半导体技术之-PN结基础知识

温度每增加6K，反向饱和电流增加1倍
（2-69）
在正向偏置情况下，取 I I 0 eV VT，导出
dV dT
I 常数
V T
VT
1 I0
dI0 dT
dI dT
V 常数
I
1 I0
dI 0 dT
V TVT
将（2-69）式代入（2-70）和（2-71）式中，得到
dV
V
Eg0
q
dT
T
（2-72） 和
m
x
0 0
（c ）
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布
（a）空间电荷分布
（b）电场
（c）电势图
➢ 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式:
0
n
p
VT
ln
Nd Na ni2
➢ 解Poisson方程求解PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：
m 1
x xn
qNd xn2 2k 0
➢ 空间电荷区载流子通过复合中心复合的最大复合率条件：
n p ni eV 2VT
最大复合率为:
U max
ni 2 0
eV
2VT
➢ 正偏复合电流和反偏产生电流分别为：
I rec
qAniW
2 0
eV 2VT
I R eV 2VT
IG
qAU W
qni AW 2 0
由于空间电荷层的宽度随着反向偏压的增加而增加因而反向电流是不饱和的。
是稳态载流子输运满足扩散方程
1.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
理想的P-N结的基本假设及其意义 ➢ 外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意
味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。 ➢ 均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。 ➢ 空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。xp 0 Fra biblioteknIp x
（b）少数载流子电流
（c）电子电流和空穴电流
正向偏压情况下的的P-N结
反向偏压情况下的的P-N结
载流子浓度
少数载流子电流
P型
PN
N型
空间电荷层
I Ip In
np0 np
pn0 pn
In x
Ip
Ip
In
In
Ip
x
xp 0 xn
x
xp 0 xn
x x
xp 0 xn
x
1
x xn
2
W
xn
2k 0 0
qNd
1
2
m
qNd xn k 0
0
qNd xn2 2k 0
1.2 加偏压的 P-N 结
1.2.1加偏压的结的能带图
P
N
W
W
P
N
V
+
能量 （E ）
（a ）
能量
（E ）
E Fn
E Fp
（b ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
q 0
qV
V
E Fn
1.4空间电荷区的复合电流和产生电流
低偏压：空间电荷区的复合电流占优势 偏压升高： 扩散电流占优势 更高偏压： 串联电阻的影响出现了
➢ 概念
空间电荷区正偏复合电流
W
I rec
qA 0
Udx
空间电荷区反偏产生电流
W
Irec qA 0 Gdx
式中W为空间电荷区宽度，U为空间电荷区载流子通过复合中心复合的复合率， G为空间电荷区载流子产生率。
（b）加正向电压，耗尽
层宽度W’W
1.2.1加偏压的结的能带图
W
能量
（E ）
IR
P
N
qVR
VR +
（c ）
（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W
q0 VR
➢ 根据载流子扩散与漂移的观点分析了结的单向导电性：
正偏压使空间电荷区内建电势差由 0 下降到 0-V打破了PN结的热平衡，使载 流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电
dQ C
dVR
C
A
qk
2VR
0Nd 0
1
2
C称为过渡电容或耗尽层电容有时亦称为势垒电容：
PN结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。
常用 1 C 2－ VR 关系：
1 C2
2 qK 0 N d A2
VR
0
1
C2
N x
N W
dW W
突变结与线性缓变结
NaNd NaNd
Na -ax
xj
0
0
x
-Nd
xj x
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （虚线）
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
突变结： 0 x xj , N (x) Na
xj x, N (x) Nd
线性缓变结：在线性区 N(x) ax
1.1 热平衡PN结
假设为 erfc 分布且 N 0 1020 / cm3
➢
根据 给出了结边缘0 的 少n数载p流子VT浓ln度N：nd iN2 a
np np0eV VT 和
pn pn0eV VT
➢ 在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于
由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二
。 极管的利用受到限制
1.6 I-V特性的温度依赖关系
当P-N结处于反向偏置时
I I 0 eV VT 1
I0
qA
Dp Lp N
d
Dn Ln N a
ni2
I rec
qAniW
2 0
eV
2VT
有
Id I rec
2 0
W
Dp Lp N d
PN结基础知识
引言
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半 导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结 本身也是一种器件－整流器。
由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接 触）所形成的结构叫做PN结。
任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结 （junction）,有时也叫做接触（contact）.
Dn Ln N a
ni eV
2VT
式中 ni 随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏
压（0.3V）就使 I d 占优势。
当P-N结处于反向偏置时，Id I0 ，
Id I rec
2 0 W
Dp Lp N d
Dn Ln N a
ni
随着温度增加，n
增大，也是扩散电流占优势。
i
广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更 明确，把它们叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S 结）。
70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工 艺包括以下主要的工艺技术：
1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发明的 离子注入工艺。
1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。 1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发
各种偏压条件下隧道结的能带图
简化的隧道穿透几率是
Ti
exp
8
2qme
3 B
2
3h
E B W
把式（2-63）代入（2-62）得到
Ti
exp
8W 3h
2qme
B
1
2
则隧道电流可为 I qAvth nTi
式中 vth 为隧道电子的速度。
（2-62） （2-63）
q B I
x0 xW
正偏压隧道结的势垒
1 dI Eg0 qV I dT KT 2
在室温（300K时），每增加10度，电流约增加1倍 结电压随温度线性减小，系数约为-2mV/℃
（2-70） （2-71）
（2-73）
硅二极管正向和反向两种偏压下的温度依赖关系示于图
100
10-1
I ，A10-2 10-3
150 C 25C 55C
10-4
➢考虑空间电荷区正偏复合电流和 串联电阻的影响的实际I－V曲线
I （A）
103
串联电阻
实验数据 104
105
106
107
斜率 q KT
108
109
斜率 q
2 KT
1010 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
V （V）
图2-11 衬底掺杂浓度为1016cm3的硅扩散结的电流电压特性
荷区内建电势差由 0上升到 0 +V同样打破了PN结的热平衡，使载流子的漂
移运动占优势这种漂移是N区少子空穴向P区和P区少子电子向N区的漂移，因
此电流是反向的且很小。
➢ 在反偏压下，耗尽层宽度为
1
W
2k
0 0
qNd
VR
2
耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果
102
Nbc 1014 cm3
10
102 Nbc 1014 cm3
10
W m
1.0
1016
1016 1.0
101
1018
102
102 101 1.0
10
102
103
VR ,V
(a)
101
1018
102
102 101 1.0
10
102
103
VR ,V
(b)
图 2-6 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果
（a） x j 1m 和（b） x j 10m
10-5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
V —V
硅平面二极管电流—电压特性 的温度效应
103
VR =6V
102
101
100 20 40 60 80 100 T C
在 硅 P—N 结 二 极 管 中 反 向 饱 和 电流与温度的关系
1.7 耗尽层电容，求杂质分布
耗尽层电容
Q qANdW A 2qK 0 0 VR Nd
若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流电压曲线则将被改变
。 成示于图2-14b中的情形。这称为反向二极管
I （c ）
I
（b ）
（d ）
（a ）
V
V
（e ）
（a）江崎二极管 电流-电压特性
（b）反向二极管 电流-电压特性
隧道二极管的特点和应用上的局限性
（1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数 载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声。
空间电荷区复合电流与非平衡载流子注入引起的扩散电流的比较：
对于P+-N结，把扩散电流记为，
Id
qA Dpni2 eV VT Lp Nd
qALp
ni2
0
eV
VT
而
I rec
qAniW
2 0
eV
2VT
I R eV 2VT
于是
Id I rec
2
Lp W
ni Nd
eV
2VT
上式表明，若 ni N d 越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大。
反向偏压情况下，二极管 I V 特性的温度效应：
I0
qA
Dp Lp N
d
Dn Ln N a
ni2
相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。
I 0 ni2 T 3e Eg0 KT
对T求导，所得的结果除以 I 0 ，得到
1 dI 0 3 Eg0 Eg0 I 0 dT T KT 2 KT 2
1.5 隧道电流
产生隧道电流的条件
（1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的
状态。 当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满足。 外加偏压可使条件（3）满足。
由同种物质构成的结叫做同质结（如硅）
由不同种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）
由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P-型 硅、P-硅和P-型锗）
由不同种导电类型的物质构成的结叫做异型结（如P-硅和N硅、P-硅和N－锗）。
因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异 质结之分。
热平衡PN结
p
n
p
EC
EF EV
n
EC EF EV
漂移
p
扩散
E
扩散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图 （b）接触后的能带图
p 型电中性区
边界层
耗尽区
边界层 n 型电中性区
空间电荷分布
Nd Na
xpN d
0
Na N d
xn x
- Na
（a ）
x
（b ）
明的外延工艺。 1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)
发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制造技 术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路和微电子 学飞速发展的今天。 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装工艺 等构成了硅平面工艺的主体。
➢ 小注入，即 pn pn0eV VT nn0 和 np np0eV VT PP0
➢ 半导体非简并
正向偏压情况下的的P-N结
载流子浓度
P型
np pn0
N型 pn pn0
空间电荷层
xp 0 xn
x
（a）少数载流子分布
少数载流子电流
In
Ip
xp 0 xn
Ip
In x x
I Ip In In
（2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道 二 级管的工作温度范围大。
（3）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子 渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。这种优越的性能，使隧道 二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电 路以及低噪音微波放大器。
（a）少数载流子分布
（b）少数载流子电流
（c）电子电流和空穴电流
反向偏压情况下的的P-N结
➢ 电流－电压公式（Shockley公式）
I I 0 eV VT 1
➢ P—N结的典型电流电压特性
I0
qADp pn0 Lp
qADnn p0 Ln
I mA
10
5
I0
0.6 V v
1.4空间电荷区的复合电流和产生电流