尼曼-半导体物理与器件第七章ppt课件

高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结0高等半导体物理高等半导体物理与器件与器件第七章第七章 pn结结第七章第七章 pn结结0高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结1固体物理固体物理量子力学量子力学平衡半导体平衡半导体载流子输运载流子输运非平衡半导体非平衡半导体双极晶双极晶体管体管pn结二极管结二极管肖特基二极管肖特基二极管欧姆接触欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT从物理到器件从物理到器件MOS结结双端双端MOS结构结构统计物理统计物理能带理论能带理论第七章第七章 pn结结1固体物理量子力学平衡半导体载流子输运非平衡半固体物理量子力学平衡半导体载流子输运非平衡半高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结2概概 述述前情提要前情提要热平衡状平衡状态下的下的电子与空穴子与空穴浓度，确定度，确定费米能米能级位置位置存在存在过剩剩电子与空穴的非平衡状子与空穴的非平衡状态本章内容本章内容pn结的静的静电特性特性后后续通用性通用性建立一些基本建立一些基本术语和概念和概念分析分析pn结的基本技巧也适用于其他半的基本技巧也适用于其他半导体器件体器件第七章第七章 pn结结2概概 述前情提要述前情提要高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结3主要内容主要内容pn结的基本的基本结构及重要概念构及重要概念pn结零偏下的能零偏下的能带图pn结空空间电荷区的形成，内建荷区的形成，内建电势差和空差和空间电荷区的内建荷区的内建电场反偏反偏pn结空空间电荷区荷区变化化势垒电容容突突变结第七章第七章 pn结结3主要内容主要内容pn结的基本结构及重要概念结的基本结构及重要概念高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结4pn结是大多数半是大多数半导体器件都会涉及到的体器件都会涉及到的结构。构。重点概念：重点概念：空空间电荷区、耗尽区、荷区、耗尽区、势垒区、内区、内建建电场、内建、内建电势差、反偏、差、反偏、势垒电容容等等。等等。分析分析pn结模型的基模型的基础：载流子流子浓度、度、费米能米能级、电中性条件、中性条件、载流子的漂移与流子的漂移与扩散、双极散、双极输运运方程。方程。第七章第七章 pn结结4pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结5同一半导体同一半导体内部，一边是内部，一边是p型，一边是型，一边是n型，在型，在p型区和型区和n型区型区交界面（冶金结）附近交界面（冶金结）附近形成形成pn结。结。不简单等价于一块不简单等价于一块p型半导体和型半导体和n型半导体的型半导体的串联串联。pn结具有特殊的性质：结具有特殊的性质：单向导电性单向导电性，是许多重要半导体，是许多重要半导体器件的核心。器件的核心。突变结突变结：每个掺杂区的杂质浓度均匀分布，在交界面处，：每个掺杂区的杂质浓度均匀分布，在交界面处，杂质的浓度有一个杂质的浓度有一个突然的跃变突然的跃变。7.1 pn结的基本的基本结构构冶金结冶金结第七章第七章 pn结结5同一半导体内部，一边是同一半导体内部，一边是p型，一边是型，一边是n型，在型，在p高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结6pn结的空的空间电荷区和内建荷区和内建电场浓浓度度差差多多子子扩扩散散杂质离杂质离子形成子形成空间电空间电荷区荷区内建电场内建电场阻止多子的进一阻止多子的进一步扩散步扩散促进少子的漂移促进少子的漂移动态平衡动态平衡（零偏）（零偏）耗尽区耗尽区空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场第七章第七章 pn结结6pn结的空间电荷区和内建电场浓度差多子扩散杂结的空间电荷区和内建电场浓度差多子扩散杂高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结7pn结两两侧电子空穴子空穴浓度梯度度梯度，电子空穴分子空穴分别由由n型区、型区、p型区向型区向对方区域方区域扩散散，同，同时n型区留下型区留下固定的固定的带正正电施主离子施主离子，p型区型区留下固定的留下固定的带负电受主离子受主离子。此固定的正。此固定的正负电荷区荷区为空空间电荷荷区区，空，空间电荷区中形成荷区中形成内建内建电场，内建，内建电场引起引起载流子的流子的漂移漂移运运动，载流子漂移运流子漂移运动与与扩散运散运动方向方向相反相反，最后达到，最后达到平衡平衡。空空间电荷区荷区载流子流子基本耗尽基本耗尽，因此空，因此空间电荷区称作荷区称作耗尽区耗尽区。pn结结指指p型和型和n型半导体形成的界面，该界面包括型半导体形成的界面，该界面包括整个空间电荷整个空间电荷区在内的区域区在内的区域。而空间电荷区之外的部分与独立的掺杂半导体性。而空间电荷区之外的部分与独立的掺杂半导体性质相同，不属于质相同，不属于pn结区域。结区域。基本耗尽基本耗尽：载流子浓度和杂质浓度差别巨大（数量级的差别）：载流子浓度和杂质浓度差别巨大（数量级的差别）热平衡热平衡pn结的任何区域（包括空间电荷区）结的任何区域（包括空间电荷区）n0p0=ni2成立成立第七章第七章 pn结结7pn结两侧电子空穴浓度梯度，电子空穴分别由结两侧电子空穴浓度梯度，电子空穴分别由n高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结87.2 零偏零偏平衡平衡态的的pn结空空间电荷区中存在一个荷区中存在一个内建内建电场，该电场在在空空间电荷区的荷区的积分就形成一个分就形成一个内建内建电势差差，从能，从能带图角度角度看在看在n型和型和p型区型区间建立一个建立一个内建内建势垒，该内建内建势垒高度：高度：内建电势差维持内建电势差维持n区多子电子区多子电子与与p区少子电子间以及区少子电子间以及p区多区多子空穴与子空穴与n区少子空穴间的平区少子空穴间的平衡（扩散与漂移的平衡）。衡（扩散与漂移的平衡）。由于空间电荷区是电子的势由于空间电荷区是电子的势垒，因而垒，因而空间电荷区（耗尽空间电荷区（耗尽区）区）又称作又称作势垒区势垒区。第七章第七章 pn结结87.2 零偏平衡态的零偏平衡态的pn结空间电荷区中存在一结空间电荷区中存在一高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结9平衡状态平衡状态pn结：结：参照前边图中参照前边图中 Fn、Fp的定义：的定义：则内建电势差为则内建电势差为：注意：注意：Nd、Na分别表分别表示示n区和区和p区内的区内的有效有效施主施主掺杂浓度和掺杂浓度和有效有效受主受主掺杂浓度。掺杂浓度。接触电势差的大小直接接触电势差的大小直接和和杂质浓度杂质浓度、本征载流本征载流子浓度子浓度、以及、以及热电压热电压（温度及分布）相关。（温度及分布）相关。（1）内建）内建电势差差第七章第七章 pn结结9平衡状态平衡状态pn结：参照前边图中结：参照前边图中Fn、Fp的的高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结10（2）电场强度度pn+-E-xp+xn+eNd-eNa内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度和电荷密度关系由场强度和电荷密度关系由泊松方程泊松方程确定：确定：其中，其中，为电势，为电势，E为电场强度，为电场强度，为电荷密度，为电荷密度，s为介电常数。为介电常数。从图可知，电荷密度从图可知，电荷密度(x)为：为：突变结突变结(C/cm3)第七章第七章 pn结结10（2）电场强度）电场强度pn+-E-xp+xn+eN高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结11p侧空间电荷区内电场可以积分求得：侧空间电荷区内电场可以积分求得：边界条件边界条件：x=-xp时，时，E=0相应，相应，n侧空空间电荷区电场：侧空空间电荷区电场：边界条件边界条件：x=xn时，时，E=0第七章第七章 pn结结11p侧空间电荷区内电场可以积分求得：边界条件侧空间电荷区内电场可以积分求得：边界条件高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结12p侧电场和侧电场和n侧电场在界面处（侧电场在界面处（x=0）连续，即：）连续，即：-xp+xn+eNd-eNa-xp+xn0E因而两侧空间电荷区的宽度因而两侧空间电荷区的宽度xp和和xn有关系：有关系：空间电荷区整空间电荷区整体保持电中性体保持电中性空间电荷区空间电荷区主要向低掺主要向低掺杂一侧延伸杂一侧延伸(C/cm3)pn第七章第七章 pn结结12p侧电场和侧电场和n侧电场在界面处（侧电场在界面处（x=0）连续，）连续，高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结13根据电场强度和电势的关系，将根据电场强度和电势的关系，将p区区内电场积分可得电势：内电场积分可得电势：确定具体的电势值需要选择参考点，假设确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=-xp处电势为处电势为0，则，则可确定可确定C1和和p区内的电势值为：区内的电势值为：同样的，对同样的，对n区区内的电场表达式积分，可求出：内的电场表达式积分，可求出：第七章第七章 pn结结13根据电场强度和电势的关系，将根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分区内电场积分高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结14-xpxn0Epn=0=Vbi电子电势能（电子电势能（-e）和距离是）和距离是二次函数关系，即抛物线关系二次函数关系，即抛物线关系显然，显然，x=xn时，时，=Vbi，因而可以求出：，因而可以求出：当当x=0时，时，n、p区电势值连续，因而利用区电势值连续，因而利用p区电势可求出：区电势可求出：第七章第七章 pn结结14-xpxn0Epn=0=Vbi电子电势电子电势高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结15（3）空间电荷区宽度）空间电荷区宽度pn+-xp+xn由整体电中性条件要求，已知：由整体电中性条件要求，已知：例例7.2将上式代入将上式代入则可得到：则可得到：空间电荷区宽度为：空间电荷区宽度为：第七章第七章 pn结结15（3）空间电荷区宽度）空间电荷区宽度pn+-xp+xn由整由整高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结16热平衡，平衡，pn结处存在空存在空间电荷区和接触荷区和接触电势差。差。内建内建电场从从n区空区空间电荷区荷区边界指向界指向p区空区空间电荷区，荷区，内建内建电场在在p、n交界交界处最最强。热平衡，平衡，p区、区、n区及空区及空间电荷区内具有荷区内具有统一一费米能米能级。空空间电荷区内漂移荷区内漂移电流和流和扩散散电流平衡，流平衡，无宏无宏观电流流。p、n两两侧空空间电荷荷总数相等，数相等，对外保持整体的外保持整体的电中性中性。空空间电荷区内几乎无自由荷区内几乎无自由载流子、因而又称流子、因而又称耗尽区耗尽区。空空间电荷区内形成内建荷区内形成内建电场，表，表现为电子子势垒，因而又称，因而又称势垒区区。空空间电荷区的荷区的宽度与度与掺杂浓度密切相关度密切相关。第七章第七章 pn结结16热平衡，热平衡，pn结处存在空间电荷区和接触电势差结处存在空间电荷区和接触电势差高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结177.3 反偏反偏pn结的反向偏置状态结的反向偏置状态反偏：反偏：p区施加相对于区施加相对于n区的反向电压。区的反向电压。外加电场方向和内建电场相同。外加电场方向和内建电场相同。反偏电压几乎全部施加于空间电荷区，反偏电压几乎全部施加于空间电荷区，而中性区电压几乎为而中性区电压几乎为0。外加电场使外加电场使n区费米能级下拉，下拉幅区费米能级下拉，下拉幅度等于外加电压引起电子势能变化量。度等于外加电压引起电子势能变化量。pn结上总的势垒高度增大为结上总的势垒高度增大为：第七章第七章 pn结结177.3 反偏反偏pn结的反向偏置状态结的反向偏置状态高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结18（1）空间电荷区宽度与电场）空间电荷区宽度与电场空间电荷量空间电荷量增大增大反偏电压反偏电压空间电荷区空间电荷区电场增强电场增强势垒势垒升高升高空间电荷区宽空间电荷区宽度增加度增加将零偏时空间电荷区宽度公式中的将零偏时空间电荷区宽度公式中的Vbi用用Vbi+VR=Vtotal代替代替，即，即可求出可求出反偏时的空间电荷区宽度反偏时的空间电荷区宽度:第七章第七章 pn结结18（1）空间电荷区宽度与电场空间电荷量增大反）空间电荷区宽度与电场空间电荷量增大反高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结19空间电荷区电场增强，电场强度和电荷的关系仍满足泊松方程。空间电荷区电场增强，电场强度和电荷的关系仍满足泊松方程。由于由于xn和和xp增大，因而最大场强也增大。增大，因而最大场强也增大。将将xn或或xp中的中的Vbi替换为替换为Vbi+VR可得到：可得到：加反偏电压后，加反偏电压后，pn结空间电荷区宽度、结空间电荷区宽度、电荷量及电场的变化。电荷量及电场的变化。随反偏电压增加，空间电荷区电荷量也增加。类似电随反偏电压增加，空间电荷区电荷量也增加。类似电容充放电效果，因而反偏容充放电效果，因而反偏pn结可表现为一个电容特性。结可表现为一个电容特性。第七章第七章 pn结结19空间电荷区电场增强，电场强度和电荷的关系仍空间电荷区电场增强，电场强度和电荷的关系仍高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结20（2）势垒电容（结电容）势垒电容（结电容）其中，变化的电荷数量为增加（或减少）的空间电荷区宽度内其中，变化的电荷数量为增加（或减少）的空间电荷区宽度内的电荷数量，因而其值为的电荷数量，因而其值为:可以看到，电荷变化量正比于空间电荷区宽度变化量。空间电可以看到，电荷变化量正比于空间电荷区宽度变化量。空间电荷区宽度与反偏电压的关系为：荷区宽度与反偏电压的关系为：势垒电容（结电容）的定义：势垒电容（结电容）的定义：第七章第七章 pn结结20（2）势垒电容（结电容）其中，变化的电荷数）势垒电容（结电容）其中，变化的电荷数高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结21则可得到：则可得到：由上式可知：势垒电容的大小与由上式可知：势垒电容的大小与s（材料）、（材料）、Vbi（掺杂水平）、（掺杂水平）、Na、Nd及及VR等因素有关。等因素有关。将将W代入上式，得到：代入上式，得到：这表明势垒电容可等效为其厚度为空间电荷区宽度的平板电容这表明势垒电容可等效为其厚度为空间电荷区宽度的平板电容注意：势垒电容的单位是注意：势垒电容的单位是F/cm2，即单位面积电容，即单位面积电容第七章第七章 pn结结21则可得到：由上式可知：势垒电容的大小与则可得到：由上式可知：势垒电容的大小与s高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结22（3）单边突变结）单边突变结假设有假设有p+n结，即结，即pp0nn0，NaNd，相应有：，相应有：第七章第七章 pn结结22（3）单边突变结假设有）单边突变结假设有p+n结，即结，即pp0高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结23势垒电容和反偏电压有关系：势垒电容和反偏电压有关系：可以看到，单边突变结可以看到，单边突变结C-V特性可以确定特性可以确定轻掺一侧的轻掺一侧的掺杂浓度掺杂浓度。这是。这是C-V法测定法测定材料掺杂浓度的原理。材料掺杂浓度的原理。第七章第七章 pn结结23势垒电容和反偏电压有关系：可以看到，单边突势垒电容和反偏电压有关系：可以看到，单边突高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结247.4 结击穿穿特定反偏特定反偏电压下，反偏下，反偏电流会快速增大。流会快速增大。此特定此特定电压为击穿穿电压。击穿的物理机制穿的物理机制齐纳击穿穿（隧穿（隧穿过程）：程）：重重掺杂pn结，反偏条，反偏条件下件下强电场结两两侧的的导带与价与价带距离非常近。距离非常近。雪崩雪崩击穿穿（雪崩效（雪崩效应）：大多数）：大多数pn结的的主主导击穿机制穿机制。第七章第七章 pn结结247.4 结击穿特定反偏电压下，反偏电流会结击穿特定反偏电压下，反偏电流会高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结25(b)雪崩击穿雪崩击穿(a)齐纳击穿齐纳击穿第七章第七章 pn结结25(b)雪崩击穿雪崩击穿(a)齐纳击穿齐纳击穿高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结26其中，其中，Mn为倍增因子。为倍增因子。空穴电流在耗尽区内由空穴电流在耗尽区内由n区到区到p区的方区的方向逐渐增大，且在向逐渐增大，且在x=0处达到最大值。处达到最大值。稳态下，稳态下，pn结内各处的电流为定值。结内各处的电流为定值。某一某一x处增量电子电流表达式可写为处增量电子电流表达式可写为假假定定x=0处处反反偏偏电电子子电电流流In0进进入入了了耗耗尽尽区区，如如右右图图所所示示。由由于于雪崩效应的存在，电子电流雪崩效应的存在，电子电流In会随距离的增大二增大。会随距离的增大二增大。在在x=W处，电子电流可写为处，电子电流可写为其中，其中，n与与 p分别分别为电子与空穴的电离率。为电子与空穴的电离率。第七章第七章 pn结结26其中，其中，Mn为倍增因子。假定为倍增因子。假定x=0处反偏电子处反偏电子高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结27因此，上式可写为因此，上式可写为假假设设电电子子与与空空穴穴的的电电离离率率相相等等，即即 n=p 别别为为；化化简简并并在在整整个空间电荷区对上式积分后，可得个空间电荷区对上式积分后，可得总电流总电流I可以写为可以写为 ，它为常数。则，它为常数。则代入代入dIn(x)/dx，得，得将将 代入上式，得代入上式，得第七章第七章 pn结结27因此，上式可写为假设电子与空穴的电离率相等因此，上式可写为假设电子与空穴的电离率相等高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结28电离率电离率 是电场的函数。是电场的函数。由由于于空空间间电电荷荷区区内内的的电电场场不不是是恒恒定定的的，所所以以上上式式计计算算不不是是很很容容易。易。因为因为MnIn0I，In(0)=In0，因此上式改写，因此上式改写使倍增因子使倍增因子Mn达到无穷大的电压，定义为达到无穷大的电压，定义为雪崩击穿电压雪崩击穿电压。因此，因此，产生雪崩击穿的条件产生雪崩击穿的条件为为第七章第七章 pn结结28电离率电离率是电场的函数。因为是电场的函数。因为MnIn0I，高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结29假设一个假设一个p+n结，其最大电场强度由下式给出：结，其最大电场强度由下式给出：耗尽区宽度耗尽区宽度xn可由下式近似求得：可由下式近似求得：其中，其中，VR为反偏电压的大小，忽略了内建电势差为反偏电压的大小，忽略了内建电势差Vbi。若若将将VR定定义义为为击击穿穿电电压压VB，则则最最大大电电场场Emax相相应应就就是是临临界界电电场场Eerit。结合上述两式，得。结合上述两式，得其中，其中，NB为单边结中低掺杂一侧的掺杂浓度。为单边结中低掺杂一侧的掺杂浓度。第七章第七章 pn结结29假设一个假设一个p+n结，其最大电场强度由下式给出结，其最大电场强度由下式给出高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结30右右图图所所示示的的临临界界电电场场是是掺掺杂浓度的函数。杂浓度的函数。前前面面讨讨论论的的是是均均匀匀掺掺杂杂的的平面结。平面结。线性缓变结击穿电压会下降。线性缓变结击穿电压会下降。左左图图显显示示了了突突变变结结及及线线性性缓缓变变结的击穿电压曲线。结的击穿电压曲线。假假如如把把扩扩散散结结表表面面的的曲曲率率同同样样考考虑虑进进来来，则则击击穿穿电电压压的的值值会会进一步下降。进一步下降。第七章第七章 pn结结30右图所示的临界电场是掺杂浓度的函数。线性缓右图所示的临界电场是掺杂浓度的函数。线性缓高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结31均匀均匀掺杂同同质pn结空空间电荷区（极性）、耗尽区、荷区（极性）、耗尽区、势垒区区内建内建电场（方向）、内建（方向）、内建电势差差pn结热平衡平衡态（零偏），内建（零偏），内建电势差大小差大小耗尽区假耗尽区假设、空、空间电荷区荷区宽度度反偏反偏pn结，势垒电容容单边突突变结击穿效穿效应小小 结第七章第七章 pn结结31均匀掺杂同质均匀掺杂同质pn结小结小 结结高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结32作作 业7.18 Si第七章第七章 pn结结32作作 业业7.18 Si高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第七章第七章 pn结结第七章第七章 pn结谢结谢 谢！谢！