半导体器件物理第2章.pdf

第二章 P-N结第二章 P-N结半导体器件物理半导体器件物理引言引言 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。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。正因为如此，PN结一章在半导体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四分之一。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。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。正因为如此，PN结一章在半导体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四分之一。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。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）.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）.引言引言 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。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）。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。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）。引言引言 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：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。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。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)发明的外延工艺。1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发明的外延工艺。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。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。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。氧化工艺：1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：（1）对杂质扩散的掩蔽作用；（2）作为MOS器件的绝缘栅材料；（3）器件表面钝化作用；（4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；（5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。氧化工艺：1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：（1）对杂质扩散的掩蔽作用；（2）作为MOS器件的绝缘栅材料；（3）器件表面钝化作用；（4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；（5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。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。常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。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。常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。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。离子注入技术的特点：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。离子注入技术的特点：（1）低温；（2）可精确控制浓度和结深；（3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；（4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；（5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术；（6）设备昂贵。（1）低温；（2）可精确控制浓度和结深；（3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；（4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；（5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术；（6）设备昂贵。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。外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。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。外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。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。光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶；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。光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶；引言引言采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程N Si N+(a)抛光处理后的型硅晶片 N+(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作光刻胶 N Si SiO2 N+(c)光刻胶层匀胶及坚膜（d)图形掩膜、曝光光刻胶 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片（f)腐蚀SiO2后的晶片nSi光刻胶SiO2N+N Si SiO2 N+引言引言 N Si SiO2 N+P Si N Si SiO2金属 N+N Si P Si SiO2金属 金 属 N+(g)完成光刻后去胶的晶片(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结(i)蒸发/溅射金属（j）P-N 结制作完成采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程PSiNSiSiO2N+引言引言突变结与线性缓变结（a）突变结近似（实线）的窄扩散结（虚线）NaNd0 x xj-axNaNd0 x Na-Nd xj（b）线性缓变结近似（实线）的深扩散结（虚线）图 2.2引言引言0,(),()jajdxxN xNxxN xN突变结：线性缓变结：在线性区()N xax 2.1 热平衡PN结2.1 热平衡PN结2.1 热平衡PN结2.1 热平衡PN结 FE CE VE p n CE VE FE p n CE FE iE VE 0q 漂移 漂移 扩散 扩散 E n p（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图（b）接触后的能带图图2-32.1 热平衡PN结2.1 热平衡PN结n 型电中性区 p 型电中性区 边界层 边界层 耗尽区 （c）与（b）相对应的空间电荷分布图2-32.1 热平衡PN结2.1 热平衡PN结adNN x x x aNdN dN-aN px m 0（a）（b）（c）0 nx 0 图2-4 单边突变结（a）空间电荷分布（b）电场（c）电势图 单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布2.1 热平衡PN结2.1 热平衡PN结小结小结 名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区（SCR）的形成。分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区（SCR）的形成。介绍了热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）及其画法。介绍了热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）及其画法。利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式:20lniadTpnnNNV2.1热平衡PN结2.1热平衡PN结 小结小结 解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：nmxx10kxqNndm20212nndxxkxqN2002dnqN xk21002dnqNkxW（2-14）（2-16）（2-15）（2-17）（2-18）扩展知识：习题2.2 2.5扩展知识：习题2.2 2.52.1热平衡PN结2.1热平衡PN结 教学要求 掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（SCR)的形成分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（SCR)的形成 正确画出热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）。正确画出热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）。利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：（2-7）利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：（2-7）解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度。并记忆公式（2-14）（2-18）解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度。并记忆公式（2-14）（2-18）作业题：2.2、2.4、2.5、2.7、2.10作业题：2.2、2.4、2.5、2.7、2.1020lniadTpnnNNV2.2 加偏压的 P-N 结2.2 加偏压的 P-N 结2.2 加偏压的 P-N 结2.2 加偏压的 P-N 结 2.2.1加偏压的结的能带图2.2.1加偏压的结的能带图b+V Vq0 FpE FnE qV W（E）FnE N P W FE CE （a）能量（E）N P 能量（）q0图2.5 单边突变结的电势分布图2.5 单边突变结的电势分布（a）热平衡，耗尽层宽度为 W（b）加正向电压，耗尽层宽度WW2.2 加偏压的 P-N 结2.2 加偏压的 P-N 结 2.2.1加偏压的结的能带图2.2.1加偏压的结的能带图P +RV RI 能量（E）RVq0 RqV W（c）N（c）加反向电压，耗尽层宽度加反向电压，耗尽层宽度WW W图2.5 单边突变结的电势分布图2.5 单边突变结的电势分布2.2 加偏压的 P-N 结2.2 加偏压的 P-N 结 注入P注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布，图2-7 注入NP 结的N侧的空穴 及其所造成的电子分布 x nn 15010nn 312100cmn xnq x np 5010np 312100cmp xpq 2.2 加偏压的 P-N 结 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果 102 10 1.0 101 102 102 101 1.010 102103VVR,1016 101831410cmNbc(a)10210 1.0101102102 1011.010 102103W m VVR,1018101631410cmNbc(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）mxj1和（b）mxj10 假设为erfc分布且3200/10cmN 2.2 加偏压的 P-N 结2.2 加偏压的 P-N 结 小结 名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区 介绍了加偏压介绍了加偏压PN结能带图及其画法结能带图及其画法 根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性：正偏压V使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的升高qV。在P型中性区。在空间电荷区由于n、pn根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性：正偏压V使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的升高qV。在P型中性区。在空间电荷区由于n、pni i，可以认为费米能级不变即等于。在N型中性区。同样，在空间电荷区=，于是从空间电荷区两侧开始分别有一个费米能级从逐渐升高到和从逐渐下降到的区域。这就是P侧的电子扩散区和N侧的空穴扩散区（以上分析就是画能带图的根据）。，可以认为费米能级不变即等于。在N型中性区。同样，在空间电荷区=，于是从空间电荷区两侧开始分别有一个费米能级从逐渐升高到和从逐渐下降到的区域。这就是P侧的电子扩散区和N侧的空穴扩散区（以上分析就是画能带图的根据）。FEFPEFPEFPEFEFNEFEENEENEFNEFPE2.2 加偏压的 P-N 结2.2 加偏压的 P-N 结 小结在在电子子扩散散区和空穴和空穴扩散散区，不等于常，不等于常数，根据修正，根据修正欧姆定律必有姆定律必有电流流产生，由于，生，由于，电流沿x流沿x轴正方向，即正方向，即为正向正向电流。又由于在空流。又由于在空间电荷荷区边界注入的非平衡少子界注入的非平衡少子浓度很大，因此在空度很大，因此在空间电荷荷区边界界电流密度也很大(流密度也很大(J J)离)离开空空间电荷荷区边界界随着距离的增加注入的非平衡少子着距离的增加注入的非平衡少子浓度越度越来越小（e指越小（e指数减少），少），电流密度也越流密度也越来越小。反偏越小。反偏压-使得PN-使得PN结N型中性N型中性区的的费米能米能级相相对于P型中性于P型中性区的降低的降低q q。扩散散区费米能米能级的梯度小于零，因此的梯度小于零，因此会有反向有反向电流流产生。由于空生。由于空间电荷荷区电场的抽取作用，在的抽取作用，在扩散散区载流子很少，很小，因此流子很少，很小，因此虽然有很大的然有很大的费米能米能级梯度，梯度，电流却很小且流却很小且趋于于饱和。和。FE0 xEFxx)(RVPqxpxP)()(FEPqxpxP)()(RV2.2 加偏压的 P-N 结 小结 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下降到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下降到-V-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。反偏压使空间电荷区内建电势差由上升到打破了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。反偏压使空间电荷区内建电势差由上升到+V+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。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，耗尽层宽度为在反偏压下，耗尽层宽度为000021002dRqNVkW（2-23）2.2 加偏压的 P-N 结 小结小结 根据（2-7）给出了结边缘的少数载流子浓度：（2-29）和（2-30）根据（2-7）给出了结边缘的少数载流子浓度：（2-29）和（2-30）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。于是稳态载流子输运满足扩散方程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。于是稳态载流子输运满足扩散方程20lniadTpnnNNVTVVppenn0TVVnnepp02.2 加偏压的 P-N 结 教学要求 掌握名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区掌握名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区 正确画出加偏压PN结能带图。正确画出加偏压PN结能带图。根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性 根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性 掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式（2-23）掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式（2-23）导出少数载流子浓度公式（2-29）和（2-30）导出少数载流子浓度公式（2-29）和（2-30）作业：2-11、2-12、2-13作业：2-11、2-12、2-1321002dRqNVkW2.3 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2.3 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。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。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。空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。小注入，即和小注入，即和 半导体非简并半导体非简并TVVnnepp00nnTVVppenn00PP2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性正向偏压情况下的的P-N结正向偏压情况下的的P-N结x 0 载流子浓度 P型 N型 np pn 0np 0np 空间电荷层 nx px x 0 少数载流子电流 pI nI nx px x x 0 npIII pI pI nI nI nx px 图2-8 正向偏压情况下的的P-N结（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2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性反向偏压情况下的的P-N结反向偏压情况下的的P-N结x x 0 载流子浓度 P型 N型 np pn 0np 0pn 空间电荷层 nx px x x 少数载流子电流 pI nI 0 nx px x x npIII pI pI nI nI 0 nx px NP（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图2-9 反向偏压情况下的的P-N结2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性PN结饱和电流的几种表达形式PN结饱和电流的几种表达形式：（1）（2-49a）（2）（2-49b）（3）（2-49c）（4）（2-49d）npnpnpLnqADLpqADI00020ianndppnNLDNLDqAIKTEanndppVCgeNLDNLDNqANI0nnpppnLnLpqAI000公式（2-49d）说明理想PN结反向电流是PN结扩散区产生电流，证明如下：公式（2-49d）说明理想PN结反向电流是PN结扩散区产生电流，证明如下：N型中性区的扩散区内贮存空穴电荷为：把贮存电荷看作是分布在面积为A长度为一个扩散长度的扩散区内则其平均浓度为：，于是空穴的复合率为N型中性区的扩散区内贮存空穴电荷为：把贮存电荷看作是分布在面积为A长度为一个扩散长度的扩散区内则其平均浓度为：，于是空穴的复合率为00()/10/100()()(PN)()()nnpTTWpnnx xLV VnV VnpnpRQqAPPdxqA P eedxqAp LeqAp L VV 长结0p0nppppU?公式（2-49d）说明理想PN结反向电流是PN结扩散区产生电流：公式（2-49d）说明理想PN结反向电流是PN结扩散区产生电流：U0说明复合率是负的，产生率G=-U是正的：同样分析得出PN结P侧电子扩散区内电子的产生率为：在反偏情况下公式（2-48）变成：（2-52）因此（2-52）式中的两项分别是结空穴扩散区和电子扩散区中所发生的空穴产生电流和电子产生电流U0说明复合率是负的，产生率G=-U是正的：同样分析得出PN结P侧电子扩散区内电子的产生率为：在反偏情况下公式（2-48）变成：（2-52）因此（2-52）式中的两项分别是结空穴扩散区和电子扩散区中所发生的空穴产生电流和电子产生电流。00nppG00pnnGnpnpnpnqALpqALI002.3 理想P-N结的直流电流-电压特性小结小结 稳态PN结二极管中载流子分布满足扩散方程。稳态PN结二极管中载流子分布满足扩散方程。解扩散方程求得满足边界条件的解（N侧空穴分布）解扩散方程求得满足边界条件的解（N侧空穴分布）pnnpnVVnnnLxWLxWepppTsinhsinh100nxx（2-37）对于长二极管，上式简化为对于长二极管，上式简化为pnTLxxVVnnneeppp100P-N结P侧的电子分布为P-N结P侧的电子分布为（2-38）npTLxxVVpppeennn100nxx pxx（2-43）2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性小结小结 电流分布：少子注入引起的电流常称为扩散电流。在长二极管中空穴电流分布为：电流分布：少子注入引起的电流常称为扩散电流。在长二极管中空穴电流分布为：pnLxxnppexIInxx（2-42）电子电流分布为：电子电流分布为：npLxxpnnexIIpxx（2-47）其中其中10TVVpnnpnenLqADxI10TVVnppnpepLqADxI（2-46）（2-41）2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性 小结小结 电流电压公式（Shockley公式）电流电压公式（Shockley公式）P PN结的典型电流电压特性N结的典型电流电压特性10TVVeIInpnpnpLnqADLpqADI000（2-48）（2-49a）vV mAI 0.6 5 10 0I 2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性教学要求教学要求 了解理想PN结基本假设及其意义。了解理想PN结基本假设及其意义。导出公式（2-37）。导出公式（2-37）。根据公式（2-37）导出长PN结和短PN结少子分布表达式。根据公式（2-37）导出长PN结和短PN结少子分布表达式。导出公式（2-48）、（2-49)。导出公式（2-48）、（2-49)。记忆公式（2-49）记忆公式（2-49）根据公式（2-49d）解释理想PN结反向电流的来源。根据公式（2-49d）解释理想PN结反向电流的来源。画出正、反偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图。画出正、反偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图。作业：（2-11）、（2-12）、（2.13）作业：（2-11）、（2-12）、（2.13）2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.4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更高偏压：串联电阻的影响出现了2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.4空间电荷区的复合电流和产生电流图2-11 衬底掺杂浓度为1016cm3的硅扩散结的电流电压特性0.1 0.20.30.40.50.60.7 1010109 108 107 106 105 104 103 实验数据 串联电阻 斜率KTq 斜率KTq2（A）V（V）2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.4空间电荷区的复合电流和产生电流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，-N结，把扩散电流记为，TTVVipVVdpipdenqALeNLnDqAI022TTVVRVVireceIeWqAnI2202（2-50）而（2-57）于是2ec2TpVVdirdLIneIWN（2-59）上式表明，若越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大。上式表明，若越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大。diNn2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.4空间电荷区的复合电流和产生电流 小结小结 概念空间电荷区正偏复合电流空间电荷区反偏产生电流式中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。概念空间电荷区正偏复合电流空间电荷区反偏产生电流式中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。WrecUdxqAI0（2-53）0WrecIqAGdx（2-61）2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.4空间电荷区的复合电流和产生电流 小结小结 空间电荷区载流子通过复合中心复合的最大复合率条件：空间电荷区载流子通过复合中心复合的最大复合率条件：正偏复合电流和反偏产生电流分别为：正偏复合电流和反偏产生电流分别为：TVVienpn2（2-54）TVVienU20max2（2-56）TTVVRVVireceIeWqAnI220202AWqnWUqAIiG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。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。（2-57）（2-61）考考虑空空间电荷荷区正偏复合电流和 串联电阻的影响的实际IV曲线最大复合率为:正偏复合电流和 串联电阻的影响的实际IV曲线最大复合率为:2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.4空间电荷区的复合电流和产生电流 教学要求 理解并掌握概念：正偏复合电流反偏产生电流理解并掌握概念：正偏复合电流反偏产生电流 推导公式（2-54）、（2-57）、（2-61）。推导公式（2-54）、（2-57）、（2-61）。理解低偏压下复合电流占优，随着电压增加扩散电流越来越成为主要成分。理解低偏压下复合电流占优，随着电压增加扩散电流越来越成为主要成分。2.5 隧道电流2.5 隧道电流2.5隧道电流2.5隧道电流 产生隧道电流的条件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。（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。2.5隧道电流2.5隧道电流图2-12 各种偏压条件下隧道结的能带图2.5隧道电流2.5隧道电流图2-12 各种偏压条件下隧道结的能带图2.5隧道电流2.5隧道电流简化的隧道穿透几率是简化的隧道穿透几率是hqmTBei328exp23（2-62）WEB（2-63）把式把式（2-63）（2-63）代入代入（2-62）（2-62）得到得到21238expBeiqmhWT（2-64）则隧道电流可为则隧道电流可为ithnTqAvI（2-65）式中为隧道电子的速度。式中为隧道电子的速度。thv2.5隧道电流2.5隧道电流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。Bq I 0 x Wx 图2-13 对应于图2-12正偏压隧道结的势垒I V）（e）（a）（b）（c）（d V I（a）江崎二极管电流-电压特性（b）反向二极管电流-电压特性图2-142.5隧道电流2.5隧道电流隧道二极管的特点和应用上的局限性（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。（）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。（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。（）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。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）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。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。2.5隧道电流2.5隧道电流 小结小结 产生隧道电流的条件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。画出了偏压变化的能带图并根据能带图解释了隧道二级管的IV曲线。画出了偏压变化的能带图并根据能带图解释了隧道二级管的IV曲线。2.5隧道电流2.5隧道电流 小结小结 分析了隧道二级管的特点和局限性分析了隧道二级管的特点和局限性：（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。（）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。（2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，所以温度对多子的影响小，使隧二级管的工作温度范围大。（）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，所以温度对多子的影响小，使隧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声微波放大器。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。）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声微波放大器。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。2.5隧道电流2.5隧道电流 教学要求 了解产生隧道电流的条件。了解产生隧道电流的条件。画出能带图解释隧道二极管的IV特性。画出能带图解释隧道二极管的IV特性。了解隧道二极管的特点和局限性。了解隧道二极管的特点和局限性。2.6 I-V特性的温度依赖关系2.6 I-V特性的温度依赖关系2.6 I-V特性的温度依赖关系2.6 I-V特性的温度依赖关系当P-N结处于反向偏置时当P-N结处于反向偏置时10TVVeII20ianndppnNLDNLDqAI202TVVirecqAnWIeTVVianndpprecdenNLDNLDWII202（2-66）式中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）就使占优势。有（2-66）式中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）就使占优势。有（2-48）（2-49b）（2-57）indI（2-66）2.6 I-V特性的温度依赖关系2.6 I-V特性的温度依赖关系当P-N结处于反向偏置时当P-N结处于反向偏置时，0IIdianndpprecdnNLDNLDWII02（2-67）随着温度增加，增大，也是扩散电流占优势。反向偏随着温度增加，增大，也是扩散电流占优势。反向偏压情情况下，二下，二极管特性的管特性的温度效度效应：inVI 20ianndppnNLDNLDqAI（2-49b）相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。KTEigeTnI0320（2-68）2.6 I-V特性的温度依赖关系2.6 I-V特性的温度依赖关系式（2-68）对式（2-68）对T T求导，所得的结果除以，得到求导，所得的结果除以，得到0I20200031KTEKTETdTdIIgg（2-69）在正向偏置情在正向偏置情况下，取，下，取，导出出TVVeII0dTdIIVTVdTdVTI001常数TVTVVdTdIIIdTdI001常数（2-70）（2-71）将（2-69）式代入（2-70）和（2-71）式中，得到（2