复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结

q
Dp Lp
pn0
Dn Ln
n
p
0
exp
qVf kBT
1
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）
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：
Vj
kT q
ln
I I0
1
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。
• 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
n+
p
Байду номын сангаасVbe
ViH
ViL
t
正向少数载流子分布
n+
p
反向少数载流子分布
Ib
Ib1
t
Ib2
反向电流Ib2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）
• 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：
势垒两边的少子扩散流密度
np
xp
np0
exp
qVf kBT
np0
pn
xn
pn0
exp
qVf kBT
pn0
jn
Dn Ln
np0
exp
qVf kBT
1
jp
Dp Lp
pn0
exp
qV f kBT
1
电流密度和电压的关系
J Jn (xp ) J p (xn )
反阻挡层
• 电子发射理论：
伏安特性
J(V ) A*T 2 expqns kT expqV kT 1
•
•
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； JST exp qV kT 1
• 反向漏电流A大* =，1击20穿(m电n*压/m低0)。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
np
20
exp
qV f kT
1
pn10
ni21 N1D
exp
Eg1 kT
np20
ni22 N2A
exp
Eg 2 kT
jn jp
exp
Eg 2 Eg1 kT
•高电子迁移率晶体管
HEMT
•迁移率高 •低温工作
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）
• 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
电势V 和空间电荷密度分布之间的关系是：
d 2V
x
，2V
dx2
r0
r0
电场E和空间电荷密度之间的关系是：
dE x ，E
dx r0
r0
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。
• 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
jn扩
np xp
jn扩 jn漂
j p扩 j p漂
pn xn
注意：图中j是粒子流密度而不是电流密度
j p扩
外电场
• 试比较PN结、金－半结、异质结。
• 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
（Wm > Ws）
Wm < Ws
n型
p型
反阻挡层
3
2mn* h2
1/ 2
E
1/ g
2
x
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。
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）
x CT
dQT dV
2
0 r q
VD Vr
N NA
AND ND
1/
2
0r D
• 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：
CD
dQD dV
qIF n
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。
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。
2kBT
ND NA
势垒宽度
xD
2
q
0
VD V
NA
1/ 2
PN结雪崩击穿
• 强电场下 载流子倍增：
• 对突变结， 击穿电压：
VBR
0 r
2q
Ec2 N eff
Ec = 2~5105 V/cm
• 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
隧道击穿
P
exp
8
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
• 提高发射系数：
应用举例
j
q
Dp1 Lp1
pn10
Dn2 Ln2
平衡PN结两边载流子浓度的关系
p0
NV
exp
EF EV kBT
n0
NC
exp
EC EF kBT
VD
k BT q
ln
ND N A ni2
pn0
pp0
exp
qVD kBT
np0
nn0
exp
qVD kBT
平衡 PN 结中载流子浓度分布
pp0
耗尽层
nn0
p(x)
n(x)
np0
• 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。
pn0
p0 (x)
ni
exp
Ei EF kBT
pp0
exp
qV (x) kBT
Xp
Xn
X
当
x
= xn
pn0
时
pV(px0)e=xVpD
qVD kBT
同理
n0
(
x
)
n
p
0
exp
qV (x) kBT
Xp
Xn
X
np0
nn0
exp
qVD kBT
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；
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：
J (xn )
Jn (xn )
J p (xn )
q
Dp Lp
pn0
Dn Ln
n
p0
exp
qVf kBT
1
• 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。