复旦大学半导体器件第五章PN结
半导体器件之pn结器件
直到空穴扩散区以外,空穴扩散电流全部转化为电子漂移电流。 忽略了少子漂移电流后,电子电流便构成了流出N区的正向电流。
空穴电流与电子电流之间的相互转化,都是通过在扩散区内 的复合实现的,因而正向电流实质上是一个复合电流。
温度效应:
理想PN结二极管的反向饱和电流密度JS是热平衡条件下少子 浓度np0和pn0的函数:
而np0和pn0都与ni2成正比,由此可见反向饱和电流密度JS是温 度的敏感函数,忽略扩散系数与温度的依赖关系,则有:
可见,在室温下,只要温度升高10ºC,反向饱和电流密度增 大的倍数将为:
例8.5
温度效应对PN结二极管正、反向I-V特性的影响如下图所示。 可见,温度升高,一方面二极管反向饱和电流增大,另一方面 二极管的正向导通电压下降。
势垒降低
内建电场减弱
空间电荷区缩短
扩散电流>漂移电流
空间电荷区边界处少 数载流子浓度注入
采取小注入假设,多子浓度nn0基本保持不变,
nn= nn0
np
nn0
exp
e Vbi Va
kT
np
nn0
exp
e Vbi Va
kT
nn0
exp
eVbi kT
exp
eVa kT
np
np0
exp
Jp
xn
eDp
dpn x
dx
x xn
在pn结均匀掺杂的条件下,上式可以表示为:
Jp
xn
eDp
d
pn x
dx
x xn
利用前边求得的少子分布公式,可以得到耗尽区靠近N型区
Semiconductor- Physics课件.ppt
中国科学技术大学物理系微电子专业
合金法
图6-2
图6-3
中国科学技术大学物理系微电子专业
扩散法
离子注入法
中国科学技术大学物理系微电子专业
★ PN结的基本概念
eV
p(xn ) pn0e kT
中国科学技术大学物理系微电子专业
中国科学技术大学物理系微电子专业
③电流: 仍有 J=J++J-= J+(xn)+ J- (-xp)
♦ 正向偏压时,在少子扩散区, 少子复合 率>产生率(非平衡载流子注入); 反向时, 产生率>复合率(少数载流子被抽取)
♦ 反向时, 少子浓度梯度很小反向电流 很小
②热平衡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), pn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).
中国科学技术大学物理系微电子专业
热平衡条件
P
Ec
Ef
Ei
Ev
中国科学技术大学物理系微电子专业
中国科学技术大学物理系微电子专业
★ 理想PN结伏安特性
♦①小注入条件 ♦②突变结,耗尽近似—可认为外加电 压全降落于耗尽层
①+②在扩散区,少子电流只需考虑扩散
♦③忽略耗尽层中的产生,复合
通过耗尽层时,可认为电子电流
和空穴电流均保持不变 ♦④玻耳兹曼边界条件
中国科学技术大学物理系微电子专业
第5章 常用半导体器件
扩散运动
PN结处载流子的运动
漂移运动
P型半导体
---- - - ---- - - ---- - - ---- - -
内电场E N型半导体
所以扩散和漂
+ + + + + + 移这一对相反
的运动最终达 + + + + + + 到平衡,相当
+
+
+
+
+
+
于两个区之间 没有电荷运动
+
+
+
+
+
+
,空间电荷区 的厚度固定不
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是 同时成对出现的,称为电子空穴对。
归纳
本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流
子,即自由电子和空穴。
本征半导体的导电能力取决于载流子的
浓度。
温度越高载流子的浓度越高本征半
导体的导电能力越强。
2. 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质。
2. PN结加反向电压时的导电情况
外加的反向电压有一部分 降落在PN结区,方向与PN 结内电场方向相同,加 强了内在电一场定。的内温电度场条对件多下 子,扩由散本运征动激的发阻决碍定增的强少,子 扩浓散度电是流一大定大的减,小故。少此子时形 P成N结的区漂的移少电子流在是内恒电定场的的, 作基用本下上形与成所的加漂反移向电电流压大的 于大扩小散无电关流,,这可个忽电略流扩也散称 电为流反,向P饱N结和呈电现流高。阻性。
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
半导体物理第五章(教材)
05 半导体的热电性质
热电效应与温差电器件
热电效应
当半导体材料两端存在温度差时,会产生热电势差,即热电效应。热电效应是半导体材料热电转换的基础。
温差电器件
利用半导体材料的热电效应,可以制作出温差电器件,如温差发电器和温差制冷器。这些器件在能源转换和温度 控制等领域有广泛应用。
塞贝克效应与温差电偶
半导体材料与器件的绿色化
发展环保、低能耗的半导体材料和器件,以适应体技术与其他领域(如生物、医学、环境等)的交叉融合,将 产生新的应用方向和产业机遇。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
致冷器件
利用帕尔贴效应,可以制作出致冷器 件,如半导体制冷器。这些器件在电 子设备冷却、局部制冷等领域有广泛 应用。
06 第五章总结与展望
关键知识点回顾
半导体能带结构
包括价带、导带和禁带的概念,以及半导体中电子和空 穴的能量分布。
半导体中的复合与产生
阐述了半导体中电子和空穴的复合过程以及载流子的产 生机制。
03
半导体器件的伏安特性曲线和 参数
02 半导体中的载流子
载流子的类型与特性
载流子类型
半导体中的载流子主要包括电子和空穴两种类 型。
电子特性
电子带负电荷,具有较小的有效质量和较高的 迁移率。
空穴特性
空穴带正电荷,具有较大的有效质量和较低的迁移率。
载流子的浓度与分布
载流子浓度
半导体中载流子的浓度与温度、掺杂 浓度和禁带宽度等因素密切相关。
半导体物理第五章教材
目 录
• 第五章概述 • 半导体中的载流子 • 半导体中的电流 • 半导体的光电性质 • 半导体的热电性质 • 第五章总结与展望
《半导体物理第五章》课件
第六节:PN结的非平衡态
PN结非平衡态简析
简单剖析非平衡态下PN结的电压 -电流特性。
简单PN结非平衡态的VE特性 光电导效应的非平衡态
研究非平衡态下PN结的电压-电 流特性。
探究非平衡态下光电导效应在PN 结中的特点与应用。
探讨PN结太阳能电池的构造和独特特点。
3 PN结太阳能电池的主要性能参数
深入了解PN结太阳能电池的重要性能参数及其影响因素。
第五节:PN结的热平衡态
PN结的热平衡态简析
简要分析PN结的热平衡态及其 相关特性。
热平衡态下PN结的IV特性
详细讨论热平衡态下PN结的电 流-电压特性。
自扩散效应的热平衡 态
详细讨论电子和空穴在PN结中的运动方式。
光谱响应及其特征
探究PN结对光谱的响应,以及其特征与应用。
第二节:P-N结的动态响应
PN结的快速响应
探索PN结在快速响应方面的特性 与应用。
PN结快速开关电路
介绍PN结在快速开关电路中的工 作原理与应用。
鼓型PN结
研究鼓型PN结的结构和相关特点。
第三节:PN结的光探测器
1
光电导效应及其应用
深入解析光电导效应在光探测器中的应用。
2
光电二极管的工作原理
详细讨论光电二极管的工作原理和特性。
3及其在光能转换中的应用。
第四节:单晶硅PN结太阳能电池
1 太阳能电池的基本原理
详细介绍太阳能电池的基本原理和工作方式。
2 PN结太阳能电池的构造及其特点
《半导体物理第五章》 PPT课件
这是《半导体物理第五章》的PPT课件,旨在介绍半导体物理的相关知识。通 过本次分享,我们将深入探讨半导体的基本性质、动态响应、光探测器、太 阳能电池、热平衡态以及非平衡态等内容。
复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结
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。
•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。
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。
⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV p p B D p n exp 00⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV n n B D n p exp 000exp F V V B E E p N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠0exp C F C B E E n N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠2l n B D ADik T N NVq n =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。
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。
第五章半导体器件PN结
Ec Et
第一步: 电子由导带进入复合中心 Et; 第二步:
电子由复合中心进入价带(或空穴 被 Et 所俘获) 。
(一)
(二)
Ev
Semiconductor
Chapter 5
1.间接复合
电子由Ec→Et 第一步:
甲:Et 俘获电子的过程 —电子由 EcEt 乙: Et 发射电子的过程
(甲 ) (丙 )
一个空穴相遇的几率,通常称为复合系数
Semiconductor
Chapter 5
当 n = n0,p = p0 时,
r n0 p0 =热平衡态时单位时间、单位体 积被复合掉的电子、空穴对数 对直接复合,用 Rd 表示复合率 Rd = rdnp—非平衡 Rd=rdn0p0—热平衡 rd 为直接复合的复合系数
实际上,非平衡少子起重要作用。
Semiconductor
Chapter 5
非平衡载流子的复合:产生非平衡载流子的 外部作用撤除后,由于半导体的内部作用, 使它由非平衡状态恢复到平衡状态,过剩载 流子消失,这一过程称为~
实际上,任何时候电子和空穴 总是不断产生和复合。
Semiconductor
Chapter 5
Semiconductor
Chapter 5
R 光 照 半 导 体
V I Rr
外
R≥r r △r △V
光注入引起附加光电导
Semiconductor
Chapter 5
0 无光照时 :
n0 q n p0 q p
0
1
0
有光照后 :
0
1
Semiconductor
Semiconductor
半导体物理基础 PN结 ppt课件
11
11
PN结制作工艺过程
• 扩散工艺:由于热运动,任何物质都有一种从 浓度高处向浓度低处运动,使其趋于均匀的趋 势,这种现象称为扩散。
• 离子注入技术:将杂质元素的原子离化变成带 电的杂质离子,在强电场下加速,获得较高的 能量(1万-100万eV)后直接轰击到半导体基 片(靶片)中,再经过退火使杂质激活,在半 导体片中形成一定的杂质分布。
12
12
PN结制作工艺过程
• 外延工艺:外延是一种薄膜生长工艺, 外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶 向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
• 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另 一种单晶材料薄膜。
• 外延工艺可以方便地形成不同导电类型, 不同杂质浓度,杂质分布陡峭的外延层。
13
13
PN结制作工艺过程
• 光刻工艺:光刻工艺是为实现选择掺杂、 形成金属电极和布线,表面钝化等工艺 而使用的一种工艺技术。
0 dx
• 由电场强度的概念,电力线最密集的地
方电场强度最大。因此在公式2-1-15中
取x=0,得到最大电场
EM
qNd xn
K0
• 电场和电势分布:2-1-16和2-1-18
26
26
2.1 热平衡PN结
• 单边突变结:结一边的杂质浓度远高于
另外一边。
•
推导出内建电势为2-1-19
0
qN d xn2 2k 0
Chap2 PN 结
1
1
PN结制作工艺过程
• 采用硅平面工艺制备PN 结的主要工艺过程
复旦大学 物理实验(上) 半导体PN结的物理特性实验报告
半导体PN结的物理特性实验目的与要求1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。
2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。
3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。
实验原理PN 结的物理特性测量由半导体物理学中有关PN 结的研究,可以得出PN 结的正向电流一电压关系满足(1)式中I是通过PN 结的正向电流,I0是不随电压变化的常数,T 是热力学温度,e 是电子的电荷量,U 为PN 结正向压降. 由于在常温(300 K)下,KT/e =0,026 V,而PN 结正向压降约为十分之几伏,则e eU/kT>>l,(1)式括号内-1 项完全可以忽略,于是有(2)即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化. 若测得PN 结I-U关系值,则利用(2)式可以求出e/kT. 在测得温度T 后,就可以得到e/k 常数,然后将电子电量作为已知值代入,即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中,为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性,利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点,常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替PN结进行测量. 具体线路如图下实验仪器PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置1 、直流电源和数字电压表,包括—15 V——0——+ 15V直流电源、1.5 V直流电源、0——2 V三位半数字电压表、四位半数字电压表.2、LF356 集成运算放大器,它的各引线脚如2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针引线连接;待测样品TIP31型三极管的e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入3、不诱钢保温杯組合,它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器水银温度计等. (实验时,开始保温杯内为适量室温水,然后根据实验需要加一些热水,以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水,待槽内水温恒定时,进行测量)实验内容一、必做部分:1、在室温(保温杯加入适量的自来水,为什么?)下,测量PN结正向电流与电压的关系。
半导体器件物理-p-n结
EC EF EV
漂移 扩散
EC EF
扩散
EV
漂移
(b)热平衡时,在耗尽区的电场及 p-n结能带图
图3.4
热平衡状态下的p-n结
平衡费米能级(equilibrium Fermi levels) : 在热平衡时,也就是在给定温度之下,没有任何外加激励,流 经结的电子和空穴净值为零.因此,对于每一种载流子,电场 造成的漂移电流必须与浓度梯度造成的扩散电流完全抵消.即
耗尽区(abrupt junction)
为求解泊松方程式,必须知道杂质浓度分布.需要考虑 两种重要的例子,即突变结 (abrupt junction) 和线性缓变 结(1inearly graded junction). 突变结:如图,突变结是浅扩散或低能离子注入形成的p-n 结.结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突然 变换来近似表示.
热平衡状态下的p-n结
当p型和n型半导体紧密结合时,由于在结上载流子存在大 的浓度梯度,载流子会扩散.在 p侧的空穴扩散进入 n 侧,而 n 侧的电子扩散进入p侧. E 当空穴持续离开 p 侧,在结 nN - 未能 n p p 附近的部分负受主离子 A 够受到补偿,此乃因受主被固定 在半导体晶格,而空穴则可移动 漂移 EC EC EC EF .类似地,在结附近的部分正施 扩散 +在电子离开n侧时未能 主离子 N EC D EF EF EV EF 得到补偿.因此,负空间电荷在 EV EV 接近结 p 侧形成,而正空间电荷 扩散 在接近结 n 侧形成.此空间电荷 EV 区域产生了一电场,其方向是由 漂移 正空间电荷指向负空间电荷,如 (a) 形成结前均匀掺杂p型和n型半导体 (b)热平衡时,在耗尽区的电场及 p-n结能带图 图上半部所示.
第五章-PN-结
图5-14反向偏压下p-n结的费米能级(非常 重要)
8·理想p-n结模型及其电流电压方程
符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型: • (1)小注入条件 即注入的少数载流子浓度比平衡多
数载流子浓度小得多; • (2)突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落
在耗尽层上,耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的 电荷组成,耗尽层外的半导体是电中性的。因此,注入的 少数载流子在p区和n区是纯扩散运动; • (3)通过耗尽层的电子和空穴电流为常量,不考虑耗 尽层中载流子的产生及复合作用; • (4)玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端,载流子分布 满足玻耳兹曼统计分布。
• ④将两种载流子的扩散电流密度相加,得到理想 p-n结模型的电流电压方程式。
①根据准费米能级计算势垒区边界nn’及pp’处注入 的非平衡少数载流子浓度
p区载流子浓度与准费米能级关系为
np pp
ni ni
exp(
E
n F
Ei
kBT
exp( Ei
E
p F
kBT
)
)
n
p
(x
qVD EFn EFp
nn0
ni
exp(
EFn Ei kBT
)
,
np0
ni
exp(
EFp Ei kBT
)
• 两式相除取对数得
ln nn0 np0
1 kBT
(EFn
EFp )
np0 ni2 / NA
nn0 N D
VD
1 q
(E Fn
E Fp )
k BT q
• ②突变结势垒电容和电压(VD—V)的平方根成反比,
半导体器件物理5章半导体P-N结
第五章半导体P-N结5.1 P-N结如果我们在一块N型半导体中的某个区域掺入P 型杂质(或在P型半导体中的某个区域掺入N型杂质)就会在半导体中形成P-N结。
大多数器件都至少有一个P-N结,半导体器件的工作特性与工作过程与P-N 结有密切关系。
集成电路中器件与器件之间的隔离大都采用反向偏置的P-N结隔离,利用P-N结的特性制作的稳压二极管,整流二极管都在电路中大量应用。
另外通过P-N结二极管的分析,我们可以建立一些基本概念,这些概念在讨论其它器件时也会用到。
分析P-N结的一些技巧也适用于其它半导体器件。
所以,理解和掌握P-N结原理和概念是学习半导体器件理论的关键。
5.2 P-N结的结构P-N结所处的位置是两种杂质的交接面,其交接面称为冶金结面。
在静态(P-N结的两端不加外电压)交界面处的净电荷为零。
为简单起见,我们首先讨论突变结的情况,突变结的特点是:每个掺杂区的杂质分布是均匀的,在结的交界面处,杂质浓度有个突然的跳变。
这种假设意味着结的交界面处电子和空穴都有较大的浓度梯度,由于浓度不同,N区的多子电子向P区扩散,P区的多子空穴向N区扩散。
如果P-N结没有外加电压,那么这种由于两边的浓度差引起的多子载流子的相向扩散过程就不会无限延续下去。
随着电子由N区向P区扩散,带正电的施主离子留在了N区;同样,随着空穴由P区向N区扩散,带负电的受主离子留在了P区。
N 区与P区的带正电的施主离子和带负电的受主离子在冶金结的附近形成了一个内建电场,电场的方向由N区指向P区。
带正电的施主离子和带负电的受主离子所在的区域叫空间电荷区。
该区中的电子和空穴在相互扩散的过程中都被复合(中和)湮灭了,不存在任何可动的电荷,所以有时也称该区为耗尽区。
在没有完成扩散之前,内建电场的建立也不会完成。
扩散过程增大了内建电场,内建电场又进一步阻止了的扩散。
载流子的扩散过程和内建电场的建立过程是同时完成的,最终达到了平衡。
值得注意的是完成这一过程所需要的时间及其短暂。
电工电子技术基础 第2版 答案 第五章半导体器件
第五章半导体铸件一、填空I,半导体是指常海下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料物质。
2、半导体具有热敏性、光敏性、掺杂性的特性,坦重耍的是热敏性特性。
3、纯净硅或者镭原子最外层均有四个电子,常因热运动或光照等原因挣脱原子核的束缚成为自由电子,在原来的位置上留下一个空位,称为空穴.4、自由电子带建________ 电,空穴带正电。
5、半导体导电的一个她本特性是指,在外电场的作用下,自由电子和空穴均可定向移动形成电流。
6、在单晶硅(或者错〉中掺入微限的五价元素,如磷,形成掺杂半导体,大大提高/导电能力,这种半导体中自由电子数远大于空穴数,所以靠自由电子导电。
将这种半导体称为电子型半导体或N*半导体半导体。
7、在单晶硅(或者锌)中掺入微量的三价元诺,如硼,形成掺杂半导体,这种半导体中空穴数远大于自由电子数,所以靠空穴导电。
将这种半导体称为空穴里半导体或P型半导体半导体。
8、PN结具有单向导电性,即加正向电压时PN结导通,加反向电压时PN结截止。
9、PN结加正向电压是指在P区接电源正极,N区接电源负极,此时电流能通过PN结,称PN结处「导通状态"相反,PN结加反向电压是指在P区接电源负极,N区接电源正极,此时电流不能通过PN结,称PN结处于截止状态。
10、二极管的正极乂称为」1.极,由PN结的P区引出,负极乂称为阴极,由PN结的N区引出.Ik按照芯片材料不同,二极管可分为由二极管和楮二极管两种。
12、按照用途不同,二极管可分为普通二极管、整流二极管、开关二极管、拴压二极管、发光二极管。
13、二极管的伏安特性曲线是指二极管的电压电流关系曲线。
该曲线由」m特性和反向特性两部分组成。
14、二极管的正向压降是指正向电流通过二极管时二极管两端产生的电位差,也称为正向饱和电压.15、从二极管的伏安特性曲线分析,二极管加正向电压时二极管导通,导通时,硅管的正向压降约为0.7伏,错管的正向压降约为3伏。
16,二极管两端加反向电压时,管子处F截止状态.当反向电压增加到一定数值时,反向电流突然增大,二极管失去单向导电性特性,这种现象称为⅛________ o17、硅稳压二极管简称为稳压管,符号是_________________ 它与普通二极管不同的地方在于只要反向电潦在一定范围内反向击穿并不会造成会压二极管的损坏,以实现稳JK目的,所以电路中稳压管的两端应加反向电*。
半导体物理与器件(吕淑媛)课件章 (5)
第 5 章 PN 结 图 5.6 PN 结空间电荷区
第 5 章 PN 结
在空间电荷区会存在电场,电场的方向是由带正电的 N 区指向带负电的 P 区,由于这个电场不是外加的,而是内部 产生的,把这个电场称为内建电场。在内建电场的作用下,载 流子还要发生电场作用下的漂移运动,由于电场的方向是由 N 区指向 P 区,因此电子在电场的作用下由 P 区向 N 区运动, 空穴在电场的作用下由 N 区向 P 区运动。载流子漂移运动的 方向与扩散运动的方向恰好相反,也就是说内建电场的出现起 了阻碍载流子继续扩散的作用。
第 5 章 PN 结 图 5.4 扩散法制作 PN 结的过程
第 5 章 PN 结
和合金结相比,扩散结中的杂质分布要复杂得多,因为最 终的杂质分布是由扩散过程和杂质补偿来共同决定的。一般来 说,扩散结的杂质分布也不像合金结那样在交界面附近突然发 生变化,而是由一种导电类型逐渐过渡到另一种导电类型。扩 散结的杂质浓度分布如图5. 5 ( a )所示。其杂质分布可表示 为
第 5 章 PN 结
这样做的目的并不仅仅是使得费米能级达到统一,也是内建电 场的存在而导致的。由于内建电场的方向是由 N 区指向 P 区, 因此 N 区的电势高, P 区的电势低,因为电子带负电, P 区的电势能比 N 区的电势能高,而能带图则是按照电子的能 量高低表示的图示,因此 P 区的能带和 N 区相比上移,即表 示出 P 区的电势能比 N 区高,同时也实现费米能级的统一。
因此采用不同的制备工艺就会得到不同杂质分布的 PN 结, 一般来说,典型的 PN 结的杂质分布主要有突变结和线性缓变 结两种。
第 5 章 PN 结 5. 2 平衡 PN 结及其能带
在这一节中主要讨论平衡 PN 结的能带和在平衡状态下 PN 结的各种特性。
半导体器件物理 第五章总结
2, 理想MOS电容: 把MOS结构看作电容器,
SiO2为介质层,当施加- VG 时, 就感生电荷密 度为 QS,金属栅上 QG KOO O KS OS QS *这样半导体一侧平板电容器----充电.
SiO2 P-Si
KO: SiO2 介电常数; εoξo: 自由空间电容率; ξo: SiO2 中场强; KS: 半导体介电常数; ξS: 半导体表面处电势.
2
q si
KT
Ppo ni e
q si
2 KT
(1)
14
[5-1-4]强反型的条件(不以厚度为依 据,当ns=Pp0为强反型)
3.临界强反型条件的推导 对于P型硅体内空穴浓度
Ppo ni e
Ei E f KT
ni e
q f KT
(2)
比较(1)(2)式, ∴
q si q f 2
9
3,载流子的反型(半导体表面反型)
a. 当栅上施加较大电压 +VG(正表面势),产生附加 能-q ψs. 半导体表面处能 带将会向下弯曲更明显, b. 由于 能带向下弯曲, Ei 小 于Ef,,可使半导体表面处变 成N型半导体能带结构, 称之为反型.称对应的区域 为反型层”.
10
si 2 f
VG V0 S
即外加电压降落在一部分V0为绝缘层上电压降 Ψs为半导体上的电压降(表面势) 2.VG与半导体表面参量Qs,Ψs关系 MOS为理想结构,绝缘层内电场均匀分布,以ε0表示
V0 x0 0
22
由高斯定理:
K 0 0 QG
QG 改写成 V0 K 0
24
VGB ox S
dQG C d ox d S
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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
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
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:
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。
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
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。
• 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:
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
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)
Vj
kT q
lnBiblioteka 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。
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
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。
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
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。
• 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
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
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)
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
ln
NDNA ni2
pn0 pp0expqkBVTD
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。
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:
• 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