半导体物理课件 第六章(2015.11.20)

pn结的击穿
定义：反向电压增大到某一值Ｖ Ｂ时，电流急剧上升。这 种现象称为pn结的击穿。
相应反偏电压ＶＢ称为pn结击穿电压。
击穿是pn的本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有 恰当的限流保护措施，pn结则会因功耗过大而被热损坏。
击穿机制：
热击穿； 隧道击穿；
雪崩击穿---常见的主 要击穿机制。
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45
6.5
pn结的隧道效应
一、 pn结势垒区的隧道贯穿 二、 隧道结的I-V特性
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一、 pn结势垒区的隧道贯穿
1、 隧道效应 隧道效应—能量低于势垒的粒子有一定的几率 穿越势垒. 这是一种量子力学效应 隧穿几率与势垒的高度有关, 与势垒的厚度有 关. 隧道二极管—利用量子隧穿现象的器件效应
x xn , EC ( x) EC qVD
qV ( x ) kT
qV ( x ) kT
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n( x) NC e
p( x) NV e

EC qV ( x ) EF kT
EF EV qV ( x ) kT
n p 0e
p p 0e


即有:
x p x xn

随后,电压增加,电流反而减少,达到一个极小,(谷 值电流Iv,谷值电压Vv) 在Vp到Vv的电压范围内,出现负阻特性. 当电压大于谷值电压后,电流又随电压而上升

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图6-27
51
0点—平衡pn 结
1点—正向电流 迅速上升 2点—电流达到 峰值
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3点—隧道电流 减少,出现负阻 4点--隧道电流 等于0 5点—反向电流 随反向电压的 增加而迅速增 加
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pn结的形成
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工艺简介: ♦ 合金法—合金烧结方法形成pn结 ♦
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♦ 扩散法—高温下热扩散,进 行掺杂
♦离子注入法—将杂质离子轰击到 半导体基片中掺杂分布主要由离 子剂量和注入离子的能量决定
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PN结杂质分布
♦ 突变结 适用于离子注入浅结扩 散和外延生长，Xj<1um ♦ 线性缓变结 适用于深结扩 散， Xj>3um
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正偏小电流： 空间电荷区内载流子浓度高于平衡值；
载流子的复合高于产生，有净的复合流；
正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和。 Si和GaAs，在电小流时，复合电流起支配作用，影响不可忽略; 随电流密度增大，复合电流的影响减小，理论与实验逐渐相符。 Ge pn结，正向扩散流密度远高于复合流，在正向电流密度不是很 大时，理论曲线与实验数量符合较好。
空间电荷区载流子浓度低于平衡值； 载流子的产生率高于复合率，空间电荷区内存在净的产生电流； 反向电流是反向扩散流与产生流之和。 Si( 和 GaAs) 等本征载流子浓度较低，空间电荷区内载流子产生流在 反向电流中起支配作用，所以理论值与实验值相差较大。 Ｇe本征载流子浓度较高，反向扩散流远远大于产生流，理论值与实 际符合较好。
(6-31),(6-32)
qDp pn 0 qV exp 1 Lp Ip Jp J p xn k0T D p pn 0 Ln I n J n J n x p qDn n p 0 qV Dn n p 0 L p exp 1 Ln k T 0 p n
n区 p 400cm2 / Vs N D 1 1015 cm3 ni 1.02 1010 cm3
1查表知：p区 n 470cm2 / Vs
k 0T kT n , D p 0 p , Ln Dn n , L p D p p q q
ni2 ni2 , n p0 ND NA
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6.3 pn结电容
一、 二、 三、 四、 电容效应 突变结的空间电荷区 突变结势垒电容 扩散电容
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一、 电容效应
pn结有存储和释放电荷的能力。 ①势垒电容 CT —当 pn 结上外加电压变化，势垒区的空间电荷 相应变化所对应的电容效应. ♦当pn结上外加的正向电压增加，势垒高度降
第六章 pn结
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 pn结基本概念 pn结的电流电压特性 pn结电容效应 pn结的击穿 pn结的隧道效应
1
6.1
一、
pn结及其基本概念
pn结的形成 pn结的基本概念
二、
2
一、

pn结的形成 ♦控制同一块半导体的掺杂,形成pn结 (合金法; 扩散法; 离子注入法等) ♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体 同质结和异质结 ♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组 成的pn结--同质结 ♦由两种不同的半导体单晶材料组成的结—异 质结
隧道击穿---pn结反偏下，p区价带顶可以高于n区导带底， 那么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区。当反 偏压达到ＶＢ时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相 当大，这种现象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。
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3. 雪崩击穿
碰撞电离---反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的 电子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能 在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子空穴对，称为碰撞电离。 雪崩倍增效应---产生的电子-空穴对从电场获取足够能量， 与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构 成反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。 雪崩击穿---由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大， 称为雪崩击穿。
x p x xn
n( x ) n p 0 e
eV ( x ) kT
p( x) p p 0e

eV ( x ) kT
n( x) p( x) np0 p p0 n
2 i
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6.2 pn结的电流电压特性
一、PN结的正向电流 二、PN结的反向电流
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低空间电荷减少 ♦当pn结上外加的反向电压增加，势垒高度增
加空间电荷增加
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偏压上升(含正负)： 变窄
P区
空穴补偿 电子补偿
n区
偏压下降(含正负) ： 变宽
P区
空穴释放 电子释放
n区
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②扩散电容 CD —当pn结上外加电压变化，扩散区的非平衡 载流子的积累相应变化所对应的电容效应. ♦当正向偏臵电压增加，扩散区内的非平衡载 流子积累很快增加 ♦在反向偏臵下，非平衡载流子数变化不大,扩 散电容 可忽略 pn结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变 化-- CT 和CD都是微分电容: C=dQ/dV
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②平衡pn结及其能带图: ♦当无外加电压, 载流子的流动终将达到动态 平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消, 电荷 没有净流动), p-n结有统一的EF (平衡pn结) ♦ 结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成 势垒区(即空间电荷区).
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③接触电势差: ♦ pn结的势垒高度—eVD=EFn-EFp 接触电势差—VD(Vbi) ♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势 为: kT n kT N N
x xp
xn - x
eV ( x ) kT
n np 0
n nn0
eV ( x ) kT
p pp0
p pn0
n( x ) n p 0 e
p( x) p p 0e
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平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点: ♦ 同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服 从玻尔兹曼关系 ♦ 处处都有n•p=ni2 ♦ 势垒区是高阻区(常称作耗尽层)
1. 热击穿
pn结的反向扩散流由平衡少子产生：
pno = ni２/ND
npo = ni２/ NA
产生电流正比于ni
反向电流密切依赖于本征载流子浓度。 |ＶR |
反向偏压
Pc
功 耗
Tj
结温
ni
IR
IR
击穿
ni２∝T3 exp(-Eg0/KT)
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2. 隧道击穿
隧道效应---电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量 比其高的势垒区，这种现象称作隧道效应。
1 2
CT 0 A XD
1 CT 1/ 2 (VD V )
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几点说明:
① pn结的势垒电容可以等效为一个平行板电容 器,势垒宽度即两平行极板的距离 ② 这里求得的势垒电容, 主要适用于反向偏臵情 况 ③单边突变结的势垒电容:
≈
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四、 扩散电容

扩散电容CD —当pn结上外加电压变化，扩散 区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电 容效应.
突变结: 浅结、重掺杂（<1um）
线性缓变结: 深结（>3um）
或外延的PN结
二、pn结的基本概念 ①空间电荷区: ♦ 在结面附近, 由于存在载流子浓度梯度,导 致载流子的扩散. ♦ 扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷--空间 电荷(电离施主,电离受主). ♦ 空间电荷区中存在电场--内建电场,内建电 场的方向: n→p . 在内建电场作用下,载流子要 作漂移运动.
2 0 N D N A XD ( )VD ND N A e
♦当加外电压V
1 2
2 0 N D N A XD ( )(VD V ) ND N A e
1 2
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⑤单边突变结:
2 0 (VD V ) XD NB e
②电场: 2 d V ( x) ♦泊松方程： 2 ♦ E=- ( dV/dx ) +C dx 0 ♦在x=0处, 内建电场数值达到极大
EM
eN A
0
Xp
eN D
0
Xn
Q
0
③电势: 抛物线分布
31
空间电荷
电场
32
电势
能带
33
④空间电荷区宽度:
♦平衡pn结
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5. 一硅突变pn结，n区的n=5cm，p=1us；p区的p=0.1cm，n=5us, 计算室温下空穴电流与电子电流之比、饱和电流密度，以及在正向电压0.3V时 流过pn结的电流密度。
解： N A 3 1017 cm3 Dn pn 0
表4-15（b)，4-14(a)
CDp A

dQ p dV
Q p p ( x )edx
xn

CDn dQn A dV
Qn
xp

n( x )edx
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少子在扩散区中的分布: ♦在空穴扩散区
♦在电子扩散区
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pn结的单位面积微分扩散电容为:
♦ 扩散电容在大的正向偏压和低频下起重要的作 用.
41
6.4
VD
e
ln
n0
np0

e
ln
n
D 2 i
A
♦ VD与二边掺杂有关, 与Eg有关
10
④平衡pn结的载流子浓度分布: 当电势零点取x=-xp处,则有:
EC ( x) EC qV ( x)
EV ( x) EV qV ( x)
x x p , EC ( x) EC
♦势垒区的载流子浓度为:
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一、PN结的正向电流
二、PN结的反向电流
对JV特性的说明: ⓐ单向导电性: 反向饱和电流Js ⓑ温度的影响: T↑, Js很快增加 ⓒ单边突变结: Js的表达式中只有一项起主要作用只需考虑 一边的少子扩散
伏安特性理论曲线
Si -pn结理论曲线与和实验曲线的示意图
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影响因素分析
反 偏：
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2、 pn结势垒区的隧道贯穿
隧道结 pn结, 两边都是重掺杂(简并情况), 以至在p区, EF进入价带; 在n区, EF进入导带. 结果: ① n区的导带底部与p区的价带顶部在能量上 发生交叠 ② 势垒十分薄 电子可以隧道贯穿势垒区.

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图6-29
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二、 隧道结的I-V特性 正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上 升,达到一个极大, (峰值电流Ip,峰值电压Vp )
p
n
P区
n区
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二、 突变结的空间电荷区
①耗尽层近似下的空间电荷: 突变结+杂质完全电离+耗尽近似的条件下， 势垒区中电离杂质组成空间电荷 势垒宽度: XD= Xp +Xn 势垒区中正负电荷总量相等： |Q|=eNAXp =eNDXn
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势垒区 能带
空间电荷分布
矩形近似
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♦势垒区主要在轻掺杂一边 • 对p+-n结, NB代表ND • 对p-n+结, NB代表NA
1 2
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P+-n结
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三、 突变结的势垒电容

反向偏压下的突变结势垒电容(单位面积):
0eN D N A CT dQ A dV 2( N D N A )(VD V )