第二章-PN结

第二章PN结中国计量学院光电学院《半导体器件》中国计量学院光电学院一、PN结的形成二、PN结的单向导电性三、PN结的击穿特性四、PN结的电容效应五、PN结的隧道效应《半导体器件》中国计量学院光电学院P型半导体和N型半导体相结合——PN结PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。异质结、同质结PN《半导体器件》中国计量学院光电学院将杂质掺入半导体常用的方法：合金法、扩散法、外延生长法、离子注入法等。合金法是将一个含有所需杂质的小球(如铝球)放在半导体晶片上(如N型硅片)，在真空中将它们一起加热到小球熔化，杂质即以合金的形式掺入到半导体晶片内，冷却后，小球下面就形成了一个与半导体晶片导电类型相反的(如P型)区域，得到了所需的P-N结。用合金法制得的P-N结称为合金结。在理想的合金结中，N区的施主及P区的受主都是均匀分布的，在N区和P区的交界处发生突变。因此理想化的合金结被称作突变结。扩散法是将半导体晶片暴露于高浓度杂质(杂质的类型与晶片原有的杂质类型是相反的)，在高温下，形成P-N结。扩散法能精确控制结的位置，其杂质分布是缓变的，扩散结亦称缓变(渐变)结。PN结的制备方法及杂质分布《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结的形成扩散运动：空间电荷区展宽漂移运动：空间电荷区变窄多子的扩散和少子漂移运动达到动态平衡。耗尽层势垒区电位U电子势能DqUP(a)NP(b)N空间电荷区内电场UD《半导体器件》中国计量学院光电学院在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散《半导体器件》中国计量学院光电学院NP＋耗尽区(a)PN＋耗尽区(b)不对称PN结P区和N区的掺杂浓度相同——对称结；如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)——不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边.《半导体器件》中国计量学院光电学院平衡PN结能带图《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结的单向导电特性PN结的单向导电性只有在外加电压时才会表现出来《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结加正向电压Ｐ－正,Ｎ－负。正向电压或正向偏置(简称正偏)PN结处于导通状态,表现为一个很小的电阻耗尽区内电场UUB－U＋－RE外电场正向电流IF扩散运动大于漂移运动多数载流子形成的扩散电流起支配作用少数载流子形成的漂移电流方向相反，很小，可忽略。《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结加反向电压将电源的正极接Ｎ区,负极接Ｐ区——PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)PN结处于截止状态,呈现出一个很大的电阻(高达几百千欧以上)。耗尽区内电场UUB＋URE＋－外电场漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流IS。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的《半导体器件》中国计量学院光电学院综上所述：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。即PN结具有单向导电特性。关键在于耗尽层的存在《半导体器件》中国计量学院光电学院UIOUB)1(TDUUSDeIIIDUBRPN结U-I特性曲线伏安特性方程加正向电压时，UD只要大于UT几倍以上，TDUUSDeII/加反向电压时，|UD|只要大于UT几倍以上，则ID≈–ISUT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mVPN结的伏安特性《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结的击穿特性当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的反向击穿电压。电击穿热击穿PN结发生电击穿的机理可以分为两种——雪崩击穿和齐纳击穿《半导体器件》中国计量学院光电学院雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。如此链锁反应,使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。《半导体器件》中国计量学院光电学院齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿；UBR4V时为齐纳击穿；UBR介于4~7V时，两种击穿都有。《半导体器件》中国计量学院光电学院发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。当PN结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现),不使其过大,以免因过热而烧坏PN结,当反向电压(绝对值)降低时,PN结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现稳压的,当流过PN结的电流变化时,结电压基本保持不变。《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结的电容特性按电容的定义即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电容效应。而ＰＮ结两端加上电压,ＰＮ结内就有电荷的变化,说明ＰＮ结具有电容效应。PN结的电容效应势垒电容CB和扩散电容CD两部分组成。dUdQCUQC或《半导体器件》中国计量学院光电学院势垒电容CB势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷量增加，犹如电容的充电。当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间电荷量减小，犹如电容的放电。耗尽层中存贮的电荷量随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CB表示。WW+△W《半导体器件》中国计量学院光电学院扩散电容CD扩散电容是PN结在正偏时,多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。PN结正向偏置时，N区和P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布。P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；N区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电荷。正向电压加大时，扩散增强，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电；相反，当正向电压减小时，扩散减弱，造成两个区域内电荷的减少，这相当于电容器放电。《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结上的总电容Cj——结电容，是势垒电容与扩散电容之和。即Cj＝ＣB＋ＣＤ一般说来,PN结正偏时,扩散电容起主要作用,Ｃｊ≈ＣＤ；当PN结反偏时,势垒电容起主要作用,即Ｃｊ≈ＣB。集成电路中的电容《半导体器件》中国计量学院光电学院集成电路中的电容电容作为一种寄生器件，天生存在于任何结构的二极管和晶体管中。器件中的电容效应决定了电路的高频行为。最常用的FET器件，其工作机制就取决于电容效应。《半导体器件》中国计量学院光电学院类型两种最常用的电容：•PN结电容•MOS（金属-氧化物-半导体）电容《半导体器件》中国计量学院光电学院影响电容效应的因素电容板的面积，极板面积越大，积累的电荷量就越多；电介质的厚度，电介质越薄，电场越能有效的穿透；电介质材料的内部结构所能允许电场的穿透程度，即电介质的电容率，或者称介电系数。ddACt反偏PN结电容《半导体器件》中国计量学院光电学院《半导体器件》中国计量学院光电学院注意必须指出，用于隔离的反向偏置的PN结必然会产生一个额外的寄生电容，在B端与V+之间，在用PN结设计电容的时候，这个寄生电容不能忽视，必须要考虑它的影响。《半导体器件》中国计量学院光电学院ddACtsdACw电容表达式12011.811.88.8510/sFmdw是耗尽层的平均宽度《半导体器件》中国计量学院光电学院电压与电容的依赖关系是PN结电容的一个额外的特点！这种特性非常有用，它使得电容是可变化的，并且是可以电控的！《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结的温度特性PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。ui0TT－UBR具体变化规律是：•温度升高反向击穿电压降低•温度每升高10℃，反向饱和电流IS增大一倍。《半导体器件》中国计量学院光电学院当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂多子浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150~200)℃，对锗材料约为(75~100)℃。PN结二极管《半导体器件》中国计量学院光电学院二极管变容二极管整流二极管开关二极管稳压二极管发光二极管隧道二极管光电二极管……《半导体器件》中国计量学院光电学院PN结二极管《半导体器件》中国计量学院光电学院符号记忆二极管的正向导通是从P型指向N型，国际的标法是：三角形表示P型，横线是N型。二极管在0.7V以上的电压下电流可急剧移动，反向则无！也可以把三角形看做箭头，箭头所指的方向，就是传统的电流方向。《半导体器件》中国计量学院光电学院一个PN结，N型区接地，P型区加电压V，从P区流向N区的电流I可以表示为(1)qVkTsIIe《半导体器件》中国计量学院光电学院正向偏压的接线方式电压源的正极要经过一个限流电阻，再连接到二极管的阳极。正向电流从阳极流向阴极。正向电压降VF是因为自建势垒的存在。《半导体器件》中国计量学院光电学院反向偏压的接线方式电压源的负极经过线路连接到二极管的阳极。电压源的正极接到二极管的阴极。反向偏压通常不需要限流电阻，图中为了线路的一致性，仍然绘出。反向电流可以忽略。整个线路的偏压均消耗在二极管上。理想的二极管模型理想的二极管模型为一个简单的开关《半导体器件》中国计量学院光电学院对二极管加正向偏压，即为闭合的开关《半导体器件》中国计量学院光电学院对二极管加反向偏压，则为断路的开关《半导体器件》中国计量学院光电学院理想二极管的I-V曲线理想的二极管模型，自建电势、正向动态阻抗、反向电流均忽略不计。理想的二极管不会造成电压降：VF=0V正向电流IF由所施加的偏压值和限流电阻决定，遵循欧姆定律：IF=VBIAS/RLIMIT反向电流忽略，假设为零，即IR=0A反向电压等于所加偏压的电压值，VR=VBIAS《半导体器件》中国计量学院光电学院理想二极管的I-V曲线如此简单的模型，什么时候适用呢？《半导体器件》中国计量学院光电学院理想二极管模型的用处在进行故障检修时寻找线路的工作状况时当不需要考虑电压和电流的精确值时——用理想二极管模型在反向偏压下，理想二极管可视为开路，而在正向偏压下，视为短路。实际的二极管模型实际的二极管模型是将自建电势加入理想的开关模型《半导体器件》中国计量学院光电学院实际的二极管模型二极管处于正向偏压时，等于一个闭合的开关再串联一个很小的等效电压源，电压源的电压等于自建电势0.7V，并将电压源的正极接到二极管的阳极。等效电压源代表二极管在正向偏压下，在PN结上产生的固定电压降VF，并非主动电压源。正向偏压《半导体器件》中国计量学院光电学院实际的二极管模型处于反向偏压时，等于一个开路的开关，如同理想模型。自建势垒并不会影响反向偏压，不予考虑。反向偏压《半导体器件》中国计量学院光电学院实际二极管模型的I-V特性考虑自建电势，但不考虑动态阻抗。因此假设在正向偏压下，二极管本身即拥有电压降，即曲线向原点右方平移：VF=0.7V正向电流可用基尔霍夫电压定律计算。反向电流与电压同理想模型。《半导体器件》中国计量学院光电学院0LIMITLIMITBIASFRRFLIMITVVVVIRBIASFFLIMITVVIR《半导体器件