复旦大学半导体器件第五章PN结

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。
• 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
Vbe
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
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
势垒两边的少子扩散流密度
np xp np0expqkV BTf np0
pnxnpn0expqkV BTf pn0
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。 • 试比较PN结、金－半结、异质结。
pn10

ni21 N1D
expEkTg1

np20
ni22 N2A
expEkTg2

jn jp
expEg2kTEg1

•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），Ex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）
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）
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）
JSTexpqVkT1
A* = 120 (mn*/m0) Acm-2K-2
• 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； • 反向漏电流大，击穿电压低。
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
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
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。
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：
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。
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）
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：
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
应用举例
• 提高发射系数： jqD Lp p1 1pn10D Ln n2 2np20expq kV Tf 1
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。
• 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。
PN结雪崩击穿
• 强电场下 载流子倍增：
• 对突变结， 击穿电压：
VBR
0r
2q
Ec2 Neff
Ec = 2~5105 V/cm
隧道击穿
• 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
Pex p832hm 2n *1/2Eg 1/2x
jn
Dn Ln
np0expqkVBTf 1
jp
Dp Lp
pn0
expqkVBTf 1
电流密度和电压的关系
JJn(xp)Jp(xn)
qD Lp ppn0D Ln nnp0exq kp BT fV 1
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 (x n ) J n (x n ) J p (x n )qD Lp ppn0D Ln nnp0exq kp BT fV 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
• 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 ：
ddx2V 2 rx0 ， 2Vr0 电 场 E和 空 间 电 荷 密 度 之 间 的 关 系 是 ： d dE xrx0 ， Er0
• 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 反阻挡层
伏安特性
• 电子发射理论：
J ( V ) A * T 2 e x p q n sk T e x p q V k T 1
np0 nn0expqkBV TD
平衡 PN 结中载流子浓度分布
pp0
耗尽层
nn0
p(x)
n(x)
np0
pn0
p0(x)ni expEikBTEF pp0expqkVB(Tx)
Xp
Xn

X
当
x= pn0
xnp时p0eVx(xp)=qkVBVTDD
CTddQ VT 2V 0 D rqVrN N AA N N DD1/2
0 r xD
• 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

qIFn
2kBT
ND NA
势垒宽度
xD
2q0
VD V 1/2
NA

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。
• 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。
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。
平衡PN结两边载流子浓度的关系
p0
NV
expEFkBTEV

n0
NC
expECkBTEF

VD

kBT q
Baidu Nhomakorabea
ln
NDNA ni2
pn0 pp0expqkBVTD

同理n0(x)np0expqkV B(Tx)
Xp
Xn
X
np0 nn0expqkBVTD
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；
• 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。
• 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：