半导体器件原理

辽宁大学物理学院学院课程论文PN节课程名称半导体器件原理姓名宁渊博班级电子科学与技术一班学号1310021372016年05月28日0目录摘要………………………………………………………1pn结…………………………………………………………11pn结的平衡状态…………………………………………………………12pn结的直流电流电压方程…………………………………………………………23准费米能级与大注入效应…………………………………………………………64pn结的击穿…………………………………………………………85pn结的势垒电容与扩散电容…………………………………………………………91PN节[摘要]在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上，用合金法、扩散法、外延法或离子注入法等掺入P型（或N型）杂质，这时，单晶片内既存在N型区也存在P型区，在P型与N型的交界面处便形成PN结。PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础，PN结是构成各种半导体器件的基本单元。[关键词]半导体器件，杂质，基本单元一．pn结的平衡状态平衡状态：PN结内部的温度均匀稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。载流子的转移：p型半导体和n型半导体需要考虑的两个不同点即为：①功函数W不同；②主要（多数）载流子种类不同。因此，当p型半导体和n型半导体紧密结合而成的一个体系——p-n结时，为了达到热平衡状态（即无能量转移的动态平衡状态），就会出现载流子的转移：电子从功函数小的半导体发射到功函数大的半导体去，或者载流子从浓度大的一边扩散到浓度小的一边去。对于同质结而言，载流子的转移机理主要是浓度梯度所引起的扩散；对于异质结（例如Si-Ge异质结，金属-半导体接触）而言，载流子的转移机理则主要是功函数不同所引起的热发射。空间电荷和内建电场的产生：在p型半导体与n型半导体的接触边缘附近处（即冶金学界面附近处），当有空穴从p型半导体扩散到n型半导体一边去了之后，就在n型半导体中增加了正电荷，同时在p型半导体中减少了正电荷，从而也就在p型半导体中留下了不能移动的电离受主中心——负离子中心；与此同时，当有电子从n型半导体扩散到p型半导体一边去了之后，就在p型半导体中增加了负电荷，同时在n型半导体中减少了负电2荷，从而也就在n型半导体中留下了不能移动的电离施主中心——正离子中心。这就意味着，在p型半导体一边多出了负电荷（由电离受主中心和电子所提供），在n型半导体一边多出了正电荷（由电离施主中心和空穴所提供），这些由电离杂质中心和载流子所提供的多余电荷即称为空间电荷，它们都局限于接触边缘附近处，以电偶极层的形式存在。由于在两种半导体接触边缘的附近处存在着正、负空间电荷分列两边的偶极层，所以就产生出一个从n型半导体指向p型半导体的电场——内建电场。在此，内建电场仅局限于空间电荷区范围以内，在空间电荷区以外都是不存在电场的电中性区。p-n结的势垒和能带因为在p-n结界面附近处存在着内建电场，而该内建电场的方向正好是阻挡着空穴进一步从p型半导体扩散到n型半导体去，同时也阻挡着电子从n型半导体进一步扩散到p型半导体去。于是从能量上来看，由于空间电荷-内建电场的出现，就使得电子在p型半导体一边的能量提高了，同时空穴在n型半导体一边的能量也提高了；而在界面附近处产生出了一个阻挡载流子进一步扩散的势垒——p-n结势垒。根据内建电场所引起的这种能量变化关系，即可画出p-n结的能带图。在达到热平衡之后，两边的Fermi能级（EF）是拉平（统一）的。能带的倾斜就表示着电场的存在。二．pn结的直流电流电压方程当p-n结两端有外加偏压作用时，p-n结处于非平衡状态，这时载流子的扩散电流不等于漂移电流，p-n结将流过与外加偏压相对于的电流。非平衡状态下的p-n结（1）正向电压VF作用p-n结的正向偏压是指p区接电源正极，n区接电源负极。势垒区是载流子的耗尽区，只有不可动的空间电荷区，所以势垒区是高阻区。而势垒区以外的p区和n区的载流子浓度很高，为低阻区。因此，外加电压几乎全部降落在势垒区，所产生的电场方向与p-n结自建场方向相反，削弱了自建电场，势垒区宽度也略有减小。势垒区电势差减小为。p-n结的能带也产生相应的变化，能带弯曲减小，势垒3区高度降低为。自建电场的减弱使载流子扩散运动加强，漂移运动减弱，因此，扩散电流大于漂移电流，从而形成了电子从n区到p区和空穴从p区到n区的净扩散电流。这将在各区势垒区边界处积累非平衡少子，非平衡少子由于浓度梯度向体内扩散，边扩散边复合，在几个少子扩散长度范围内消失。这样p-n结可分为中性区，扩散区和势垒区。流过p-n结的总电流密度，图1是电子电流Jn和空穴电流Jp的分布图，J首先为p区多子传导电流，在到达势垒区附近时与注入的非平衡电子复合逐渐转化为电子扩散电流，通过势垒区后成为空穴的扩散电流，随着n区非平衡空穴在扩散过程中的复合，空穴扩散电流又逐渐转化为n区多子电子传导电流。根据电流连续性，在p-n结各处是恒定的。在和处，只存在扩散电流，若确定出p区和n区的非平衡少子浓度，就可以求出扩散电流和，从而得出p-n结的总电流密度。这正是推导p-n结电流电压方程所采用的方法。随着正偏VF的增加，势垒区边界处少子浓度梯度增加，导致和的增加，因此VF增加，正向电流J很快增大。（2）反向电压RV作用4反向偏压是指p-n结的n区接电源正极，p区接电源负极，反向电压几乎完全作用在势垒区上，反偏VR所产生的电场与自建电场方向相同，增强了势垒区电场，势垒区展宽，势垒区电压增加到VR+VD。p-n结能带也产生相应的变化。势垒区高度增加到q(VR+VD)，在反偏作用下，势垒区的强电场将势垒区两侧的少子所过势垒区，导致边界两侧的少子浓度低于平衡值或趋于零，形成的少子浓度梯度又使p区和n区体内的少子向势垒区扩散，到达势垒区后被强电场扫过势垒区形成p-n结的反向电流。反偏p-n结的载流子浓度分布和电流密度分布分别由图3和4给出。由于随反偏VR的增加，势垒区两侧的少子浓度很快下降为零。所以VR的继续增加，不会使反向电流增大，因此，在反偏压作用下，p-n结只产生很小的饱和电流。理想p-n结模型及其电流电压方程所谓理想p-n结模型是指满足下列条件的p-n结：（1）小注入条件，即n区和p区注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度。（2）突变结，耗尽层近似，即p-n结为突变结；空间电荷区内只有电离施主和受主，载流子浓度为零。（3）外加偏压全部作用在势垒区上，势垒区以外。（4）势垒区中非平衡载流子复合率为零，即不考虑势垒区的产生，复合。（5）载流子分布可用波尔兹曼分布描述，即在非简并情况下，进行分析。下面在以上理想条件下，推导p-n结电流电压方程，具体步骤是：首先利用一维连续性方程及边界条件；求解非平衡少子浓度分布，然后，利用5电流密度方程求出和，两者之和即为p-n结电流电压方程。首先建立一维坐标系，p区侧势垒区边界；n区势垒区边界。对于n区空穴，在稳态下，一维稳态连续性方程(1)又条件（3），即代入（1）得(2)其中同理对于p区电子，有(3)其中（2）和（3）均为稳态扩散方程，要求解方程还必须确定边界条件。因为上两式相乘可得6当时，又，代入上式因为，所以上式化为利用上式在远离势垒区的n区内部，注入的非平衡空穴将因复合而消失，即（5）和（6）为方程（2）的边界条件。同理对于p区电子方程（2）的解为其中空穴扩散长度，A和B为常数，由边界条件确定。由（6），代入表达式（9）得B=0，再利用（9）和（5）可得，代入（9）得由电流密度方程，n区空穴扩散电流密度7（11）同样，利用边界条件（7）和（8，对（3）求解，得空穴扩散电流这时流过p-n结的总电流密度上式就是理想p-n结的电流电压方程。正向电压作用时，，其中称为反向饱和电流。反向电压作用时，V0,三．准费米能级与大注入效应1.准费米能级在非平衡情形，不存在统一的费米能级，但同一种粒子在同一地点的能量分布仍与费米分布函数形式相同，为了能用类似描述平外加正向电压时的PN结能带图8衡状态的公式来描述非平衡状态的载流子浓度分布，引入了准费米能级的概念。设EFp与EFn分别为空穴与电子的准费米能级，且均可随x而变化，则非平衡状态时的空穴和电子浓度仍可表示为iFpiFnii()()exp()()expExExpxnkTExExnxnkT耗尽区中两种准费米能级之差为FnFp()()ExExqV，因此FnFp2i2i()()expexpExExnxpxnkTqVnkT耗尽区中,FnFp,0EEqVV这个差值就是势垒高度比平衡时降低的数值.在欧姆接触电极附近电子和空穴有统一的费米能级，加正向电压后，N区能带相对平衡时上移，费米能级也上移，上移高度为qV，所以FnFp()()ExExqV耗尽区中同样有FnFp,0EEqVV这个差值就是势垒高度比平衡时增高的数值。2.大注入效应小注入条件与大注入条件:PN结在正向电压下，势垒区的两侧均有非平衡少子注入。以N区为例，当有pn注入时，由于静电感应作用，在N区会出现相同数量的nn以使该区仍保持大体上的电中性。小注入条件：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远小于该区的平衡多子浓度。外加反向电压时的PN结能带图N区少子N区多子且nn0nnn0npppnnnnnnp9大注入条件：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于该区的平衡多子浓度。大注入条件下的自建电场:当N区发生大注入时，在耗尽区附近的N区中有nn=pn，但由于电子不可能象空穴那样从P区得到补充，所以电子的浓度梯度将略小于空穴的浓度梯度。电荷在空间上的分离形成了一个电场E，它使空穴向右作漂移运动，加强了原有的扩散运动；同时使电子向左作漂移运动，抵消了原有的扩散运动。四．pn结的击穿当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加，这种现象称为PN结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压，PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。1.雪崩击穿阻挡层中的载流子漂移速度随内建电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对，新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子—空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，像雪崩一样。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。2、齐纳击穿当PN结两边掺杂浓度很高时，阻挡层很薄，不易产生碰撞电离，但当加不大的反向电压时，阻挡层中的电场很强，足以把中性原子中的价电子直接从共价键中拉出来，产生新的自由电子—空穴对，这个过程称为场致激发。一般击穿电压在6V以下是齐纳击穿，在6V以上是雪崩击穿。3、击穿电压的温度特性温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能发生雪崩击穿具有正的温度系数，但温度升高，共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系10数。6V左右两种击穿将会同时发生，击穿电压的温度系数趋于零。4、稳压二极管PN结一旦击穿后，尽管反向电流急剧变化，但其端电压几乎不变（近似为V(BR)，只要限制它的反向电流，PN结就不会烧坏，利用这一特性可制成稳压二极管，其主要参数有：VZ、Izmin、Iz、Izmax，但温度升高，共价键中的价电子能量状态高，从而齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负的温度系数。6V左右两种击穿将会同时发生，击穿电压的温度系数趋于零五．pn结的势垒电容与扩散电容PN结除具有非线性电阻特性外，还具有非线性电容特性，主要有势垒电容和扩散电容。1、势垒电容势垒区类似平板电容器，其交界两侧存储着数值相等极性相反的离子电荷，电荷量随外加电压而变化，称为势垒电容，用CT表示。CT=-dQ/dVPN结有突变结和缓变结，现考虑