半导体器件物理 施敏 第二版

第4章PN结4.1基本工艺步骤4.2热平衡状态4.3耗尽层4.4耗尽层势垒电容4.5电流-电压特性4.6电荷储存与暂态响应4.7结击穿4.8异质结本章主题电特性和物理特性上p-n结的形成在偏压下，结耗尽层的特性电流在p-n结的输运，产生及复合对其的影响p-n结的电荷储存对其暂态响应的影响发生在p-n结的雪崩倍增及其对最大反向电压的影响异质结及其基本特性4.1基本工艺步骤•PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界•PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件•基本工艺步骤1氧化2图形曝光3扩散和离子注入4金属化4.2热平衡状态p-n结：整流性VBI/mAv/V反向击穿正向导通能带图pnECECEFEFEVEV形成结前均匀掺杂p和n半导体pn+++---EECEC漂移扩散EFEFEVEV扩散漂移热平衡时，在耗尽区电场p-n结能带图平衡费米能级开始，N区中存在高浓度的电子，P区中存在高浓度的空穴。然后，载流子互相扩散，分别留下ND+和NA-。这样一来，产生了一个电场BJ阻止它们的继续扩散。在平衡态，扩散=漂移,BJ=常数电荷和电势分布满足Poisson方程：22,()ssDAsdqNNpndxpnBJ++++----内建电势内建电势概念在热平衡时p型和n型中性区的总静电势差2lnDAnpiNNkTVbiqn注意：PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度空间电荷由中性区移动到结会遇到一窄小的过度区，这些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿，越过了过度区，进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区在p=n=022ADsdqNNdx（）两个重要列子1突变结2线性缓变结4.3耗尽区4.3.1突变结电场电势分布耗尽层近似假定：ND，NA是常数耗尽层近似Possion方程耗尽层近似)()(nsDsDmxxqNxqNExE总耗尽层宽度为：N区有：P区：mnpxxx)()(psAxxqNdxdxE电场随x线性变化，在x=0时达最大值：mDAAnmDADpxNNNxxNNNxsnDspAmxqNxqNE电势分布P-N和P+N结耗尽层宽度121222SADmBJAmBJASADNNxVVqqVVNNADADNNNN单边突变结相关公式在P+N结中，NAND,xpxn1212212SmBJADmDBJASxVVqNqNVV在n+p结，NDNA,XnXp1212212SmBJAAmABJASxVVqNqNVV4.3.2线性缓变结线性缓变结相关公式热平衡时，Possion方程2222SSSddEqwwaxxdxdx，电场为22/22SWxqaEx（）在x=0处，最大电场为28mSqawE内建电势32ln122bisiqawkTawVqn耗尽区宽度1312sbiVwqa4.4耗尽层势垒电容单位面积耗尽层势垒电容定义QQSJQSddCddvWW（其中dQ是外加偏压变化dv时，单位面积耗尽层的增量）冶金结ppnV+dvwSxdQ0dvdE=dQ/sa图B图C图反向偏压下任意杂质p-n结空间电荷随外加偏压的影响相对应的电场分布变化两种结势垒电容公式单边突变结线性缓变结221biJSBVVCqN（）12312SjbiqaCVV（）变容器许多电路应用p-n结在反向偏压电压变化特性，达此目的的p-n结称为变容器反向偏压势垒电容nnJbiRRbiJRCVVVVCV（当时，）其中对线性缓变结n=1/3，突变结n=1/2，超突变结n1/2电压灵敏度：超突变结突变结线性缓变结p+nVR超突变结m=-3/2线性缓变结m=1突变结m=0三种结的杂质分布耗尽区宽度和反向偏压的关系w（VR）1/（m+2）1/2mSJRCVW（）4.5电流电压特性理想电流电压特性基于如下假设1耗尽区为突变边界，边界之外为电中性2在边界的载流子浓度和静电电势有关3小注入情况，（在中性区边界，多数载流子因加上偏压改变的量可忽略）4在耗尽区内无产生和复合电流，空穴电子为常数4.5.1理想情况耗尽区边界的少数载流子浓度00expexpppnnqVnnkTqVppkT（）（）总电流是常数001]PnnnpPnSPnJJxJqDnqDpJLLpSqv（）（-x）=J[exp（）kT022pdxpdEdxpdDpp稳态连续方程：上式称为理想二极管方程式JS是饱和电流密度，理想电流-电压特性如图J/JSqvkT正向偏压反向偏压直角坐标半对数坐标qvkT正向偏压反向偏压4.5.2产生复合与大注入影响在反向偏压下，在耗尽区产生电流，w为耗尽区宽度0wigengqnWJqGdx总反向电流2iiPRPDgnqnWDJqN产生复合与大注入影响正向偏压2expnniqvpnnkT（）20[exp1]2costhtiitnniqvvNnkTUEEnpnkT（）产生复合与大注入影响Et=Ei时20[exp1]2ithtnniqvnkTUvNnpn（）当exp2nniqvpnnkT（）20[exp1]2[exp1]2imaxthtiqvnkTUvNqvnkT（）（）产生复合与大注入影响对于v3kT/qmax01exp22thtiqvUvNnkT（）复合电流exp22irecrrqWnqvJkT（）（复合寿命）expqvJFkT（）为理想系数串联电阻和大注人效应expexp[]expSSqvIqvIRkTIIkT（）（）qIR（）kT串联大注入在n端pn=nnexp2qvnikT（）电流正比于exp2qvkT（）增长较缓慢4.5.3温度影响扩散和复合产生电流大小和温度有关exp2IEgqvIkT扩散（）复合硅二极管I，V和温度的关系正向偏压反向偏压2251751257525VF/VVR/V2251751257525对于一扩散电流占优势的单边p+-n，饱和电流密度JS和温度关系20expgPnSiPEqDpJnLkT对p+-n结在反向偏压niLpI扩散产生INWDgP4.6电荷储存与暂态效应少数载流子的储存02exp1PPnPPPnpPnPqvQqLpkTLQJxJxD扩散电容概念当结处于正向偏压，中性区储存电荷的重新排列，对结电容会产生附加电容20expPndAqLpqvCkTkT（）理想二极管电导GSqAqIGJJkTkTP-N结小信号等效电路VIICdCjG暂态响应+-VFI基本开关电路-+VRIFIRtoff0.1IR由正向偏压到反向暂态响应FPPPPPFoffPRaveRaveIQJAQAItII，，4.7PN结的电击穿•击穿机制：–雪崩击穿–隧道击穿1,1111,111,32npnpnpxxxxxxdxdxmMmmmmdxm一载流子产生雪崩击穿条件雪崩击穿通用公式单边突变结线性缓变结硅扩散结的雪崩击穿电压判断条件考虑边缘效应的通用公式隧道击穿隧道穿透几率P：隧道长度:隧道击穿:VB4Eg/q雪崩击穿：VB6Eg/q4.8异质结不同材料组成的结ECEC1EF1EVqx1q1Sqx1q2SEg2EC2EF2EV2EV1真空能级两个分离半导体能带图异质结vbiVb2Vb1xqx2q1SECqx2q2SEC1EF1EC2EF2EV2Eg2Vb2EVEV1Eg1Vb1X1X2热平衡时，理想p-n异质结能带图两个假设1热平衡界面两端费米能级相同2真空能级必须连续，且平行于能带边缘总内建电势12bibbVVV221bibNVVV1122（）N+N1121122bibNVVVNN（）耗尽区宽度12211112212122112222bibiNVVxqNNNNVVxqNNN（）（）（）（）作业51画出pn结在零偏、正偏和反偏时的能带图2P124：3(a)(c);4;5；7P1249；11；12作业4作业61什么是耗尽区势垒电容、扩散电容？2什么是耗尽区产生-复合电流？3什么是隧道效应、雪崩效应？4为什么理想pn结电流是少子扩散电流？5P125：15;16。