第二章-PN结-.ppt

中国科学技术大学物理系微电子专业,*,半导体器件物理,第二章 p-n结,2.1 热平衡下的pn结,2.2 耗尽区（耗尽层）和耗尽层电容,2.3 pn结的直流特性,2.4 pn结的瞬态特性,2.5 结击穿,2.6 异质结与高低结,2/17/2026,1,半导体器件物理,PN结简介,pn结作为整流、开关及其他用途的器件，同时也是半导体微波器件及光电器件的基本结构，也是双极型晶体管、可控硅整流器和场效应晶体管的基本组成部分。,pn结最重要的性质是整流效应，即只允许电流一个方向通过。,典型的伏安特性：加正向偏置电压时，电流随偏压的增加而迅速增大，通常正向偏压V,bi,时，,2/17/2026,61半导体器件物理,2.3 pn结的直流特性,在正偏压下，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区。两者运动方向相反，但因所带电荷异号，所以形成的电流方向相同，都是从P区向N区流动。因此，通过P-N结的总的正向电流为两者之和。当外压增大时，势垒区电场将更减弱，电子、空穴扩散电流亦相应增加，于是总电流增大。,在反向偏压下，势垒区两侧一个扩散长度范围内少子反扩散形成了电流，其方向从N区流向P区。由于少子浓度很低，故反向电流很小，且由于少子浓度梯度是不变的，因此，反向电流不随外压的改变而变化，即反向电流饱和。,2/17/2026,62,半导体器件物理,P-N结电流的传输与转换过程及电流密度分布,2/17/2026,63,半导体器件物理,PN结的电流组成,2/17/2026,64,半导体器件物理,2.3.1 理想伏安特性,基本假设：,耗尽区有突变的边界，边界外的半导体为电中性，外加电压全部降在势垒区中；满足突变耗尽近似，即势垒区中载流子全部耗尽。,两个边界处的载流子浓度通过结上的静电势差相关联。等同于半导体非简并，等同于满足玻尔兹曼分布条件。,小注入条件。即注入的少子浓度远小于多子浓度。在外加电压变化时，中性区边界处的多子浓度的变化可忽略。,忽略势垒区中载流子的产生和复合作用，耗尽区内既无产生电流，又无复合电流，通过势垒区的电子和空穴电流为常数。,2/17/2026,65,半导体器件物理,基本方程组,从半导体的基本方程出发。描述载流子运动规律的电流密度方程和连续性方程,2/17/2026,66,半导体器件物理,I-V Characteristics,2/17/2026,67,半导体器件物理,I-V Characteristic,2/17/2026,68,半导体器件物理,肖克莱方程,求得P-N结的直流基本表达式，,即肖克莱方程：,2/17/2026,69,半导体器件物理,I-V 特性曲线图,正向偏置：,反向偏置:,2/17/2026,70,半导体器件物理,讨论,具有单向导电性,温度对电流的影响,其中,Dn,、,Ln,、,np0,、,Dp,、,Lp,、,pn0,与,T,有关，,J,S,随,T,的升高而增大，且禁带宽度,Eg,愈大，,J,S,变化越快,上述理想方程描述,Ge,的,pn,结在小电流密度下的伏安特性是适合的，而对,Si,和,GaAs,的,pn,结只能定性符合，因此需要进行修正，包括,产生复合效应、大注入效应、串联电阻效应和温度效应,2/17/2026,71,半导体器件物理,反向偏置,当,P-N,结反向偏置时，由耗尽近似知，势垒区中的载流子浓度,n=p=0,，此时电子和空穴的产生过程占支配地位，俘获过程并不重要。,势垒区中产生电流密度为,P-N,结反向电流为反向扩散电流与反向产生电流之和,2.3.2 产生复合效应,2/17/2026,72,半导体器件物理,正向偏置,对于,P+-N,结，总的正向电流为,正向电流密度常用下列经验公式表示,2.3.2 产生复合效应,称为二极管的理想化因子,2/17/2026,73,半导体器件物理,在P-N结中，当注入的少数载流子浓度达到甚至超过多数载流子浓度时，称为大注入。大注入只在正向偏置中存在。,大注入时的边界条件为,2.3.3 大注入效应,2/17/2026,74,半导体器件物理,大注入下通过P,-N结的总电流可表示为：,同理可得，对于大注入到p区的电子电流,2/17/2026,75,半导体器件物理,大注入使扩散系数加倍，少子扩散系数由D,P,增加到2D,P,，此时，漂移电流和扩散电流各占一半。,大注入时电流对电压的依赖关系由小注入的exp(qV/kT)变为exp(qV/2kT)，电流随电压增加的速度变慢。,大注入的电流密度与N区掺杂浓度无关，只与n,i,成正比。而小注入下与n,i,2,/N,D,成比例。,2.3.3 大注入效应,2/17/2026,76,半导体器件物理,大电流时，在串联电阻R（包括中性区的电阻和非理想欧姆接触的电阻）上的压降不能忽略。,实际加在势垒上的电压只有VIR，因此,电流随正向电压增加的速度变慢,2.3.4 串联电阻效应,2/17/2026,77,半导体器件物理,工作温度对器件的性能影响很多，无论是正偏还是反偏，扩散电流和复合产生电流的大小都强烈依赖于温度。,1.,反向偏置时,：,在室温附近，对Si的pn结，温度每增加1K，I,S,相应增加15，即温度每增加6，反向电流增加1倍。,2.,正向偏置时：,对Si的pn结，V0.6V，室温附近，温度每增加10，电流增加1倍，电压变化率约为2mV/。,2.3.5 温度效应,2/17/2026,78,半导体器件物理,2.4 pn结的瞬态特性,正向偏置时，电子从n区注入到p区，空穴从p区注入到n区，少子一旦注入，便和多子复合，最终形成非平衡载流子浓度随距离呈指数衰减的稳定分布，这些非平衡载流子导致pn结内的电荷积累，即等量的过剩电子电荷和过剩空穴电荷的存贮。,当结上外加偏压突然反向时，这些存贮电荷不能立即去除，需要经过一定时间，pn结才能达到反偏状态，这个时间称为反向恢复时间。,存贮电荷和电流等随时间的变化说明pn结的反向瞬态特性。,2/17/2026,79,半导体器件物理,2.4.1,少数载流子的存贮,少子存贮的电荷依赖于扩散长度和耗尽区边界上的电荷密度。,用注入电流来表示存贮电荷：,即存贮电荷是注入电流和少子寿命的乘积。,结论：注入的电流越大，进入中性区的少子越多；少子寿命越长，注入的少子在复合之前扩散进中性区越远，积累的少子也越多。,2/17/2026,80,半导体器件物理,2.4.2,P-N结扩散电容,扩散区内存贮电荷量随电压而改变的现象称之为扩散电容。,当pn结正偏时，中性区存贮电荷的再分布对结电容有一项附加的重要贡献即为扩散电容Cd：,PN结扩散电容考虑少子存贮对,Cd,的贡献：,2/17/2026,81,半导体器件物理,2.4.3,瞬态特性和反向恢复时间,PN结的反向瞬变过程可以分为电流恒定和电流衰减两个阶段，相应的瞬变时间分别以t,S,和t,f,表示。t,S,称为存储时间，t,f,称为下降时间，定义为从I,R,衰减到0.1I,R,所经过的时间。,t,off,t,S,t,f,即为反向恢复时间，比偏压从反向突变为正向的瞬变时间长的多。,采用电荷控制模型，对长p,n结近似计算瞬变时间。,2/17/2026,82,半导体器件物理,电荷控制模型,反偏刚开始时，0tLp）的pn结:,反向恢复时间可近似为：对WnLp时，可近似为：,对于高速开关器件，必须减小少子寿命。因此通常引进能级靠近禁带中央的复合中心，如硅中掺金，可以大大降低少子寿命。,2/17/2026,84,半导体器件物理,2.5 结击穿,引起P-N结击穿的主要机构有三种：,热不稳定性，隧道效应和雪崩倍增,热击穿,发生热击穿的P-N结，若未采取保护措施，会烧毁P-N结。,Zener击穿,利用P-N结击穿现象来稳定电路中的电压，作为稳压管使用，在该电路中有保护电阻以防止P-N结电流的无限增大。,雪崩倍增效应（Avalanche Multiplication）,碰撞电离引起的雪崩倍增使大多数半导体器件的工作电压受到限制，同时可以用在产生微波功率和探测光信号等场合。,2/17/2026,85,半导体器件物理,结击穿,1、热不稳定性,由于在高反向电压作用下的反向电流引起热耗散，使结温升高。结温升高又反过来使反向电流增加，因为反向电流强烈地依赖温度：,I,R,T,3,e,-Eg0/kT,反向电流热耗散结温升高反向电流增加,对禁带宽度较小，反向电流较大的P-N结（如锗），室温下的热不稳定性是重要的。,对于一般P-N结不那么重要。特别是在低温下，热不稳定性就变得更不重要了。,2/17/2026,86,半导体器件物理,结击穿,2、隧道击穿,当P-N结两区掺杂都很高时，势垒区变得很窄且电场很强。若反偏压增加到某一值，能带弯曲度的增大，将使载流子从势垒区电场中获得的附加静电势能达到甚至超过导带底电子的能量。此时，根据量子力学理论，电子有一定几率穿过禁带而进入导带，这就叫隧道效应。,电压越大，势垒区电场就越强，隧穿几率就越大。这就使反向电流猛增，于是发生了隧道击穿。,理论计算表明，隧道击穿只发生在重掺杂的P-N结中，典型的势垒厚度为100的量级，电场强度大于10,6,V/cm。,隧道击穿的击穿电压主要决定于势垒区厚度 d，而d又正比于Eg。而多数半导体的禁带宽度Eg随温度增加而减小，亦即随着温度升高，击穿电压降低，击穿电压的温度系数是负的。,2/17/2026,87,半导体器件物理,结击穿,3、雪崩击穿,雪崩击穿是最重要的P-N结击穿机构。它决定了大多数器件所加反向电压的上限。,雪崩击穿条件,雪崩击穿电压,提高雪崩击穿电压的途径：,电场限制环、扩散环、台面结构等,2/17/2026,88,半导体器件物理,3、雪崩击穿,雪崩击穿电压比隧道击穿电压高得多。研究表明：,V,B,6（Eg/q）时主要是雪崩击穿，,击穿电压在4,6（Eg/q）之间，则是两种机构的混合。,对硅来说，Eg=1.12eV，若V,B,6.7V为雪崩击穿；,对锗，Eg=0.66eV，V,B,4.0V的为雪崩击穿。,2/17/2026,89,半导体器件物理,隧道击穿与雪崩击穿的比较,齐纳击穿,雪崩击穿,单边突变结,N（cm,-3,）,线性缓变结,a(cm,-4),击穿电压,VB（V）,单边突变结,N(cm,-3,),线性缓变结,a(cm,-4,),击穿电压,V,B,(V),Si,610,17,510,23,4.5,310,17,6.7,Ge,110,18,210,23,2.7,110,17,4.0,温度,系数,负温度系数,正温度系数,2/17/2026,90,半导体器件物理,结击穿,2/17/2026,91,半导体器件物理,Si，GaAs单边突变结击穿临界电场和衬底掺杂浓度的关系,结击穿,2/17/2026,92,半导体器件物理,结击穿,2/17/2026,93,半导体器件物理,p,+,-n,+,或 p,+,-n,+,结击穿电压与低掺杂浓度区厚度的关系,:p型轻掺杂,:n型轻掺杂,结击穿,2/17/2026,94,半导体器件物理,击穿电压,2/17/2026,95,半导体器件物理,结击穿,（b）通过矩形掩膜扩散形成柱面区和球面区,（a）扩散掩膜的边缘结形成弯曲,2/17/2026,96,半导体器件物理,Zener 二极管,2/17/2026,97,半导体器件物理,2.6,异质结与高低结,1.异质结,两种不同质的材料构成的接触称为异质结。,制作方法：气相外延，液相外延，真空蒸发法，阴极溅射，分子束外延等,按组分转变情况分突变异质结和缓变异质结。,按构成异质结的材料分为同型异质结和异型异质结。,二十世纪五十年代开始提出异质结的设想，目前已经制成高效率的异质结光电池和发光管，双异质结的半导体激光器等。,2/17/2026,98,半导体器件物理,禁带宽度不同的两种单晶材料一起构成的晶体界面成为异质结，例如 GaAs/Al,x,Ga,1-x,As,InP/In,x,Ga,1-x,As,1-y,P,y,异质结。,若异质结两边材料的导电类型相同，则成为同型异质结，如 n-GaAs/N-Al,x,Ga,1-x,As,p-GaAs/p-Al,x,Ga,1-x,As。,若两种材料的导电类型不同，则为异型异质结，如n-GaAs/P-Al,x,Ga,1-x,As。,在这些表达中，我们通常以小写的 n，p表示窄带隙材料，以大写的N，P表示宽带隙材料2/17/2026,99,半导体器件物理,2.高低结,发生在同一材料两个具有相同导电类型的半导体接触之间的结，由于结中一侧掺杂浓度很高，另一侧掺杂较低，所以称为高低结，N,N或P,P。,高低结对任何方向的电流都不呈高阻，基本上也没有少子注入效应，具有欧姆接触的性质，对不希望有注入效应的情况非常有用，实际很多器件利用这种结完成欧姆接触。,2/17/2026,100,半导体器件物理,1.异质结,半导体异质结的能带结构,为了解释NP GeGaAs异质结的实验现象，Anderson在1962年提出一个异质结的理论模型。,安德森模型假定两种材料具有完全相同的晶体结构、晶格常数和热膨胀系数，这样可以把由这些差别而产生的悬键和界面态的影响忽略不计，凡晶格失配小于1的异质结都成立。,2/17/2026,101,半导体器件物理,晶格失配,2/17/2026,102,半导体器件物理,（1）两种孤立半导体的能带图,（2）理想NP异质结平衡时的能带图,2/17/2026,103,半导体器件物理,2/17/2026,104,半导体器件物理,异质结的输运电流,异质结的输运电流,2/17/2026,105,半导体器件物理,2/17/2026,106,半导体器件物理,异质结的较为重要的电流模型分为五种：,安德森模型 即热发射电流模型。,简单隧道模型 Rediker于1964年提出，在考虑热发射电流机构的同时，计入了尖峰势垒的隧道效应,隧道电流模型 伴随有界面复合作用在内的隧道复合过程。,界面态复合模型 Van Ruyven 1965年提出，考虑两种材料在界面态进行复合。,复合隧道模型 隧道电流和热发射电流，且二者在界面态上汇合的复合隧道模型。,实际上，异质结往往同时存在多种电流机构，哪种机构为主将取决于界面上的能带不连续性和界面态参数情况。,主要用途：高效率的光电池、发光管和激光器等。,2/17/2026,107,半导体器件物理,2.高低结,以N,N为例分析：,处于平衡状态时，界面处要形成势垒，但 N,N结与pn结不同的地方在于势垒高度qV,D,比较低，主要取决于轻掺杂N区的费米能级位置。因为NN结势垒较低且不处于耗尽状态，所以结处没有高阻区。外加电压不像pn结那样主要发生在势垒区，而是主要降落在N区。,正偏时，N区中电子向N区运动，N区中空穴向N区运动，由于N区电子浓度很高，N区的空穴浓度很低，因此正向电流主要是电子电流。,反偏时，N区中空穴向N区运动，N区中电子向N区运动，由于N区空穴浓度很低，N区的电子浓度较高，因此反向电流主要是电子电流。,2/17/2026,108,半导体器件物理,3.几种应用二极管的介绍,(1)变容二极管,利用pn结电容随外加电压的非线性变化的特性制成的可变阻抗半导体器件,(2)开关二极管,利用pn结的单向导电性制成的半导体开关器件,(3)PIN二极管,在P型和N型材料之间插入一个本征层构成，I层厚度大约10200m。,如果I层是用高阻p型材料代替则称为PN结构，用高阻n型材料代替则称为PN结构,2/17/2026,109,半导体器件物理,p-i-n 二极管,2/17/2026,110,半导体器件物理,p-i-n 二极管,电场分布：,2/17/2026,111,半导体器件物理,p-i-n二极管,电场和电势表达式：,对于同样的工作电压,p-i-n二极管可以减小耗尽区的最大电场强度。,2/17/2026,112,半导体器件物理,Light-Emitting Diode,Light emission is due to recombination-,direct band gap is required,2/17/2026,113,半导体器件物理,Organic Light-Emitting Diode,2/17/2026,114,半导体器件物理,p-i-n Photodiode,2/17/2026,115,半导体器件物理,p-i-n Photodiode,2/17/2026,116,半导体器件物理,补充作业:,1、一个硅pn扩散结在p型一侧为线性缓变结，a=10,19,cm,-4,，n型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为310,14,cm,-3,，在零偏压下p型一侧的耗尽层宽度为0.8m，求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。,2、对于理想的硅p,+,-n突变结，N,D,10,16,cm,-3,，在1V正向偏压下，求n型中性区内存贮的少数载流子总量。设n型中性区的长度为1m，空穴扩散长度为5m。,2/17/2026,117,半导体器件物理,3、已知Si p,+,n结变容二极管,N,A,=10,19,cm,-3,N,D,=10,16,cm,-3,面积A=10,-3,cm,2,分别计 算反偏电压为5V,10V时的势垒电 容、空间电荷区宽度和最大内建电 场的值。4、一个硅p,+,-n单边突变结，N,D,10,15,cm,-3,，求击穿时的耗尽层宽度，若n区减小到 5m，计算此时击穿电压。,2/17/2026,118,半导体器件物理,