功率半导体第2讲(北工大)

功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD讲座内容第1讲半导体物理基础知识第2讲p-n结第3讲p-i-n功率二极管第4讲功率器件的耐压结构第5讲功率BJT第6讲晶闸管、GTO和IGCT第7讲功率MOSFET第8讲绝缘栅双极晶体管IGBT第9讲工艺、封装、可靠性和坚固性问题第10讲宽禁带功率半导体器件1功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD回顾及引申(载流子：电子、空穴)本征半导体中，载流子来源于最外层价电子如硅，来源于3s2和3p2电子电子是挣脱了共价键“束缚”，但又受晶格周期势场影响的价电子空穴对应的是“束缚”在共价键内的价电子故所处的能带叫价带掺杂半导体中，在器件工作温区内，载流子也跟杂质原子的价电子和共价键相关2ConductionBandValanceBand功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD回顾及引申(热平衡、本征)热平衡载流子𝒏𝟎=𝑵𝑪𝐞𝐱𝐩−𝑬𝑪−𝑬𝑭𝒌𝑻𝒑𝟎=𝑵𝑽𝐞𝐱𝐩−𝑬𝑭−𝑬𝑽𝒌𝑻结合ni,Ei的表达式还可以改写为𝒏𝟎=𝒏𝒊𝐞𝐱𝐩𝑬𝑭−𝑬𝒊𝒌𝑻𝒑𝟎=𝒏𝒊𝐞𝐱𝐩𝑬𝒊−𝑬𝑭𝒌𝑻n0,p0可视作对ni的放大或衰减，其系数取决于EF−Eini,Ei𝒏𝒊=𝒏𝟎⋅𝒑𝟎=𝑵𝑪𝑵𝑽𝐞𝐱𝐩−𝑬𝒈𝟐𝒌𝑻𝑬𝒊=𝑬𝑪+𝑬𝑽𝟐+𝒌𝑻𝟐𝐥𝐧𝑵𝑽𝑵𝑪它们不仅仅是本征情况下的值，还是材料的特征参数非本征(掺杂)材料，也有与本征材料相同的ni和Ei3功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD回顾及引申(基本方程)电流输运方程𝑱𝒏=𝒏𝒒𝝁𝒏𝓔+𝒒𝑫𝒏𝒏;𝑱𝒑=𝒑𝒒𝝁𝒑𝓔−𝒒𝑫𝒑𝒑一维形式𝑱𝒏=𝒏𝒒𝝁𝒏𝓔+𝒒𝑫𝒏(𝒅𝒏/𝒅𝒙);𝑱𝒑=𝒑𝒒𝝁𝒑𝓔−𝒒𝑫𝒑(𝒅𝒑/𝒅𝒙)连续性方程𝝏𝒏𝝏𝒕=+𝟏𝒒⋅𝑱𝒏+𝑮𝒏−𝑹𝒏𝝏𝒑𝝏𝒕=−𝟏𝒒∙𝑱𝒑+𝑮𝒑−𝑹𝒑一维形式𝝏𝒏𝝏𝒕=+𝝁𝒏𝒏𝝏𝓔𝝏𝒙+𝝁𝒏𝓔𝝏𝒏𝝏𝒙+𝑫𝒏𝝏𝟐𝒏𝝏𝒙𝟐+𝑮𝒏−𝚫𝒏𝝉𝝏𝒑𝝏𝒕=−𝝁𝒑𝒑𝝏𝓔𝝏𝒙−𝝁𝒑𝓔𝝏𝒑𝝏𝒙+𝑫𝒑𝝏𝟐𝒑𝝏𝒙𝟐+𝑮𝒑−𝚫𝒑𝝉泊松方程𝟐𝑽=−⋅𝓔=−𝝆/𝝐=−𝒒(𝒑−𝒏+𝑵𝑫−𝑵𝑨)/𝝐一维形式𝒅𝟐𝑽/𝒅𝒙𝟐=−𝒅𝓔/𝒅𝒙=−𝒒(𝒑−𝒏+𝑵𝑫−𝑵𝑨)/𝝐4(附加)产生率超出热(平衡)产生的额外产生(净)复合率超出热(平衡)产生的复合功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD回顾及引申(内建电场、能带弯斜)内建电场假设有一块非均匀半导体，因载流子有浓度差，会出现Jdiff同时必会产生内建电场，形成与Jdiff相抵消的Jdrift如n型，离开的电子(带负电)会与留下杂质离子(带正电)之间形成电场使热平衡下Jtot=0能带的倾斜或弯曲半导体内存在电场ℰ时发生，如右图无论是外加还是内建电场，都会引起𝓔=−𝒅𝑽𝒅𝒙=−𝒅𝑬−𝒒𝒅𝒙=𝟏𝒒𝒅𝑬𝒅𝒙=𝟏𝒒𝒅𝑬𝑪𝒅𝒙=𝟏𝒒𝒅𝑬𝑽𝒅𝒙=𝟏𝒒𝒅𝑬𝒊𝒅𝒙注意：电位高处能带(电子能量)低，电位低处能带高5ECEiEVΔE=qVbiℰ功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD回顾及引申(费米能级)费米能级EF表征热平衡条件下电子填充能级的水平按统计物理，EF亦即化学势，处于热平衡的电子系统必有统一的化学势或EF对于均匀半导体这一点很容易理解对于非均匀半导体，利用热平衡条件下电流Jtot=0，并结合其他已学过的关系式也可以证明这一点前页图中的费米能级应如右图EF处处相等EF位于Ei上方说明是n型，且EF离EC越近，掺杂浓度越高故图中电子会向左扩散，自建电场也指向左方6ECEiEVΔE=qVbiℰEF功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD回顾及引申(准费米能级)非平衡状态下，np≠ni2，费米分布不再满足此时可以认为，电子和空穴具有各自的准费米能级EFn、EFp，以各自满足费米分布就是说非平衡条件下，原先热平衡下统一的EF会“分裂”为EFn和EFp2个准费米能级，计算浓度时各自代入准EF可以证明：𝑱𝒏=𝒏𝒒𝝁𝒏𝓔+𝒒𝑫𝒏𝒏=𝒏𝝁𝒏𝑬𝑭𝒏𝑱𝒑=𝒑𝒒𝝁𝒑𝓔−𝒒𝑫𝒑𝒑=𝒑𝝁𝒑𝑬𝑭𝒑此即广义欧姆定律7ECEFEVECEFnEFpEVECEFnEFpEV小注入𝚫𝒏=𝚫𝒑≪𝑵𝑫大注入𝚫𝒏=𝚫𝒑≫𝑵𝑫热平衡功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD回顾及引申(杂质补偿)同时存在施主和受主杂质，EA位于ED之下ED上的电子将先填补EA上的电子空位余下的施主或受主才向导或价带提供电子或空穴施主与受主相互“抵消”，称作杂质补偿作用NDNAn型半导体NANDp型半导体在强电离区(非本征区)计算n0、p0时只需用ND与NA之差代替ND或NA代入相关公式即可在弱电离区(冻结区)和高温本征区计算变得复杂些，不赘述计算迁移率时，需按ND+NA而不是|ND−NA|考虑实际工艺中杂质补偿很常见，如向n型衬底扩硼，形成p区8ECEDEAEVNDNAECEDEAEVNAND功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD回顾及引申(能量尺度)讨论能量间隔或差值，说二者之差很大或很小时，需要一个度量的尺度这个尺度就是kTkT与电子热运动能量具有相同的量级，而统计物理的分析跟热运动密切相关，所以kT常出现在e指数的分母中e指数中分子的值若等于3kT，e指数的运结果就是20，即所引起的增量为1个数量级强，可知计算结果对kT的变化很敏感所以讨论时，常说某份能量≫或≪kT，以此作为分界线例如，常温下kT=0.026eV常见杂质的ED或EA到EC或EV的距离在3kT以内，故称浅能级深能级的距离则≫kT9功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD讲座内容第1讲半导体物理基础知识第2讲p-n结第3讲p-i-n功率二极管第4讲功率器件的耐压结构第5讲功率BJT第6讲晶闸管、GTO和IGCT第7讲功率MOSFET第8讲绝缘栅双极晶体管IGBT第9讲工艺、封装、可靠性和坚固性问题第10讲宽禁带功率半导体器件10功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD第2讲p-n结2.1p-n结内建电压2.2耗尽层(空间电荷区)2.3p-n结伏安特性2.4发射效率2.5真实p-n结11功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD2.1p-n结内建电压一块n型半导体和一块p型半导体接触n区中n0高，会有电子向p区扩散，并留下带正电施主杂质离子p区中p0高，会有空穴向n区扩散，并留下带负电受主杂质离子留下的正负杂质离子之间会形成内建电场，其n指向p的方向刚好能够拉回扩散走的电子和空穴当Jdiff=−Jdrift时，Jtot=0，系统进入到热平衡状态12⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕p漂移流扩散流npnSCRℰ⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD接触前，若假定p区n区的EC、EV、Ei对齐，则二者的EF不在同一水平接触后，内建电场会造成能带弯曲且热平衡时，整个半导体的EF应相同因此形成如下能带图，并由此可计算出内建电压Vbibuilt-involtage13ECEiEFEVp区ECEFEiEVn区功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSDVbi的计算Vbi对应一个势能落差qVbi，称为势垒14𝒒𝑽𝒃𝒊=𝑬𝒊−𝑬𝑭𝐩−𝐬𝐢𝐝𝐞+𝑬𝑭−𝑬𝒊𝐧−𝐬𝐢𝐝𝐞𝒑=𝒏𝒊𝐞𝐱𝐩𝑬𝒊−𝑬𝑭𝒌𝑻,𝒏=𝒏𝒊𝐞𝐱𝐩𝑬𝑭−𝑬𝒊𝒌𝑻𝒒𝑽𝒃𝒊=𝒌𝑻𝐥𝐧𝒑𝒑𝟎𝒏𝒊+𝒌𝑻𝒍𝒏𝒏𝒏𝟎𝒏𝒊=𝒌𝑻𝒍𝒏𝒑𝒑𝟎𝒏𝒏𝟎𝒏𝒊𝟐𝒑𝒑𝟎载流子类型p=空穴，n=电子0表示热平衡表示所在区域𝑽𝒃𝒊=𝒌𝑻𝒒𝐥𝐧𝑵𝑨𝑵𝑫𝒏𝒊𝟐功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD2.2耗尽层(空间电荷区)达到热平衡后，冶金结两侧各有一个带净电荷的区域，其中的杂质离子不能被空穴或电子中和，这两个区域叫空间电荷区(SCR:spacechargeregion)该区域内，由于空穴电子分别扩散到对面，所以浓度很低，与NA、ND相比可以忽略计算电场分布时，可近似认为它们全部耗尽，浓度为0这一近似下，SCR又叫耗尽区p型侧耗尽区内ρ=−qNAn型侧耗尽区内ρ=qND15⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕p漂移流扩散流npnSCRℰ⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖⊖功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD计算SCR内电场、电位分布的思路见图利用泊松方程并结合耗尽区边界处电场为零的边界条件……16功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD得到相关结果电场分布17𝓔𝒙=−𝒒𝑵𝑨𝜺𝒔𝒙−−𝒙𝒑𝐟𝐨𝐫−𝒙𝒑≤𝒙≤𝟎𝓔𝒙=+𝒒𝑵𝑫𝜺𝒔𝒙−𝒙𝒏𝐟𝐨𝐫−𝒙𝒑≤𝒙≤𝟎功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD相关结果(续)耗尽区宽度其中Vn-p是n区与p区的电位差代入Vbi可得零偏下的耗尽区宽度18𝑾=𝟐𝜺𝒔𝒒⋅𝑵𝑨+𝑵𝑫𝑵𝑨𝑵𝑫⋅𝑽𝒏−𝒑𝑾𝟎=𝟐𝜺𝒔𝒒⋅𝑵𝑨+𝑵𝑫𝑵𝑨𝑵𝑫⋅𝑽𝒃𝒊功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD2.3p-n结伏安特性正偏情况正偏电压VF与内建电压极性相反，Vn-p=Vbi−VF对内建电场有削弱作用，p-n结势垒降低空间电荷减少SCR比热平衡时变窄19𝑾=𝟐𝜺𝒔𝒒⋅𝑵𝑨+𝑵𝑫𝑵𝑨𝑵𝑫⋅(𝑽𝒃𝒊−𝑽𝑭)功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD正偏情况(续)内建电场被削弱，打破了扩散=漂移的平衡扩散漂移，形成净扩散电流20功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD21xn+Lp正偏情况(续)p区空穴和n区电子向对方的扩散就构成了载流子注入由于到达对方区域时其身份为少子，又称少子注入注入的少子会在SCR边界处积累，并向体内进一步扩散因扩散的同时会发生复合，故浓度会逐渐衰减注入的过剩少子会吸引来等量过剩多子与其达成准电中性(Δn≈Δp)n区内的空穴分布在耗尽区边界以外的n区内求解电流输运方程和连续性方程小注入情况下，得到空穴分布：𝒑𝒏𝒙=𝒑𝒏𝟎𝐞𝐱𝐩𝒒𝑽𝑭𝒌𝑻−𝟏𝐞𝐱𝐩−𝒙−𝒙𝒏𝑳𝒑+𝒑𝒏𝟎𝐟𝐨𝐫𝒙≥𝒙𝒏其中第一项就是𝚫𝒑𝒏部分；在边界处，它在VF作用下对热平衡pn0有一个指数系数放大，然后向右随距离增大呈指数衰减衰减常数𝑳𝒑=𝑫𝒑𝝉𝒑称为为空穴的扩散长度功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD正偏情况(续)同理，可求出p区内电子分布𝒏𝒑𝒙=𝒏𝒑𝟎𝐞𝐱𝐩𝒒𝑽𝑭𝒌𝑻−𝟏𝐞𝐱𝐩𝒙+𝒙𝒑𝑳𝒏+𝒏𝒑𝟎𝐟𝐨𝐫𝒙≤−𝒙𝒑并定义电子扩散长度𝑳𝒏=𝑫𝒏𝝉𝒏由各区少子分布，可求得边界处少子的正向扩散电流𝒋𝒑𝒙𝒏=𝒒𝑫𝒑𝒑𝒏𝟎𝑳𝒑𝐞𝐱𝐩𝒒𝑽𝑭𝒌𝑻−𝟏,𝒋𝒏−𝒙𝒑=𝒒𝑫𝒏𝒏𝒑𝟎𝑳𝒏𝐞𝐱𝐩𝒒𝑽𝑭𝒌𝑻−𝟏总电流𝒋=𝒋𝐩(𝒙𝒏)+𝒋𝒏(−𝒙𝒑)=𝒒𝑫𝒑𝒑𝒏𝟎𝑳𝒑+𝒒𝑫𝒏𝒏𝒑𝟎𝑳𝒏𝐞𝐱𝐩𝒒𝑽𝑭𝒌𝑻−𝟏22xn+Lp−(xp+Ln)功率半导体器件概论第2讲p-n结LPSD反偏情况反偏VR下