复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结

第五章结•平衡态PN结；•PN结的伏安特性；•PN结的电容；•PN结的击穿特性；•PN结二极管的开关特性；•金-半肖特基接触和欧姆接触；•异质结：半导体器件的基本结构－PN结、金半结和异质结PN结空间电荷区•由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动，载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区，该区域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度，有电离杂质产生的自建电场，阻止载流子进一步扩散。•在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流，平衡情况下净电流为零。空间电荷区的电场和电势普通物理讲过泊松方程00rrExdEEdx电场和空间电荷密度之间的关系是：，22200rrVxdVVdx电势和空间电荷密度分布之间的关系是：，只要知道空间电荷分布ρ就可以用泊松方程计算电场和电势分布，还可以计算出势垒高度和宽度。在耗尽层近似的情况下，空间电荷分布近似等于电离施主或受主的杂质浓度分布。平衡PN结能带图•空间电荷区内部各点不是电中性，但是整个空间电荷区正负电荷相等；•空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差；•热平衡情况下费米能级保持水平；•空间电荷区以外均匀掺杂，是电中性区。在该区域：导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。注意：P区电子的势能高于N区，空穴的势能正好相反，电势N区高于P。平衡PN结两边载流子浓度的关系TkqVppBDpnexp00TkqVnnBDnpexp000expFVVBEEpNkT0expCFCBEEnNkT2lnBDADikTNNVqnpp0nn0np0pn0XpXnXp(x)n(x)XpXnX耗尽层TkEEnxpBFiiexp)(0TkxqVpBp)(exp0当x=xn时V(x)=VDTkqVppBDpnexp00同理TkxqVnxnBp)(exp)(00TkqVnnBDnpexp00平衡PN结中载流子浓度分布正向电压下的窄势垒模型•势垒区（空间电荷区）很窄，势垒区两边边界处电子准费米能级保持水平；•势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载流子复合减少逐步趋于平衡，准费米能级趋向平衡费米能级。该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。从何入手计算伏安特性•假设理想情况包括：低掺杂的突变结、忽略势垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。•因为外电压全部加在势垒区，所以选择势垒区边界计算电流。•势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流，非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。•在忽略势垒区复合的情况下，势垒两边的非平衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。载流子流动情况nj漂nj扩nj扩pj扩pj扩pj漂ppnxnnpx外电场注意：图中j是粒子流密度而不是电流密度势垒两边的少子扩散流密度00expfppppBqVnxnnkT00expfnnnnBqVpxppkT0exp1fnnpnBqVDjnLkT0exp1pfpnpBDqVjpLkT电流密度和电压的关系()()nppnJJxJx1exp00TkqVnLDpLDqBfpnnnpp低压反向•上面的结果也适合于低压反向的情况还需要考虑的非理想因素•小电流：势垒复合（复合寿命）•大注入：扩散区电压降(双极扩散显著引起非平衡载流子空间电荷区电压降）•大电流密度：串连电阻（电中性区压降）•反偏压：势垒区产生（产生寿命）PN结电容•外加电压变化对空间电荷区充放电，称为势垒电容。对突变结，耗尽层近似（忽略空间电荷区载流子电荷的贡献）：•外加电压变化使扩散区非平衡载流子浓度变化的过程，称为扩散电容：1/202rTADDrADqdQNNCdVVVNNTDrx0DANN1/202DDAVVxqN2FnDDBqIdQCdVkT势垒宽度PN结雪崩击穿•强电场下载流子倍增：•对突变结，击穿电压：effcrBRNEqV202Ec=2~5105V/cm隧道击穿•反向电压使P区价带和N区导带重叠。•量子力学计算发生隧道效应的几率xEhmPgn2/12/12*238exp隧道二极管•PN结两边重掺杂,以致平衡态能带图P区价带顶和N区导带的重叠。二极管作为开关应用•连接示意图PN结二极管的开关特性•理想的开关在导通的时候开关的两端应该没有电压差，而断开的时后应该没有电流流过；从导通到截止或截止到导通的切换应该是和控制信号同步的；截止时能够承受高电压，导通时要能够承受大电流。•二极管有导通和截止两个状态，类似一个开关作用。但是它导通的时后两端有电压降，截止状态还有电流，状态的切换过程有一定的时间延迟，反向电压高了会击穿，导通电流大了会烧坏开关过程VbeViLViHtIbIb1tIb2pn+n+pb2反向电流I是储存的非平衡少数载流子被抽取的过程,也就是扩散电容的放电过程。（通常势垒电容的影响相对较小）正向少数载流子分布反向少数载流子分布二极管的正向压降•二极管作为开关应用还需要考虑正向电压。•二极管导通状态是大电流工作区，它的正向电压包括：结压降、非平衡载流子扩散区压降和电中性区体电阻压降。•理想结压降为：0ln1jkTIVqI影响二极管开关特性的因素•低掺杂区的掺杂浓度高：截止电流小、小电流正向阈值电压高而大电流时串联电阻压降小、击穿电压低、非平衡少子寿命短开关速度快。•低掺杂区厚度薄：大电流时串联电阻小、储存电荷少、开关速度快、如果比击穿电压时耗尽层宽度薄就会降低击穿电压。•缩短非平衡载流子寿命：提高开关速度、增大截止电流和增大正向压降。•增大结面积：增大工作电流、降低开关速度。金－半肖特基结•平衡能带图（WmWs）WmWsn型p型反阻挡层反阻挡层伏安特性•电子发射理论：•没有非平衡载流子，也就没有扩散电容，所以开关速度快；•阈值电压低；•反向漏电流大，击穿电压低。*2()expexp1nsJVATqkTqVkTexp1STJqVkTA*=120(mn*/m0)Acm-2K-2表面能级•半导体表面存在悬挂键，有表面态。•表面态中载流子分布也可以用费米能级表示它的填充水平。•平衡情况下表面和体内有统一的费米能级。•在表面态密度很大的时，金属和半导体接触的表面势取决于表面态的费米能级位置和金属功函数无关。镜象效应和隧道效应•镜象效应•隧道效应平衡异质结能带图应用举例•提高发射系数：12102012exp1pfnnppnDqVDjqpnLLkT211101expginDEnpNkT222202expgipAEnnNkT21expggnpEEjjkTHEMT迁移率高低温工作•高电子迁移率晶体管重点内容•E-k能带图(本征特性)，E能带图（均匀半导体杂质缺陷能级），E-x能带图（非均匀半导体，包括同质结、异质结等。常见于半导体器件中）•平衡态：电子、空穴费米能级统一、水平。•势垒电容和扩散电容的表达式。•理想PN结伏安特性、成立的条件及实际非理想因素影响。•隧道击穿和雪崩击穿的机制及发生的条件。•提高PN结二极管开关特性的途径。•金－半肖特基二极管的突出优点：正向阈值电压低、没有非平衡载流子储存效应（没有扩散电容）。•采用异质PN结提高发射系数的原理。•用二维电子气制造高电子迁移率晶体管的突出优点：减少散射、可在低温下工作。习题•试用窄势垒模型推导出PN结的伏安特性：•以上结果成立的条件有那些？对N+P结上式可以简化成？•如果N区足够厚，那么势垒边界非平衡空穴的扩散电流密度应该和N区非平衡空穴的复合率有关，试利用该关系计算扩散电流密度。•试比较PN结、金－半结、异质结。)()()(npnnnxJxJxJ1exp00TkqVnLDpLDqBfpnnnpp