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固态电子器件SolidStateElectronicDevices教材：张鹤鸣张玉明曹全喜课程内容Ch1pn结二极管Ch2双极型晶体管Ch3JFET与MESFETCh4MISFETCh5电力电子器件Ch6CCD器件Ch7LED器件Ch8光电探测器Ch9半导体太阳电池Ch10片式元器件电子器件光子器件无源器件3第一章pn结二极管§1.1pn结基本物理特性§1.2pn结基本电学特性§1.3异质结§1.4pn结二极管引言※二极管：具有某种电学功能的二端器件。从二极管的结构划分，可分为pn结二极管，金属-半导体接触二极管(肖特基二极管)和金属-氧化物-半导体二极管(MOS二极管)等本章主要讨论由pn结构成的二极管※pn结：所谓pn结，是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的p型和n型区，那么p型区和n型区的界面及其二侧载流子发生变化范围的区域称为pn结※pn结的形成：形成pn结的技术有多种，目前采用的主要有○离子注入、扩散○化学气相淀积○硅片直接键合等技术●离子注入、扩散技术●化学气相淀积技术（ChemicalVaporDeposition--CVD)●硅片直接键合技术(SiliconDirectBonding--SDB)氧化光刻注入或扩散P-SiP-Sin-SiPn结P-Sin-SiPn结二极管注：横向扩散是纵向0.8倍P-Si施主P-SiAPCVD（常压汽相外延）MBE（分子束外延），等P-SiP-SiN型P-Sin-SiP-Sin-Si化学处理高温处理※pn结掺杂分布○均匀分布：pn结界面二侧p型和n型区杂质浓度均匀分布—突变结○缓变分布：杂质浓度从界面向二侧逐渐提高—缓变结均匀分布缓变分布※常用概念○pn结结深--pn结材料表面到pn结界面的距离，用xj表示。○单边突变结—对于突变结，若p型区掺杂浓度远高于n型区掺杂浓度，或反之，则将该pn结称为单边突变结。如果：ＮＡ＞＞ＮＤ，用p＋n表示；ＮＤ＞＞ＮＡ，用pn＋表示。○线性缓变结--对于缓变结，若结深附近杂质浓度的分布梯度可以用线性近似，则称为线性缓变结，即dN(x)/dx|x=xj=C★理论上为分析问题简单方便，通常将pn结按突变结或线性缓变结近似处理。※同质pn结(同质结)--p区和n区是同一种半导体材料(p区与n区禁带宽度相同)。目前，应用最广泛的Si器件及集成电路是同质结结构。※异质pn结(异质结)--p区和n区是二种不同的半导体材料(p区与n区禁带宽度不同)。目前，发展和应用的GaAs基与SiGe/Si器件及集成电路是异质结结构。异质结特殊的物理性能构成了高速半导体器件与集成电路的基础。本章及本教材将对异质pn结及器件专门讨论，其余将只涉及同质pn结。§1.1pn结基本物理特性1.1.1平衡pn结平衡pn结是指不受电、光、热、磁等各种外界因素作用与影响的pn结。※基本特征：形成空间电荷区，产生自建电场，形成接触电势差，能带结构变化。一、空间电荷区与自建电场形成(以突变结为例)物理过程：1.Pp(NA)＞＞Pn，nn(ND)＞＞np；2.p区和n区多子分别向对方扩散；3.界面p区侧留下固定离化受主负电荷，n区侧留下固定的离化施主正电荷；该正负电荷称为空间电荷，存在正负空间电荷的区域称为空间电荷区。4.正--负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场；5.自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；6.随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;7.电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形成稳定分布。8.电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等。ppnpnnpn一、空间电荷区与自建电场形成(以突变结为例)1.Pp(NA)＞＞Pn，nn(ND)＞＞np；2.p区和n区多子分别向对方扩散；3.界面p区侧留下固定离化受主负电荷，n区侧留下固定的离化施主正电荷；该正负电荷称为空间电荷，存在正负空间电荷的区域称为空间电荷区。4.正--负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场；5.自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；6.随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;7.电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形成稳定分布。8.电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等。ppnpnnpn二、接触电位差与载流子分布A.自建电场:由空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零，则可求出平衡pn结自建电场。对于空穴流密度有Jpµ-空穴漂移流密度；JpD-空穴扩散流密度；µp-空穴迁移率；Dp-空穴扩散系数；P(x)-空间电荷区内空穴浓度分布。那么自建电场利用空间电荷区内电子流密度得到同样形式的自建电场强度表达式。0dx)x(dppqD)x()x(ppqpDJpJpJdx)x(dP)x(P1qKT)x（B.接触电位差自建电场的存在，在pn结空间电荷区内产生了由p区侧负电荷区到n区侧正电荷区逐渐上升的电位分布，使中性n区形成了一个相对于中性p区为正的电位差，该电位差称为pn结接触电位差，用ＶＤ表示。在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达式积分即可得到接触电位差pnnpxxDnnlnqKTpplnqKTdx)x(VnpC.能带结构孤立p区和n区能带结构如下图空间电荷区自建电场的存在，形成从中性p区到中性n区逐渐上升的电位。使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到n区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为ψ(x)，那么ψ(x)、能带结构如图示EFnEFpEipEinψ(x)P区N区qVDVD-xp-xnEi(x)EipEin费米能级:对于平衡pn结，只要确定费米能级位置，则可得到其能带结构。设ψ(-xp)=0，有Ei(x)=Eip―qψ(x)式中Eip为中性p区本征费米能级，对上式微分有)x(dx)x(ddx)x(dEq1iKTE)x(Eexpn)x(pFii利用上式及0dxdE)x(pdxdEdx)x(dEq1dx)x(dEq1)x(pqJFPFiiPP0pDJpJpJ及有即0dxdEF上式表明平衡pn结费米能级处处相等。由此可得到平衡pn结能带结构如图所示D.空间电荷区载流子分布基于半导体物理知识，空间电荷区内任一点x处空穴和电子的浓度分布分别为KT)x(qpFipiFiiepKT)x(qexpKTEEexpnKTE)x(Eexpn)xp（KT)x(qpipFiiFienKT)x(qexpKTEEexpnKT)x(EEexpn)xn（利用：Ei(x)=Eip―qψ(x)上式相乘，有2iKT/)x(qPKT/)x(qpnenep)x(n)x(p该式说明平衡pn结空间电荷区内电子和空穴浓度的积与中性区一样，仍为本征载流子浓度的平方。E.耗尽层近似空间电荷区内电子和空穴的浓度分布如上图所示。但是在后续章节中常采用耗尽近似，即认为电子和空穴浓度在空间电荷区边界之内突变为零。空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布，在边界内侧下降极为迅速，使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中性区相应的多子浓度相比可以忽略。所以，在进行某些理论分析时，常采用耗尽近似。据此空间电荷区又被称为耗尽区，或耗尽层。另外，从能带结构图可见，p区电子能量比n区高qVD，n区空穴能量比p区高qVD，多子进入对方需要越过高度为qVD的势垒。因此，空间电荷区又被称为势垒区。空间电荷区=耗尽区=耗尽层=势垒区1.1.2非平衡pn结定义：施加偏置电压的np结。此时称pn结处于非平衡状态。正向偏置：偏置电压使p区电位高于n区电位反向偏置：偏置电压使n区电位高于p区电位特征--与平衡pn结相比：空间电荷区内电场发生变化;破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡；空间电荷区宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化；产生新的物理现象--形成电流：正向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大于漂移运动，形成净扩散流---称为正向电流。反向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被增强，载流子漂移运动大于扩散运动，形成净漂移流---称为反向电流。一、空间电荷区电场和空间电荷区宽度１．突变结A.电场分布电场分布由泊松方程描述。正、负空间电荷区内泊松方程(耗尽层近似)分别为:s0AqNdx)x(ds0DqNdx)x(d―xpx00xxn)xx(qN)x(pS0A）xx(qN)x(nS0Dns0Dps0AmxqNxqN)0(边界条件：Ε(-xp）=ε(xn)=0有―xpx00xxn在x=0,即界面处有最高电场强度：可见:突变结空间电荷区电场线性分布。B.空间电荷区宽度设:pn结外加偏压为VA：VA0为正偏，VA0为反偏。那么,空间电荷区二侧边界间电位差:(VD一VA)将电场积分mmpnmnxpxADx21)xx(21dx)x(VV式中xm=xn+xp，为空间电荷区总宽度，解上式有21ADDADAs0m)VV(NNNNq2x*(正偏)(反偏);掺杂浓度越低，空间电荷区越宽;正偏时空间电荷区变窄，并且正偏越高空间电荷区越窄;反偏时空间电荷区变宽，反偏越负空间电荷区越宽;空间电荷区主要扩展在低掺杂一侧—单边突变结定义的物理意义。mxmx2．线性缓变结特征：正、负空间电荷区宽度相等—xp=xn=xm。A.电场分布线性缓变结结面附近施主、受主杂质浓度分布为式中为杂质浓度分布梯度，取正值。在耗尽近似条件下，空间电荷内正、负电荷密度为x)x(Njxq)x(j泊松方程描述为s0jxqdx)x(djNxNxxxj21jxxjdx)x(dN边界条件：0)2x(m22ms0jx)2x(2q)x(有：2ms0jm2x2q最大电场P区侧N区侧B.空间电荷区宽度31ADjs0m)VV(q12xxm与偏置电压及掺杂浓度梯度关系同突变结相似。mmx21x21ADdx)x(VV解有j*越低，xm越大；二、能带结构和载流子分布A.能带结构正向偏置--电压为VF：中性n区能带相对p区上移，势垒高度下降qVF---q(VD-VF)。反向偏置--电压为VR(VR0)：中性n区能带相对p区下降，势垒高度上升q|VR|---q(VD-VR)。势垒高度变化导致：空间电荷区内费米能级不再连续；电子和空穴没有统一费米能级，通常分别用EnF和EpF表示。EnF和EpF分别称为电子与空穴的准费米能级。正偏反偏反偏：空间电荷区电场被加强，载流子漂移运动大于扩散运动；载流子浓度在空间电荷区及边界处低于其平衡值；中性区平衡少子向空间电荷区内扩散；使扩散长度范围内少子浓度低于其平衡值；载流子低于平衡值就要有产生；扩散进空间电荷区的载流子与产生的载流子动态平衡时，反偏载流子达稳定分布。B.载流子分布正偏：空间电荷区电场被削弱，载流子扩散大于漂移；载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值；边界处非平衡少数载流子向体内扩散；边扩散边与多子复合，在少子扩散长度处近似等于平衡少子浓度。定性解释KT/)x(EEexpn)x(niFniKT/E)x(Eexpn)x(pFpii空间电荷区内载流子浓度分布：（-xp）处少子电子