，少數電子一旦進入耗盡層，內建電場就將其掃進n區，形成漂移流。熱平衡：電子的擴散流=漂移流1.熱平衡狀態電子從n區擴散到p區需有足夠的能量克服“勢壘2.反向偏置勢壘高度變高，n型一側幾乎沒有電子能越過勢壘進入p區，p區一側有數目相同的電子進入耗盡層掃入n區，形成少子漂移流;同理n區的空穴漂移形成少子漂移流，因與少子相關，電流非常小;又因少子的漂移與勢壘高度無關，所以反向電流與外加電壓無關。2.反向偏置勢壘高度變高，n型一側幾乎沒有電子能越過勢壘進3.加正偏電壓PN結加正向電壓時的導電情況（1）少子注入正向電壓使 勢壘區寬度變窄、

勢壘高度變低外加電場與內建電場方向相反

空間電荷區中的電場減弱

破壞擴散與漂移運動間的平衡

擴散運動強于漂移運動

注入少子

注入的少子邊擴散邊復合（2）正向PN結中載流子的運動電流在N型區中主要由電子攜帶電流在P型區中主要由空穴攜帶通過PN結的電流存在電流載體轉換的現象3.加正偏電壓PN結加正向電壓（1）少子注入Pn結的單向導電性

當PN結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流，PN結處于導通狀態；當PN結反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結處于截止狀態。

綜上所述：可見，PN結具有單向導電性。Pn結的單向導電性綜上所述：可見，PN結具有單向導電1.4pn結電流理想電流?電壓關系理想p-n結的I-V關系的推導，滿足以下條件假設：1、耗盡層突變近似。空間電荷區的邊界存在突變，且耗盡區以外的半導體區域是電中性的。2、載流子統計分布復合麥克斯韋-玻爾茲曼近似。3、復合小注入條件。4(a)、pn結內的電流值處處相等。4(b)、pn結內的電子電流與空穴電流分別為連續函數。4(c)、耗盡區內的電子電流與空穴電流為恒定值。63與電流有關1.4pn結電流理想電流?電壓關系理想p-n結的I-

理想電流?電壓關系64理想電流?電壓關系64計算流過p-n結電流密度的步驟：1、根據費米能級計算耗盡區邊界處注入的過剩少子濃度。2、以邊界處注入的過剩少子濃度作為邊界條件，求解擴散區中載流子連續性方程——雙極輸運方程。得到過剩載流子分布表達式。3、將過剩少子濃度分布帶入擴散電流方程得到擴散電流密度。4、將兩種載流子擴散電流密度相加，得到理想p-n結電流電壓方程。65計算流過p-n結電流密度的步驟：65加正向偏壓后，空間電荷區勢壘高度降低，內建電場減弱勢壘降低空間電荷區縮短內建電場減弱擴散電流>漂移電流空間電荷區邊界處少數載流子濃度注入P型一側耗盡區邊界X=-xp的電子濃度理想電流電壓方程最重要的邊界條件1。邊界條件加正向偏壓后，空間電荷區勢壘高度降低，內建電場減弱勢壘降低空半導體器件原理-第二章課件偏置狀態下p區空間電荷區邊界處的非平衡少數載流子濃度注入水平和偏置電壓有關n型一側耗盡區邊界X=xn的空穴濃度理想電流電壓方程最重要的邊界條件2。偏置狀態下p區空間電荷區邊界處的非平衡少數載流子濃度注入水平 注入到p（n）型區中的電子（空穴）會進一步擴散和復合，因此公式給出的實際上是耗盡區邊界處的非平衡少數載流子濃度。

上述邊界條件雖然是根據pn結正偏條件導出的，但是對于反偏情況也是適用的。因而當反偏電壓足夠高時，從上述兩式可見，耗盡區邊界處的少數載流子濃度基本為零。

注入到p（n）型區中的電子（空穴）會進一步擴散和復合，因半導體器件原理-第二章課件少數載流子分布假設：中性區內電場為0無產生穩態pn結長pn結

理想電流?電壓關系少數載流子分布——解雙極輸運方程小注入n型半導體雙極輸運方程：少數載流子分布理想電流?電壓關系少數載流子分布——解雙極輸邊界條件雙極輸運方程可以簡化為：長pn結邊界條件雙極輸運方程可以簡化為：長pn結雙極輸運方程的通解為：從邊界條件可以確定系數A=D=0，同時，在xn、x-p處的邊界條件可以得出：雙極輸運方程的通解為：從邊界條件可以確定系數A=D=0，同時 由此，我們可以得出PN結處于正偏和反偏條件時，耗盡區邊界處的少數載流子分布正偏反偏 由此，我們可以得出PN結處于正偏和反偏條件時，耗盡區邊界處理想pn結電流pn結電流為空穴電流和電子電流之和空間電荷區內電子電流和空穴電流為定值理想pn結電流因此耗盡區靠近N型區一側邊界處空穴的擴散電流密度為：在pn結均勻摻雜的條件下，上式可以表示為：利用前邊求得的少子分布公式，可以得到耗盡區靠近N型區一側邊界處空穴的擴散電流密度為：因此耗盡區靠近N型區一側邊界處空穴的擴散電流密度為：在pn結在pn結正偏條件下，空穴電流密度是沿著x軸正向的，即從p型區流向N型區。類似地，我們可以計算出耗盡區靠近P型區一側邊界處電子的擴散電流密度為：利用前面求得的少子分布公式，上式也可以簡化為：在pn結正偏條件下，上述電子電流密度也是沿著x軸正方向的。若假設電子電流和空穴電流在通過pn結耗盡區時保持不變，則流過pn結的總電流為：在pn結正偏條件下，空穴電流密度是沿著x軸正向的，即從p型區上式即為理想pn結的電流-電壓特性方程，我們可以進一步定義Js為：則理想pn結的電流-電壓特性可簡化為：盡管理想pn結電流-電壓方程是根據正偏pn結推導出來的，但它同樣應當適用于理想的反偏狀態。可以看到，反偏時，電流飽和為Js上式即為理想pn結的電流-電壓特性方程，我們可以進一步定義J當PN結正偏電壓遠大于Vt時，上述電流－電壓特性方程中的－1項就可以忽略不計。PN結二極管的I－V特性及其電路符號如下圖所示。當PN結正偏電壓遠大于Vt時，上述電流－電壓特性方程中的－1理想pn結模型的假設條件小注入條件注入的少子濃度比平衡多子濃度小得多突變耗盡層條件注入的少子在p區和n區是純擴散運動通過耗盡層的電子和空穴電流為常量不考慮耗盡層中載流子的產生和復合作用玻耳茲曼邊界條件在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻氏分布理想pn結模型的假設條件

可見，少子擴散電流呈指數下降，而流過PN結的總電流不變，二者之差就是多子的漂移電流。以N型區中的電子電流為例，它不僅提供向P型區中擴散的少子電子電流，而且還提供與P型區中注入過來的過剩少子空穴電流相復合的電子電流。因此在流過PN結的正向電流中，電子電流與空穴電流的相互轉換情況如下頁圖所示。物理意義總結：

PN結耗盡區兩側少子的擴散電流分別為：可見，少子擴散電流呈指數下降，而流過PN結的總電流不在流過PN結的正向電流中，電子電流與空穴電流的相互轉換情況。pn結的正偏電流實際上是復合電流少子擴散電流密度隨距離指數衰減總電流與少子擴散電流的差值為多子電流在流過PN結的正向電流中，電子電流與空穴電流的相互轉換情況。正偏電流圖像當電流由P區歐姆接觸進入時，幾乎全部為空穴的漂移電流；空穴在外電場作用下向電源負極漂移； 由于少子濃度遠小于多子濃度可以認為這個電流完全由多子空穴攜帶。空穴沿x方向進入電子擴散區以后，一部分與N區注入進來的電子不斷地復合，其攜帶的電流轉化為電子擴散電流；正偏電流圖像 另一部分未被復合的空穴繼沿x方向漂移，到達-xp的空穴電流，通過勢壘區； 若忽略勢壘區中的載流子產生-復合，則可看成它全部到達了xn處，然后以擴散運動繼續向前，在N區中的空穴擴散區內形成空穴擴散流

在擴散過程中，空穴還與N區漂移過來的電子不斷地復合，使空穴擴散電流不斷地轉化為電子漂移電流； 直到空穴擴散區以外，空穴擴散電流全部轉化為電子漂移電流。忽略了少子漂移電流后，電子電流便構成了流出N區歐姆接觸的正向電流。空穴電流與電子電流之間的相互轉化，都是通過在擴散區內的復合實現的，因而正向電流實質上是一個復合電流。 另一部分未被復合的空穴繼沿x方向漂移，到達-xp的空穴電流反偏電流圖像pn在反向偏置下，

P區的多子空穴受外電場的作用向P區的歐姆接觸負電極漂移，同時增強的空間電荷區電場也不斷地把N區的少子空穴拉過來；N區的電子受外電場作用向N區的歐姆接觸正電極漂移，同時空間電荷區自建電場亦不斷地把P區的少子電子拉過來；N區邊界xn處的空穴被勢壘區的強電場驅向P區，而P區邊界-xp處的電子被驅向N區，當這些少數載流子被電場驅走后，內部的少子就來補充，形成反偏下的空穴擴散電流和電子擴散電流。這種情況好象少數載流子不斷地被抽向對方，所以稱為少數載流子的抽取。反偏電流圖像N區的電子受外電場作用向N區的歐姆接觸正電極漂移溫度對pn結電流-電壓特性的影響PN結工作時，PN結上消耗的功率轉變成熱量，使PN結的溫度升高，溫度升高引起本征載流子濃度增加，本征載流子濃度增加又使PN結電流增加，則PN結功耗增加，從而進一步引起結溫升高。若PN結的散熱性能不良，這種惡性循環可使溫度升高到最高結溫，PN結發生熱擊穿，直至燒毀。

溫度效應：溫度對pn結電流-電壓特性的影響PN結工作時，PN結上消耗溫度效應對PN結二極管正、反向I－V特性的影響溫度升高，一方面二極管反向飽和電流增大，另一方面二極管的正向導通電壓下降。理想PN結二極管的反向飽和電流密度JS是熱平衡條件下少子濃度np0和pn0的函數，np0和pn0都與ni2成正比，對于硅pn結而言，溫度每升高10度，Js增大4倍。溫度效應對PN結二極管正、反向I－V特性的影響溫度升高，一方pn結電流小結勢壘高度和載流子濃度的對應關系偏壓對空間電荷區邊界處注入的非平衡載流子濃度的調制理想pn結電流-電壓關系。在平衡時，自建電場的大小正好能阻止空穴和電子進一步擴散，使空間電荷區寬度保持一定。pn結電流小結PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–pn結具有單向導電性——pn結最基本的性質之一。PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－++++PN結變寬外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN結變寬外電場內電場被加強，少子的漂移加強，由于隨著溫度的升高，反偏飽和電流增大，相同正向電流下的偏壓降低。利用溫度特性可以制成對溫度敏感的二極管，作為溫度探測器件。但同時二極管的溫度特性要求二極管要正確應用，避免形成溫度正反饋導致燒毀。隨著溫度的升高，反偏飽和電流增大，相同正向電流下的偏壓降低。1.1pn結的基本結構1.2pn結靜態特性：平衡pn結；1.3反偏1.4pn結電流1.5pn結的小信號模型1.6產生—復合電流1.7結擊穿1.8隧道二極管93第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構93第一章：pn結二極管前面一直討論pn結的直流特性，但將具有pn結結構的半導體器件作用于線性放大器電路時，正弦信號就會疊加在直流電流與電壓之上，（直流（Va）偏置下，加一正弦電壓，流過二極管的電流I+i）此時pn結的小信號特性變得非常重要。1.5

pn結的小信號模型前面一直討論pn結的直流特性，但將具有pn結結構的半導體器1.5pn結的小信號模型擴散電阻(增量電導)直流靜態電流。增量電阻：隨偏置電流的增加而減小。與I-V特性曲線斜率成反比95理想pn結二極管的電流-電壓關系式兩邊乘以pn結的橫截面積，則二極管電流：電壓與電流無限小時，小信號增量電導就是直流電流-電壓曲線的斜率，即若認為二極管的正偏電壓足夠大，則I-V關系中的（-1）項可以省略1.5pn結的小信號模型擴散電阻(增量電導)直流靜pn結的電容勢壘電容Cj：形成空間電荷區的電荷隨外加電壓變化.擴散電容Cd：pn結兩邊擴散區中，當加正向偏壓時，有少子的注入，并積累電荷，它也隨外電壓的變化而變化，擴散區的電荷數量隨外加電壓的變化所產生的電容效應。pn結的電容勢壘電容Cj：形成空間電荷區的電荷隨外加電壓變化當PN處于正偏狀態時，同樣也會表現出一種電容效應。一個PN結正偏在直流電壓Vdc上，同時又疊加了一個正弦交流電壓，因此總的正向偏置電壓可以表示為：可見偏置電壓Va隨時間而變化，因此注入的少子濃度也將隨著時間而不斷地發生變化。擴散電容：當PN處于正偏狀態時，同樣也會表現出一種電容效應。一個PN結在t0、t1、t2三個時刻，N型區一側空間電荷區邊界處少子空穴的濃度也在直流穩態的基礎上疊加了一個隨時間變化的交流分量。空穴由P型區注入N型區在t0、t1、t2三個時刻，N型區一側空間電荷區邊界處少子空空穴從耗盡區邊界處開始將不斷地向N型區中擴散，并在N型區中與多子電子相復合，假設交流電壓信號的周期遠大于過剩載流子往N型區中擴散所需的時間，因此空穴濃度在N型區中隨空間位置的分布可以近似為一種穩態分布。交流電壓為零，對應直流電壓下的空穴濃度分布。對應交流電壓達到正最大值時的空穴濃度分布。對應交流電壓達到負最大值時的空穴分布。陰影區的面積則代表由于交流信號的周期性變化而引起的充放電電荷。空穴從耗盡區邊界處開始將不斷地向N型區中擴散，并在N型區中與對于電子由N型區注入到P型區中之后，過剩少子電子在P型區中的分布也表現出完全類似的情形。

這種空穴分布在N型區中的起伏（充放電）過程以及電子分布在P型區中的起伏（充放電）過程將導致電容效應，該電容稱為PN結的擴散電容

它與反偏PN結耗盡區電容的物理機理完全不同，另外，正偏PN結的擴散電容>>PN結的勢壘電容。小信號導納:利用雙極輸運方程，我們可以求得PN結二極管的小信號導納為：Ip0和In0分別是二極管中空穴電流和電子電流分量，τp0和τn0分別是N型區中過剩少子空穴和P型區中過剩少子電子的壽命對于電子由N型區注入到P型區中之后，過剩少子電子在P上式還可進一步改寫為：稱為PN結二極管的擴散電導，IDQ為二極管的直流偏置電流。Cd稱為PN結二極管的擴散電容，即：在正偏電流比較大的條件下，PN結二極管的擴散電容往往起主要作用。上式還可進一步改寫為：稱為PN結二極管的擴散電導，IDQ為二由上式得出的等效電路如下圖所示:

在此基礎上，我們還需加上耗盡層電容的影響，該電容是與擴散電容和擴散電阻相并聯的。另外，我們還必須考慮PN結兩側中性N型區和中性P型區寄生串聯電阻的影響。PN結二極管的小信號等效電路模型可以根據其正偏條件下的小信號導納公式得到：小信號等效電路模型擴散電阻擴散電容由上式得出的等效電路如下圖所示:PN結二極管的小信號等效電路設PN結二極管兩端外加電壓為Vapp，真正降落在PN結耗盡區兩側的電壓為Va，則有勢壘電容電中性的p區與n區內的阻值擴散電容設PN結二極管兩端外加電壓為Vapp，真正降落在PN結耗盡區一個實際PN結二極管在正偏狀態下的I－V特性

但是當外加正向偏置電壓比較大使得正偏PN結電流也比較大時，寄生串聯電阻的影響變得十分明顯，這樣就使得PN結二極管的特性與正常的指數關系有很大偏離。寄生串聯電阻在小電流情況下基本上可以忽略不計一個實際PN結二極管在正偏狀態下的I－V特性

但是當外加正向1.1pn結的基本結構1.2pn結靜態特性：平衡pn結；1.3反偏1.4pn結電流1.5pn結的小信號模型1.6產生—復合電流1.7結擊穿1.8隧道二極管105第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構105第一章：pn結二極管1.6產生-復合電流理想電流-電壓方程忽略空間電荷區內的一切效應，由于空間電荷區內有其他電流成分，實際pn結的I-V特性會偏離其理想表達式。實際pn結的I-V特性：（1）正向電流小時，實驗值遠大于理論計算值（2）正向電流較大時，理論計算值比實驗值大（3）正向電流更大時，J-V關系不是指數關系，而是線性關系（4）反向偏壓時，實際反向電流比理論計算值大得多，而且隨反向電壓的增加略有增加。1.6產生-復合電流理想電流-電壓方程忽略空間電荷區內的一載流子在PN結空間電荷區中可能發生產生－復合現象。在實際PN結空間電荷區中，載流子的產生－復合現象由SRH（肖克萊-里德-霍爾）復合理論給出，即：

n和p分別是電子和空穴的濃度。1.反偏PN結中的產生電流：當PN結處于反偏狀態時，空間電荷區中可動載流子基本上處于耗盡狀態，即n≈p≈0，因此上述復合率公式變為：載流子在PN結空間電荷區中可能發生產生－復合現象。在實際PN負號意味著在反向偏置的PN結耗盡區中實際上存在著電子－空穴對的凈產生。

過剩電子和過剩空穴的復合過程實際上是一個恢復到熱平衡狀態的過程，而反偏PN結耗盡區中電子和空穴的濃度基本為零，因此其中電子－空穴對的凈產生實際上也是一個恢復到熱平衡狀態的過程。

負號意味著在反向偏置的PN結耗盡區中實際上存在著電子－空穴對反偏PN結耗盡區中電子－空穴對的凈產生過程

當電子－空穴對產生出來之后，立即就會被耗盡區中的電場拉向兩側，形成PN結中的反偏產生電流，這個反偏產生電流將構成PN結反向飽和電流的一部分(理想反向飽和電流僅僅是擴散電流)。反偏PN結耗盡區中電子－空穴對的凈產生過程

當電子－空穴對產實際反偏PN結耗盡區中存在著凈的產生率，產生電流密度為：

總的PN結反向偏置電流密度為理想的反向飽和電流密度與反偏產生電流密度之和，即：式中，Js與PN結反偏電壓關系不大，而反偏產生電流密度則與耗盡區的寬度W有關，這是與反偏電壓有關的，因此實際PN結總的反偏電流密度則是與反偏電壓有關的。實際反偏PN結耗盡區中存在著凈的產生率，產生電流密度為：

總正偏PN結中的復合電流：反偏PN結的耗盡區中，電子和空穴的濃度基本為零;正偏PN結中，電子和空穴要通過空間電荷區實現少子注入,因此在空間電荷區中會存在一定的過剩電子和過剩空穴，這些過剩電子和過剩空穴之間就會發生復合，形成耗盡區復合電流。按照電子和空穴的復合率公式：正偏PN結中的復合電流：將上式分子和分母同時除以CnCpNt，并利用過剩載流子壽命的定義，可得：

正偏PN結的能帶圖將上式分子和分母同時除以CnCpNt，并利用過剩載流子壽命的其中EFn和EFp分別是電子和空穴的準費米能級。按照準費米能級的定義，可得其中EFn和EFp分別是電子和空穴的準費米能級。按照準費米能由此可見在正偏PN結空間電荷區中有：

可見正偏PN結空間電荷區存在凈的載流子復合，復合電流密度為：上式中W為正偏PN結中空間電荷區的寬度。PN結中總的正偏電流密度應該是空間電荷區復合電流密度與理想的擴散電流密度之和，即：總的PN結正偏電流：由此可見在正偏PN結空間電荷區中有：

可見正偏PN結空間電荷少子空穴在中性N型區中的分布

當空間電荷區中存在載流子復合時，由P型區中注入過來的空穴數目必須增加，這樣才能維持中性N型區中少子空穴的濃度分布。少子空穴在中性N型區中的分布

當空間電荷區中存在載流子復合時PN結中總的正偏電流密度的變化關系

小電流區域，正偏PN結中以空間電荷區復合電流為主，而在大電流區域，則以理想PN結的擴散電流為主。一般情況下正偏PN結的電流為：其中n稱為理想因子，一般介于1和2之間。PN結中總的正偏電流密度的變化關系

小電流區域，正偏PN結中1.1pn結的基本結構1.2pn結靜態特性：平衡pn結；1.3反偏1.4pn結電流1.5pn結的小信號模型1.6產生—復合電流1.7結擊穿1.8隧道二極管117第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構117第一章：pn結二極管1.7結擊穿形成反偏pn結擊穿的物理機制有齊納擊穿或隧道擊穿（TunnelingorZenerBreakdown）雪崩擊穿（AvalancheBreakdown）p--n結上加足夠高（VB）的反向電場→反向電流急劇增加→pn結擊穿，

VB稱為擊穿電壓。IDmAV/VV(B)oReverseBreakdown1.7結擊穿形成反偏pn結擊穿的物理機制有p--n結上加雪崩擊穿：

發生在摻雜濃度較低的PN結中，隨著反向電壓的增大，PN結內部電場增強，載流子的漂移速度相應加快，致使動能加大，當向電壓增大到V(BR)

數值時，載流子獲得的動能，足以把束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來，產生電子-空穴對獲得動能、碰撞產生新的自由電子–空穴對獲得動能、碰撞致使PN結中的載流子的數量急劇增多流過PN結的反向電流也就急劇增大。最重要的結擊穿機制。雪崩擊穿電壓確定了大多數二級管反向偏壓的上限。硅Pn結發生雪崩擊穿的電場強度為105~106V/cm非破壞性可逆擊穿雪崩擊穿：發生在摻雜濃度較低的PN結中，隨著反向齊納擊穿（隧道效應）

反向偏壓升高P區價帶頂高于N區導帶底當勢壘區寬度較小P區價帶電子按一定幾率穿透勢壘到達N區導帶形成電子空穴對，這種效應稱“隧道效應”一般：隧道擊穿的電壓較低，其值隨摻雜濃度降低而增大。如SiPN結，VB<4.5V雪崩擊穿的電壓較高，其值隨摻雜濃度增大而減小。如SiPN結，VB>6.7V非破壞性可逆擊穿P+區N+區勢壘區ECEV反向偏置pn結二極管中齊納擊穿過程示意圖發生在摻雜濃度較高的PN結中，當PN結兩邊的摻雜濃度很高時，PN結將變得很薄，此時碰撞機會很小，不容易發生碰撞電離。

齊納擊穿（隧道效應）P+區N+區勢壘區ECEV反向偏置pn結電流倍增假設在x=0處，反偏電子電流In0進入耗盡區，由于雪崩效應的存在，電子電流In會隨距離增大而增大，如圖所示：在x=W處，電子電流Mn為倍增因子121雪崩擊穿電壓:倍增因子M趨近無限大時的電壓.設耗盡區內電子或者空穴穿過結區產生一個電子空穴對的幾率為P，則倍增因子：P=1時M=∞雪崩發生電流倍增Mn為倍增因子121雪崩擊穿電壓:倍增因子M趨近無低濃度雪崩，高濃度隧穿122單邊pn結的臨界電場隨雜質摻雜濃度變化的函數曲線低濃度雪崩，高濃度隧穿122單邊pn結的臨界電場隨雜質摻雜濃

齊納擊穿與雪崩擊穿的區別1）摻雜濃度對二者的影響不同齊納擊穿取決于穿透幾率，與禁帶的水平間距有關，摻雜濃度越高，空間電荷區的寬度越窄，水平間距越小，易擊穿。因此齊納擊穿通常只發生在兩側重摻雜的PN結中。雪崩擊穿是碰撞電離，載流子能量的增加有一個過程，因此除了與電場強度有關之外，空間電荷區越寬，碰撞次數越多。因此，在摻雜濃度不高時的擊穿通常是雪崩擊穿。2）外界作用對二者擊穿機理的影響不同：雪崩擊穿是碰撞電離的結果，所以光照和快速的離子轟擊能夠引起倍增效應；但這些外界作用對齊納擊穿不會有明顯的影響。

齊納擊穿與雪崩擊穿的區別1）摻雜濃度對二者的影響不同3）溫度對二者擊穿機理的影響不同：齊納擊穿的擊穿電壓具有負溫度系數特性，主要是由于禁帶寬度的溫度特性。而對于雪崩擊穿，由于碰撞電離率隨溫度增加而降低，所以擊穿電壓是正溫度系數特性。3）溫度對二者擊穿機理的影響不同：機理：隧道擊穿取決于穿透隧道的幾率

勢壘區寬度要窄。雪崩擊穿取決于碰撞電離

有一定的勢壘區寬度。從實驗上可區分這兩種不同的電擊穿。研究分析表明：

硅pn結：<4V隧道擊穿

>6V雪崩擊穿機理：從實驗上可區分這兩種不同的電擊穿。研究分析表明：1.1pn結的基本結構1.2pn結靜態特性：平衡pn結；1.3反偏1.4pn結電流1.5pn結的小信號模型1.6產生—復合電流1.7結擊穿1.8隧道二極管126第一章：pn結二極管1.1pn結的基本結構126第一章：pn結二極管1.8隧道二極管隧穿效應：量子力學中，勢壘比較薄時，粒子能穿過勢壘到達另一邊。隧穿發生的兩個條件：勢壘一邊有填充態，另一邊同能級有未填充態勢壘寬度小于10-6cm1.8隧道二極管隧穿效應：量子力學中，勢壘比較薄時，粒子能1.8隧道二極管128N區和p區都為簡并摻雜的pn結稱為隧道二極管N型材料的費米能級進入導帶，p型材料的費米能級進入價帶N區與p區均為簡并摻雜的pn結的熱平衡能帶圖隧道二極管勢壘的三角形勢壘近似1.8隧道二極管128N區和p區都為簡并摻雜的pn結稱為隧隧道二極管的伏安特性電流和電壓間的變化關系與一般半導體二極管不同，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；如果所加電壓與前相反，電流則隨電壓的增加急劇變大。隧道二極管的伏安特性電流和電壓間的變化關系與一般半導體二極管(a)零偏，結兩邊量子態相同，費米能級以下沒有空量子態，以上沒有電子占據，所以隧道電流為零；EFp(b)加很小正偏壓，n區導帶中的電子與p區價帶中得空態直接對應，n區導帶中的電子有可能穿過隧道到p區價帶中，發生隧穿，形成正向電流；EFp130隧道二極管的電流-電壓特性(a)零偏，結兩邊量子態相同，費米能級以下沒有空量子態，以(c)繼續增加勢壘電壓，勢壘高度不斷下降，更多的n區導帶中的電子穿過隧道到p區空量子態，隧穿電流不斷增大，當N區內的導帶與p區內的價帶中能量相同的量子態達到最多，隧穿電流達到最大值；EFp(d)偏壓繼續增大，勢壘高度進一步降低，n區與p區中能量相同的量子態減少，隧穿電流下降，出現負阻；EFp(e)當電壓達到一定值時，n區與p區中能量相同的量子態數為零，隧穿電流為零，但擴散電流仍存在EFp131隧道二極管的電流-電壓特性(c)繼續增加勢壘電壓，勢壘高度不斷下降，更多的n區導帶中132p區價帶中電子與n區導帶中空量子態直接對應，因此電子從p區遂穿到n區，形成較大反偏電流，任何反偏電壓都會形成反偏電流，隨反偏電壓的增大，反偏電流單調增大。加反偏電壓的隧道二極管的能帶圖加反偏電壓的隧道二極管的I-V特性加反偏電壓132p區價帶中電子與n區導帶中空量子態直接對應，因此電子從小結PN結（結構？如何形成？特性？）結構（將P型半導體和N型半導體背靠背緊密排列，就可以形成PN結）為什么會形成空間電荷區？空間電荷區中的電流關系？空間電荷區存在電勢差，稱為內建電勢差。空間電荷區寬度（當P型半導體和N型半導體摻雜濃度不一樣時，會出現什么情況？）對稱PN結和不對稱PN結？

小結PN結（結構？如何形成？特性？）對稱PN結和不對Pn結特性伏安特性—單向導電性（正向導通、反向截止）。什么是正向偏置？什么是反向偏置？在正向偏置下，空間電荷區如何變化？在反向偏置下，空間電荷區又如何變化？正向電流：多子擴散電流；反向電流：少子漂移電流原因？如何形成？濃度關系？即：為什么會產生單向導電性？Pn結特性溫度特性PN結如何受溫度影響？溫度變化，伏安關系會如何變化？擊穿特性擊穿是什么？為何會產生？（在什么條件下才會產生擊穿？）兩種擊穿：雪崩擊穿和齊納擊穿。（產生機理？碰撞電離和場致擊穿）（各自特點？）電容特性PN結電容有兩部分組成：勢壘電容和擴散電容。分別怎么產生和各自特點？溫度特性二極管內容：組成結構—>特性—>參數—>等效電路（模型）—>分析—>應用1）結構利用PN結，從P區引出正極（陽極），從N區引出負極（陰極）。電路符號？2）特性（類似于PN結特性）區別在哪里？開啟電壓？導通電壓？溫度影響？溫度變化，正向電壓降如何變化？電流如何變化？伏安特性曲線？電流方程？3）參數4）等效電路（等效模型）--利用該模型來替代二極管直流模型：理想模型、常數壓降模型、電池加電阻模型。在直流模型下，當二極管導通后，二極管正向壓降就為它的導通電壓。只能用于直流分析。二極管小信號模型：適用條件：1）分析疊加在直流信號上的交流信號之間關系的時候用；既分析△U和△I間的關系。2）該交流信號必須疊加在一個直流量上，即二極管上必須有一個直流量。3）輸入信號為小信號。如果是大信號，則需要要利用二極管的電流方程來建立節點或回路方程來進行求解，但本書中通常假設為小信號。小信號模型：需要重點復習的內容：PN結，雜質分布，空間電荷區，空間電荷載流子分布：平衡載流子，非平衡載流子Fermi能級，準Fermi能級，平衡PN結能帶圖，非平衡PN結能帶圖非平衡PN結載流子的注入和抽取過剩載流子的產生與復合理想二極管的電流~電壓關系長二極管與短二極管需要重點復習的內容：PN結，雜質分布，空間電荷區，空間電荷需掌握的基本公式內建電勢差的公式及推導：單邊突變結pn結的空間電荷分布，耗盡層寬度及結電容的計算：耗盡層寬度：當Na>>Nd時，結電容：需掌握的基本公式內建電勢差的公式及推導：單邊突變結pn結的空需要強調的公式Boltzmann關系輸運方程Poisson方程內建電勢需要強調的公式Boltzmann關系輸運方程Poisson方空間電荷區邊界在少子密度二極管I~V特性需要強調的公式空間電荷區邊界在少子密度需要強調的公式142晶體二極管的單向導電性142晶體二極管的單向導電性TheendTheend半導體器件原理

PrinciplesofSemiconductorDevices第一章：pn結二極管劉憲云xyliu@半導體器件原理

PrinciplesofSemicond統計物理能帶理論雙極晶體管pn結二極管肖特基二極管歐姆接觸JFET、MESFET、MOSFET、HEMT從物理到器件引言統計物理能帶理論雙極晶體管pn結二極管肖特基二極管歐姆接觸J同質結與異質結同型結與異型結

半導體器件接觸的物理機制：-平衡時的能帶圖1、金屬--半導體界面第一個被研究的半導體器件。可作為整流接觸--肖特基勢壘，或用作歐姆接觸。也可以得到其他許多器件，如MESFET.具有整流特性，廣泛用于電子電路的整流、開關及其他工作中。若再加一p型半導體，兩個p-n結構成p-n-p雙極晶體管。2、pn結半導體器件基礎同質結與異質結半導體器件接觸的物理機制：-平衡時的能帶圖1、3、異質結界面4、金屬-絕緣體-半導體結構具有兩種半導體各自的pn結都不能達到的優良光電特性適于制作高速開關器件、太陽能電池及半導體激光器等。若用氧化物代替絕緣體，可視為M-O-S界面。ULSL中最重要的MOSFET器件的基本結構。3、異質結界面4、金屬-絕緣體-半導體結構具有兩種半導體各自70年代以來，制備結的主要技術是硅平面工藝。硅平面工藝包括以下主要的工藝技術：1950年美國人奧爾（R.Ohl）和肖克萊(Shockley)發明的離子注入工藝。1956年美國人富勒（C.S.Fuller）發明的擴散工藝。1960年盧爾（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)發明的外延工藝。1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特蘭尼(E.Castellani)發明的光刻工藝。正是光刻工藝的出現才使硅器件制造技術進入平面工藝技術時代，才有大規模集成電路和微電子學飛速發展的今天。上述工藝和真空鍍膜技術，氧化技術加上測試，封裝工藝等構成了硅平面工藝的主體。70年代以來，制備結的主要技術是硅平面工藝。硅平面工藝包括以氧化工藝：

1957年人們發現硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質向硅內擴散的作用。這一發現直接導致了硅平面工藝技術的出現。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；

（4）集成電路中的隔離介質和絕緣介質；

（5）集成電路中電容器元件的絕緣介質。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。氧化工藝：

1957年人們發現硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質擴散工藝：由于熱運動，任何物質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，這種現象稱為擴散。

常用擴散工藝：液態源擴散、片狀源擴散、固-固擴散、雙溫區銻擴散。

液態源擴散工藝：使保護氣體（如氮氣）通過含有擴散雜質的液態源，從而攜帶雜質蒸汽進入高溫擴散爐中。在高溫下雜質蒸汽分解，在硅片四周形成飽和蒸汽壓，雜質原子通過硅片表面向內部擴散。擴散工藝：由于熱運動，任何物質都有一種從濃度高處向濃度低處運離子注入技術：將雜質元素的原子離化變成帶電的雜質離子，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，再經過退火使雜質激活，在半導體片中形成一定的雜質分布。離子注入技術的特點：低溫；可精確控制濃度和結深；可選出一種元素注入，避免混入其它雜質；可在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；控制離子束的掃描區域,可實現選擇注入,不需掩膜技術；設備昂貴。離子注入技術：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可以方便地形成不同導電類型，不同雜質濃度，雜質分布陡峭的外延層。外延技術：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、熱壁外延（HWE）、原子層外延技術。外延工藝：光刻工藝：光刻工藝是為實現選擇摻雜、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。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（由光敏化合物、樹脂和有機溶劑組成）涂敷在半導體晶片表面上。受特定波長光線的照射后，光刻膠的化學結構發生變化。如果光刻膠受光照（曝光）的區域在顯影時能夠除去，稱之為正性膠；反之如果光刻膠受光照的區域在顯影時被保留，未曝光的膠被除去稱之為負性膠.光刻工藝：采用硅平面工藝制備PN結的主要工藝過程

(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+采用硅平面工藝制備PN結的主要工藝過程(a)拋光處理后的n(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(i)蒸發/濺射金屬

（j）P-N結制作完成

采用硅平面工藝制備結的主要工藝過程P-SiN-SiSiO2N+(g)完成光刻后去膠的晶片(h)通過擴散（或離子注入）形成156電路符號PN結+引線+管殼=封裝形成晶體二極管類型：面接觸型點接觸型平面型pn結二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。13電路符號pn結二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變