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PN结与二极管原理
P-N 结P-N junction2.1 平衡PN结 2.1.1 PN结的制造工艺和杂质分布 2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图 2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布 2.2 PN结的直流特性 2.2.1 PN结的正向特性 2.2.2 PN结的反向特性 2.2.3 PN结的伏安特性 2.2.4 影响PN结伏安特性的因素 2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度 2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度 2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度 2.4 PN结的击穿特性 2.4.1 击穿机理 2.4.2 雪崩击穿电压 2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素2.5 PN结的电容效应 2.5.1 PN结的势垒电容 2.5.2 PN结的扩散电容 2.6 PN结的开关特性 2.6.1 PN结的开关作用 2.6.2 PN结的反向恢复时间 2.6.3 提高PN结开关速度的途径 2.7 金属?半导体的整流接触和欧姆接触 2.7.1 金属?半导体接触的表面势垒 2.7.2 金属?半导体接触的整流效应与肖特基 二极管 2.7.3 欧姆接触2.1 平衡 PN 结基体 结面 衬底（外延层）在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处， 会形成一个具有特殊电学性能过渡区域； 平衡PN结――就是指没有外加电压、光照和辐射 等的PN结。2.1.1 PN结的杂质分布状态合金法离子注入法1019/cm3扩散法(主流)突变结1016/cm3缓变结 结深与突变结相似2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图 1、空间电荷区的形成电子为少子 空穴为多子接触前电子为多子 空穴为少子相互接触时，在交界面处存在着电子和空穴的浓 度差，各区中的多子发生扩散，并复合、消耗；P区 N区 P耗尽层空 间电荷区空穴扩散运动方向电子自建场空穴电子交界区域就形成了空间电荷区（也叫空间电荷层、耗尽层）空间电荷区中，形成一个自建电场 PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻空穴电子以带负电的电子为例：扩散运动浓度差 多子？漂移运动电场力 少子动态平衡――两个相反的运动大小相等、方向相反； 由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。思考：自建电场对各区中的少子发生什么影响？2、能带状态图接触时各自独立时平衡后没有外加电压，费米能级应处处相等； 即 ：两个区的费米能级拉平 。 电场电场方向是电势降落的方向；定义电势能：E ? q?Uq ? ?e能带图是按电子能量的高低画 P区电子的电势 能比N区的高E ? ? e?U势能坡垒空间电荷区PN结接触电势差在空间电荷区内，能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势 能高的P区运动时，必须克服这个势能“高坡” ―― PN结势垒3、PN结 接触电势差For n-type region? ? ? Ec ? EFn ? ? ? ? ? EFn ? Ei ? ? n0 ? Nc exp ? ? ? n i exp ? ? ? ND kT kT ? ? ? ? ND EFn ? Ei ? KT ln niFor p-type region? ? ? EFp ? Ev ? ? ? ? ? Ei ? EFp ? ? p0 ? Nv exp ? ? ? ni exp ? ? ? NA kT kT ? ? ? ? ? ? ? ?NA Ei ? EFp ? KT ln ni即有kT N D N A UD ? ln q ni2式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度； UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度（体现在 材料的本征载流子浓度 ni 上）有关。 在一定温度下，N区和P区的净杂质浓度越大，即N区和P区的 电阻率越低，接触电势差UD越大； 禁带宽度越大，ni 越小， UD也越大。 NA=1017/cm3 ND=1015/cm3室温下，硅的 U D = 0.70 V， 锗的 U D = 0.32 V2.1.3 平衡PN结及两侧的载流子浓度分布自建电场n:电子 p:空穴多子空间电荷区扩散区多子 分布按指数规律变化 少子少子耗尽区或耗尽层――空间电荷区的载流子已基本被耗尽； Depletion layer 空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;2.2 PN结的非平衡双向直流特性PN结非平衡状态――在PN结上施加偏置(Bias)电压 ；PN结的P区接电源正极为正向偏置(称正偏 forward biased)， 否则 为反向偏置(称反偏 reverse biased)，并假设：① P型区和N型区宽度远大于少子扩散长度；② P型区和N型区电阻率足够低，外加电压全部降落在势垒区，势垒区外没有电场； ③ 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度，空 间电荷区不存在载流子的产生与复合；④ 不考虑表面的影响，且载流子在PN结中做一维运动； ⑤ 假设为小注入，即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度。Low-level injection2.2.1 PN结的正向偏置特性1、正偏能带变化图势垒宽度变窄? ? E// ? E ? E ? E?E?外加电场电场被削弱非平衡 势垒高度降低平衡时正偏使势垒区电场削弱，破坏了原来的动态平衡，载流子的扩 散作用超过漂移作用，所以有净扩散电流流过PN结，构成PN 结的正向电流。2、外加多子正向注入效应非平衡不同区的少子浓度分布比较：平衡PN结空穴?e ?p?e ?空穴电子电子电阻很小 两边的多子易 通过势垒区 扩散长度注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方 式运动，即在边界附近积累形成浓度梯度，并向体内扩散， 同时进行复合，最终形成一个稳态分布。3、正向扩散区边界少子浓度和分 布电子扩散区空穴扩散区两边界的少子分布势垒区n ? X P ? ? nP 0 e准费米能级qU kT边界p ? X N ? ? pN 0 eqU kT平衡被破坏，在扩散区和势垒区，电子和空穴没有统一的费米 能级，这时只能用准费米能级表示 。 非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减 。4、正向电流转换和传输Forward-active regime扩散 正向注入比较：平衡PN结复合?e ?漂移扩散区中的少子扩散电流都通过复合转换为多子漂移电流。 PN结内任意截面的电流是连续的。5、PN结的正向电流-电压关系 PN结内各处的电流是连续的，则通过PN结的任意截面电流都 一样。因此只要求出空间电荷区的交界面 X N 处的电子电流和 空穴电流，就是总的PN结电流：I ? ( X N 处的电子漂移电流) ? ? X N 处的空穴扩散电流 ? = ( X P 处的电子扩散电流) ? ? X N 处的空穴扩散电流 ? =I n ( X P ) ? I p ? X N ?N区非平衡少子-空穴的分布函数为：?p( x) ? ?p(0)e空穴扩散电流密度为：?x LpqDp ?p( x) j p ( x) ? ?qDp ? ?p(0) e dx Lp?x Lp其中，负号表示载流子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散即载流子的浓度随 x 增加而减小，在 x ? 0 处（ X N 的边界 处）空穴电流密度为：qDp j p (0) ? j p ( X N ) ? ?p(0) Lp则I p ? X N ? :Dp I p ? X N ? ? AjP ( X N ) ? qA?p (0) Lp =AqpN 0 D p qU (e KT ? 1) Lp其中：D p ? 空穴扩散系数 L p ? 空穴扩散长度同理，把注入P区边界 X P 的非平衡电子的浓度 n p 0 (e ? 1) ，乘 Dn 以电子的扩散速度 L 、电量 q 和PN结的截面积 A ,便可以得到在 X P 处注入 p 区的电子扩散电流 I p ? X N ? ：nqU KTI n ? X P ? ? Aqn p 0 其中：Dn ? 电子扩散系数 Ln ? 电子扩散长度Dn (e LnqU KT? 1)将I n ( X P )和I p ? X N ? 相加，得到PN结的总电流：? n p 0 Dn pN 0 Dp I ? Aq ? ? L ? L p ? n? qU KT ( e ? 1) ? ? ?? n p 0 Dn pN 0 Dp 若假设Aq ? ? L ? L p ? n? ? ? ? I0 ?I ? I 0 (eqU KT? 1)? ? ni 2 Dn ni 2 D p ? ? ? ? Aq ? ?P L ?n L ? ? P 0 n N 0 p ? ? ?? n p 0 Dn pN 0 D p 因为Aq ? ? L ? L p ? n且N A ? Pp 0，N D ? nNO，Ln ? Dn? n ，LP ? DP? P? ni 2 Ln ni 2 Lp ? 因此，I 0 ? Aq ? ?N ? ? N ? ? ? D p ? ? A n其中：? n ? p 区非平衡电子寿命? p ? N 区非平衡空穴寿命正向电流-电压关系? ni Ln ni Lp ? I 0 ? Aq ? ?N ? ? N ? ? ? D p ? ? A n2 2I ? I 0 (eqU kT? 1)I0 是不随外加正偏压而变化的。 在常温（300 K）下，可近似为I ? I 0 eqUkT? qD p qDn ? A? ? ?L N Ln N A ? p D? ? qU ? Eg ? N N e ? ? C V ?kTI ? I0eqU kT即: 正向电流随外加正偏压的增加按指数规律快速增大――重要特性2.2.2 PN结的反向特性1、反向抽取作用――反向PN结空间电荷区具有“抽取”少子的作用宽度变宽比较：平衡PN结?e ?电场加强 平衡? ? E// E ?非平衡势垒加高多子被阻挡――无大电流 少子做贡献――微电流 作用――电阻很大多子电场反向抽取扩散注入少子?e ?扩散2、反向边界少子浓度和分布 平衡PN结n( X P ) ? nP 0 e?qU kTqU kTp ( X N ) ? pN 0 e少子平衡值 少子平衡值?负指数变化电场加强 少子 边界2少子 反向偏置时，边界漂移大于扩散 由于反向抽取， 边界处少子浓度 低于平衡值 。扩散长度KT 由于反向 PN 结外加反向偏压U的数值一般比 大很多，即有 q KT U ，因此 e q? qU KT? 0，所以边界处的少子浓度为：P( X N ) ? 0 n( X P ) ? 0反向电流的转换和传输2Reverse regime本质扩散少子 边界?e ?空穴电流扫过 漂移边界 少子电子电流IR多子被阻挡电子电流空穴电流反向电流实质上是在结附近所产生的少子构成的电流。 一般情况下，少子浓度都很小，因而反向电流也很小。反向饱和电流 反向电压U 和流过PN结的反向电流 IR 之间的关系为 令 UT ? kT qI R ? ? I 0 (e?U UT? 1)? I 0 为反向饱和电流， 在300 K时，UT≈26 mV随着反向电压U的增大，IR 将趋于一个恒定值 -I0 因 少子浓度与本征载流子浓度成正比，并且随温度升高而 快速增大。所以，反向扩散电流对温度十分敏感，随温度 升高而快速增大。 这时 PN结处于截止状态, 呈现的电阻称为反向电阻, 其阻 值很大, 高达几百千欧以上。2.2.3 PN结的正、反向V-A特性 将PN结的正向特性和反向特性组合起来Eg / q反向饱和电流 急剧增大 图有问题！正向电流很小导通电压UTH（称门槛电压）――正向电流达到某一明显数值时 所需外加的正向电压――正常工作区的边界； 室温时，锗PN结的导通电压约为0.25 V，硅PN结为0.5 V。单向导电性leakage? U 正向电阻小 R? ? I 反向电阻大正向导通， 多数载流子扩散电流； 反向截止， 少数载流子漂移电流；正向电压――正向导通；正向注入使边界少数载流子浓度增 加很大 ，成指数规律增加，电流随着电压的增加快速增大； 反向电压――反向截止 ；反向抽取使边界少数载流子浓度减 少，很快趋向于零，电压增加时电流趋于“饱和” ；2.2.4 影响PN结伏安特性的因素(简述)――V-A特性的偏离原因 引起与实验结果偏离的主要原因有： 1. 正向PN结空间电荷区复合电流； 2. 反向PN结空间电荷区的产生电流； 空间电荷的影响 3．PN结表面复合和产生电流； 4. 串联电阻的影响； ――分压压降的影响 5. 大注入的影响； ――小注入条件被破坏 大注入(High-level injection)――注入的非平衡少子浓度 大于平衡时多子的浓度； 6. 温度的影响； ――少子的影响增强(本征激发)1. 正向PN结空间电荷区复合电流；正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入， 载流子浓度高于平衡值;复合地点不同浓度相差很大 复合影响不显著电子和空穴浓 度基本相等 复合影响显著浓度相差很大 复合影响不显著通过空间电荷区复合中心的复合相对较强2. 反向PN结空间电荷区的产生电流；反偏时，由于空间电荷区对载流子的抽取作用，空间电 荷区内载流子浓度低于平衡值，故产生率大于复合率;产生出来的 电子?空穴对产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流; 空间电荷区宽度随着反向偏压的增大而展宽，电荷区的数 目增多，产生电流是随反向偏压增大而增大。3．PN结表面复合和产生电流；(1) 表面电荷引起表面空间电荷区 PN结的空间电荷区被延展、扩大；表面空间电荷区的复合中心将引起附加的正向复合电流和 反响的产生电流，表面空间电荷越大，引起的附加的电流 也就越大。 表面空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大，跟PN结本身的空间电荷区宽度的变化大体相似。(2) 硅?二氧化硅交界面的界面态界面态的复合和产生作用，也同样由于表面空间电荷区而得到加强，它们对PN结也将引进附加的复合和产生电流。表面沟道电流正电荷较多表面漏导电流表面玷污反偏衬底形成N型反型层PN结面积增大， 因而反向电流增大。引起表面漏电 ?也将产生反向电流增加4. 串联电阻的影响PN结的串联电阻（包括体电阻和欧姆接触电阻）RS结上电压降U j ? U ? IRSRSI ? ?I0 (e?U j UT? 1)当电流足够大时，外加电压 的增加主要降落在串联电阻 上，电流?电压特性近似线 性关系。衬底解决办法减小体电阻5. 大注入的影响 P 正向大电流; 注入P区的非平衡少子电子将产生积累;维持电中性必然要求多子空穴也有相同 的积累;修正的正向电流：P EN+Aq(2 Dn )ni I ? e LnqU 2 kT多子空穴存在浓度梯度，使空穴产生扩散，一旦空穴离开，P 区的电中性被打破，在P区必然建立起一个电场E，阻止空穴 的扩散以维持电中性，该电场为大注入自建电场。该电场的 方向是阻止空穴扩散，但有助于加速电子的扩散。相比小注入， 大注入的特点 1、大注入时，空穴的电流密度与P区杂质的浓度 N A 无关 原因：电中性的条件导致空穴的浓度等于少子电子的 浓度，出现了空穴的积累。 2、大注入时，少子电子的扩散系数增加一倍原因： P区产生自建电场，使少子电子扩散的同时， 产生漂移3、小注入时，电流为 I ?eqU / KT ；大注入时，电流为I ?eqU / 2 KT原因：电流增大后，电压不完全降落在空间电荷区域， 有一部分降落在P区6. 温度的影响随温度变化的程度，起决定作用的要算 ni2 n I0∝ i ∝ T 3 e?Eg kT随着温度的升高，PN结正、反向电流都会迅速增大。在室温附近，锗PN结，温度每增加 10℃，I0 增加一倍； 温度每增加 1℃，正向导通电压下降 2mV； 硅PN结，温度每增加 6℃， I0 增加一倍; 温度每增加 1℃，正向导通电压下降 1mV 。2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度采用“耗尽层”近似:空穴电子① 空间电荷区不存在自由载流子，只存在电离施主和电离受主 的固定电荷； ② 空间电荷区边界是突变的，边界以外的中性区电离施主和受 主的固定电荷突然下降为零。2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度结平衡时空间电荷区的宽度: Xm = XP + XN净受主浓度 净施主浓度宽度与它们的杂质浓度成反比;X N NA ? X P ND非对称空间电荷区NP空间电荷区电场强度（等于通过单位横 截面积的电力线数目）在空 间电荷区内各处是不相同的; 平衡时最大场强为边界交界面 边界EM ?qN A X P? S?0交界面上半导体的电容率 真空中每库仑电荷发出的电力线数目为：1?0在 P区若设交界面处x ? 0，则在p区侧从x到X P的体积中，负 电荷的总量为：N A q( X P ? x) A，那么在x处的电力线 数目为： N A q( XP ? x) A? s? 0那么x处的电场为： N A q( X P ? x) A x E ( x) ? ? EM (1 ? ) ? s? 0 XP(0 ? x ? X P )在N区对于N区侧，在空间电荷区X N 到x的体积中，总的正 电荷的总量为：N D q ( X N ? x ) A，那么在x处的电力线 数目为： N D q( X N ? x ) A? s? 0那么x处的电场为： E ( x) ? N D q( X N ? x ) A x ? EM (1 ? ) XN (0 ? x ? X P )? s? 0场强最大s s直线的斜率正比于 掺杂浓度场强为零场强为零突变结电场分布单边突变结――若P区和N区的掺杂浓度相差很大； 如PN+结，N区掺杂浓度远远大于P区; 空间电荷区主要在P区一侧;+N0平衡时Xm ? XN ? XP ? XP宽度主要由低掺杂区N0决定。 非平衡时电场分布低掺杂P区? 2? S ? 0 (U D ? U ) ? Xm ? ? ? N q 0 ? ?对于PN+结，N0=NA 对于P+N结，N0=ND1 2XN2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度以 PN + 单边突变结为例子，空间电荷的宽度为：Xm = XP + XN = XPN区与P区的电位差：? U ? ? E? dx ? U T数值等于曲线下的三角形面积 1 1 U T ? EM X M ? EM X P 2 2 1 qN A X P ? XM 2 ? S? 0=1 qN A 2 XP 2 ? S? 0平衡时UT ? U D? 2? S ? 0 (U D ? U ) ? Xm ? ? ? N q 0 ? ?1 2非平衡时UT ? U D ? U? 2? S ? 0 (U D ? U ) ? Xm ? ? ? N q 0 ? ?1 2“+”对应于加反向偏压 “?”对应于加正向偏压突变结空间电荷区N0 ?1 2N A ND N A ? NDRewrite? 2? ? (U ? U ) ? Xm ? ? S 0 D ? N0 q ? ?UT = UD±U外加偏压2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度用扩散法制造的PN结称为缓变结――主流工艺氧化层 扩散深度PN结结面 衬底Xj 约10-4cm 原材料均 匀浓度外加反偏电压 的有效作用结面表面 结深 外加反向电压较小 可近似看做线性缓变结反向偏压较大可看做单边突变结晶体管一般结深较浅、表面浓度较高――单边突变结1、线性缓变结的电场与半边突变结不同的是，正负空间电荷的宽度相等，有XP + XN = Xm /2当坐标从x变为x ? dx时，空间电荷的电荷总量为： dQ ? AqN ( x)dx ? Aqa j xdx 式中，N ( x) ? N D ( x) ? N A ( x) N ( x) aj ? x当坐标从x变为x ? dx时，电场的增量为： dQ( x) qa j xdx dE ( x) ? = A? o? s ? o? s对空间电荷区积分，电场强度为：qa j x 2 E ( x) ? ? dE ( x)dx ? xdx ? ( ? c) ? ? o? s ? o? s 2 xm 当x ? ? 时，E ( x) ? 0，可得： 2 qa j X 2 m c? 8? o? s E ( x) ? x 2 qa j 2? o? s ? qa j X 2 m 8? o? sqa j线性缓变结的空间电荷区和电场分布 表面浓度很低、结深很深的扩散 结，可看做线性缓变结； 1 XN＝XP＝ X m 对称结 2? ?12? 0? S Xm ? ? ? qa j ?NA非线性1 ? 3 ( U ? U ) ? D ? ? 外加电压 1 3ND线性缓变结2 qa j X m EM ? ? 电场分布呈抛物线 8? 0? SN ( x) 杂质浓度梯度，是一常数 aj ? x问：如何计算？ 是何意义？2、线性缓变结的电位和空间电荷区域的宽度U ( x) ? ? ? E ( x)dx ? ? ( ?? qa j 6? o? s x3 ?x qa j 2? o? s2?qa j X2 m8? o? s)dxqa j X 2 m 8? o? s? c?当x ? 0时，U ( x) ? 0，得c? ? 0qa j X m qa j X m Xm Xm U D ? U ? U (? ) ?U ( )? ? 2 2 24? o? s 8? o? s ?? qa j X m3 12? o? s3 3? ?12? 0? S Xm ? ? ? qa j ?? ( U ? U ) ? D ? ?1 31 32.4 PN结的反向击穿特性正向 反向死区反向饱和电流 反向击穿 反向电流骤然变大 略有增长UBU R? I RB ? 0PN结――导通UB ――发生击穿时的反向偏压称为PN结的击穿电压 手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半 击穿并不意味着PN结 烧坏 ! 击穿机理――目前提出了三种雪崩击穿(Avalanche Breakdown)――高能击穿，可逆强电场――大动能――碰撞――产生 如此继续下去，同雪崩现象一样 ； 常见：半导体的掺杂浓度低； 硅PN结，击穿电压大于6 V的是雪崩击穿； 锗、硅晶体管的击穿绝大多数是雪崩击穿。隧道击穿(Zener breakdown)（齐纳击穿或场致击穿） ――量子贯穿，可逆 势垒区水平距离d 变窄， 发生量子隧道效应； 硅PN结，击穿电压小于4 V 的是隧道击穿；变窄强电场隧道贯穿产生原因：当PN结两边掺入高浓度的杂质时, 其耗尽层宽度很小, 即使外 加反向电压不太高(一般为几伏), 在PN结内就可形成很强的电 场(可达2×106 V/cm), 将共价键的价电子直接拉出来, 产生电子 -空穴对, 使反向电流急剧增加, 出现击穿现象。热电击穿――高热击穿，不可逆反向电流大――热损耗 ――结温上升 ――PN结烧毁Q = I 2R t（焦耳热）禁带宽度小的半导体材料所制成的PN 结（如锗PN结）， 其反向电流大，容易发生热击穿； PN结正常使用的温度要小于允 许的最高结温: 硅管150∽200oC 锗管75∽100oC问：为什么高热会使空间电荷区失效？2.4.2 雪崩击穿电压的估算1、击穿条件的描述 有效电离率――表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离时，碰撞电离产生的电子?空穴对数。 锗PN结 ?eff ? 6.25 ? 10?34 E 7?36 7 硅PN结 ?eff ? 8.45 ? 10 E有效电离率主要集中在电场强度最大处附近； 一个载流子通过势垒区时，由碰撞势垒区电离所产生的电子?空穴对数为?Xm 0? eff dx雪崩倍增因子――电流倍增的程度 。反向电流I 1 M? ? I 0 1 ? X m ? eff dx ?0反向饱和电流击穿条件为?Xm 0? eff dx ? 1M →∞雪崩击穿不仅与电场强度有关，还与空间电荷区宽度有关。由实验得，倍增因子M 随外加偏压U的变化规律为 1 M? 数值 n 根据半导体材料低掺 n ?U ? 杂浓度一侧的导电类型而定。 1? ? ? ? UB ? 一般 n = 7 U↑, M↑2、单边突变结的雪崩击穿电压 （1）击穿的临界电场强度击穿的条件：? ?Xm 0 Xm 0? eff dx ? 1ci E 7 dx ? 1即有对于PN +结 E ( x) ? N A q( X P ? x)? dx ? ?? s? 0 ? s? 0qN A?N Aq? s? 0( X m ? x)dE当在边界x ? 0和x ? X m处 的边界条件为： E (0) ? Em ? E( X m ) ? 0 临界雪崩击穿电压为： EmB ? 8qN A ? ?? ? ? ? o? s ci ?1/ 8? o? sqN AXm（2）雪崩击穿的电压? 对于PN（ N 0 =N A），有? 2? S ? 0 ? Xm ? XP ? ? (U D ? U ) ? ? qN A ? 最大电场强度为： qN A1 2? 2qN A ? EM ? Xm ? ? (U D ? U ) ? ?? 0 ? ? S?0 ?1 2在外界反向电压比U D 大得多，U D 可以忽略不计： UB ? 把EmB ? 8qN A ? ?? ? ? ? o? s ci ??S?02qN A2 EmB1/ 8代入得3/ 41 ? ?S?0 ? UB ? ? ? 2? q ??8? ? ? ? ci ?1/ 4N ?3 / 4单边突变结雪崩击穿电压? Eg ? U B ? 60 ? ? ? 1.1 ?32? N0 ? ? ? 16 ? ? 10 ??3 4雪崩击穿电压低掺杂浓度3、线性缓变结的雪崩击穿电压和单边突变结一样，线性缓变结的雪崩击穿电压为：?2?Xm 0? eff dx ? 1x 做变换x ? ，并将? e ff ? ci E 7 代入上式得 2Xm 2 0ci E 7 dx ? 1qa j x 2 qa j X 2 m 又知 E ( x) ? ? 且 2? o? s 8? o? s qa j EM ? 2? o? s ? Xm ? ? ? 2 ? ?2而线性缓变结的宽度表达式子为： ? ?12? 0? S Xm ? ? ? qa j ? 得 ? 3? 0? S ? (U D ? U ) ? ? ? 2qa j ? 外加电压就是击穿电压，略去U D 后得到 qa j EM ? ? 2? s ? 0 ? ?32? 0? S UB ? ? ? 9qa j ? ? ? ? ?1/ 2 3/ 2 EmB 2 3 1 ? 3 ( U ? U ) ? D ? ? 1 3如单边突变结类似，线性缓变结的宽度表达式子为： EmB 所以得 ? 4 ?? ? 0 ? S UB ? ? 3 ?? qa j ? ? ? ? ? ? 6.29 ? ? ? ? ? c ? ? ? ? i ? ? ?2 1 2 1 5? 1 ? ? ? 0.636c j ? ?? ? qa ? j ? ? ? ? ? ? 2? 0? S ? ? ?1 22 15最大场强q? j ? X m ? EM ? ? ? ? 2? S ? 0 ? 2 ?? Eg ? U B ? 60 ? ? ? 1.1 ?652? ?? 20 ? 3 ? 10 ? ?? ?j?2 52.4.3 影响雪崩击穿电压的因素 击穿电压的因素：杂质的浓度，外延层厚度、扩散结 结深和表面状态。 1、杂质浓度对击穿电压的影响 杂质浓度场强不同如果衬底杂质浓度N0高， 就容易被击穿。2、雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系 外延层（低掺杂区）厚度外延层: 同型材质的 低掺杂区；WW外延层较宽反向偏压增大结面势垒区扩展击穿电压由 N型区的电 阻率决定外延层较薄势垒区扩展：穿通效应； 边界 难以进入重掺杂区；结面外延层较薄场强随着反向偏 压升高而增大增加的反向偏压较低的反向偏 压下就会击穿条件：相同的偏压，N区的掺杂浓度相同但厚度不同。E ( x)E ( x)W ? X mBAFW ? X mBE ( x)xBECx为防止外延层穿通，外延层的厚度必须大于结深X j 和X mB之和3、扩散结结深对击穿电压的影响横向扩散 纵向扩散先发生击穿由于碰撞电离率随电场强度的增加而快速增大，因此他 们的击穿电压为：U B (球) ? U B (柱) ? U B (平面)为减小结深对击穿电压的影响，可采取的措施： 1、深结扩散：增加曲率半径，减弱电场集中现象，提高 雪崩击穿电压；2、磨角法：将电场集中的柱面结和球面结磨去，形成台型的PN结； 3、采用分压环4、表面状态对击穿电压的影响带正电的二氧化硅的正电荷会使：N ? N+ P ?N反型层 势垒宽度变薄， 击穿电压下降 沟道漏电2.5 PN结的电容效应空间电荷区的电荷量随着外加偏压而变化 ―― PN结具有电容效应空穴 Depletion capacitance电子ＰＮ结具有两种电容： 势垒电容和扩散电容。2.5.1 PN结的势垒电容 1、PN结的势垒电容PN结势垒电容(Barrier capacitance)――电容效应发生在势垒区。-+-+ 外加反向偏压减小 结上压降下降 空间电荷区宽度的减小 空间电荷量减少充 电反向偏压增加 结上压降增大 放 电 空间电荷区宽度增大 空间电荷区电荷量增加PN结电容只在外加电压变化时才起作用――交流影响 外加电压频率越高，电容的作用也越显著――高频影响PN结势垒电容与平行板电容器很相似，但有区别。A半导体介质的电容率CT ?随外加电压变化而变化?S?0 AXm结面积注意区别：C??S?0 Ad只要有一定面积，并电荷发生 变化，就会产生电容效应；PN结电容――通直流，空间电荷区宽度可变化， 势垒电容是偏压U的函数； 通常的电容器――隔直流，极板间的距离d是一个常数， 电容量C与电压U无关；2、单边突变结势垒电容? q? S ? 0 N 0 ? CT ? A ? ? ? 2(U D ? U ) ?1 2正向偏压会使势垒电容增大，反向 电压会使势垒电容减小。 比较外加电压C??S?0 Ad什么含义？电位差 UT = UD±U反向电压：+3、线性缓变结势垒电容? ?12? 0? S 已知：X m ? ? ? qa j ? ?S?0 A CT ? Xm 因此：1 ? 3 ( U ? U ) ? D ? ?1 3? a j q? ? A ? CT ? A ? ? ?12(U D ? U ) ?2 2 S 01/ 3? q? S ? 0 N 0 ? 而单边突变结 CT ? A ? ? ? 2(U D ? U ) ?1 2上面的公式均在耗尽层下推倒的，当PN结反偏电压较高 时，耗尽层近似是合理的，然而反向偏压较低，特别是施 加正向偏压时，空间电荷区有大量的载流子通过，PN结 的势垒电容将产生较大的误差，必须进行修正： 不对称突变结：? ? ? ? q? S ? 0 N D ? ? CT ? A ? ? ? ? KT N ? ? A ? 2 (U ? U ) ? ? 1 ? ln D ? ? ? ? ? ? q ? N D ?? ? ? ?1/ 2(N A / N D ? 10)对称突变结：? q? S ? 0 N A ND ? ? ? CT ? A ? ? 2 ( U ? U ) ? 2 KT / q N ? N ? A D? ? ? ? D ?1/ 2(1 ? N A / N D ? 10)线性缓变结? a j q? ? ? CT ? A ? ? ?12(U g ? U ) ?2 2 S 01 3其中：2 kT ?? j ? S ? 0 ? kT q ? ? Ug ? ln ? ? 3 3 q ? 8qni ?4、实际扩散结势垒电容扩散结势垒电容的计算十分复杂，通常采用查表法求得。教材图2.58是在耗尽层近似下，用电子计算机计算的结果绘出的图表曲线，适用于余误差分布和高斯分布。 考虑PN结的势垒电容之后，在交流情况下， PN结可以看成一个交流电导（或动态电阻） 和一个势垒电容相并联的等效电路。2.5.2 PN结的扩散电容(Diffusion capacitance)PN结的扩散电容――空穴?e ?p?e ?扩散区中积累电荷量电子（非平衡少子 ）也随着外加电压而改变；qU kT电子空穴空穴扩散区积累的电荷：QP ? AqpN 0 Lp (e CDP? 1)qU dQP Aq 2 ? ? pN 0 L p e kT dU kTqU kT电子扩散区积累的电荷：QN ? AqnP 0 Ln (e? 1)扩散长度 电子扩散区电容 正向扩散电容CDNqU dQN Aq 2 ? ? nP 0 Ln e kT dU kTCD ? CDP ? CDN空穴扩散区电容qU Aq 2 ? ( pN 0 Lp ? nP 0 Ln )e kT kT扩散电容随正向电压加大呈指数增加，所以和正向电流成正比。2.6 PN结的二极管开关特性(Diode switching behavior)国家标准(GB)对半导体器件型号的命名：A ― 锗材料 N 型 2 ― 二极管 B ― 锗材料 P 型 C ― 硅材料 N 型 D ― 硅材料 P 型P ― 普通管 W ― 稳压管(zenerdiode) Z ― 整流管 K ― 开关管 U ― 光电管例如：2CP 2AP 2CZ 2CW (后面是厂家编号) 二极管(diode)符号：阳极(Anode) 阴极(Cathode) 新符号 稳压二极管 光电二极管 发光二极管旧符号2.6.1 PN结的开关作用 1、二极管的开关作用正向 正向电阻很小 反向饱和 反向电阻很大 死区 反向→略掉正电阻→开关作用看成无穷大斩波，但同相二极管半波整流2、静态开关特性正向静态――处于相对静止的稳定状态； 正向导通时会有一个正向压降： UD = 0.7 V PN结自身有点阻抗； R ?U I死区 Forward voltage dropID UD正向压降PN结特性对温度变化 很敏感，反映在伏安 特性上： 温度升高， 正向特性左移， 反向特性下移。 UD2 UD1 温度升高时，二极管的正向压降将减小，每 增加1℃，正向压降UD大约减小2mV，即具有 负的温度系数。硅二极管2CP-68 4 －150 UB D －100 R U E I －50I / mA C二极管特性 RABI＋ U － U/V0 0.4 0.8 1.2 －10 死区 －20 电压截止时, 一般认为二极管断 开, 反向电阻为无穷大。I / ?A二极管在反向截止时仍流过一定的反向漏电流 I0 。 硅PN结的反向漏电流很小，只有纳安（nA）数量级，数 值越小越好。锗PN结(?A)级。 PN结的整流特性――单向导电性，关键在于耗尽层的存在； PN结的单向导电性只有在外加电压时才表现出来;(a)2.6.2 PN结的开关态反向恢复时间 开关过程只考虑关闭过程―― 从关态转变到开态所需开启时间很短， 从开态转变到关态(U1→U2)所需关闭时间却长得多；反向恢复过程UD输出 正向导通电流开态 贮存时间 下降时间 关态 反向电流 反向导通反向饱和输入stockpile反向恢复时间 trr ? ts ? t ffall反向恢复过程限制了二极管的开关速度。要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不能太短，也就是脉冲的重复频率不能太高，这就限制了开关速度。 反向恢复时间――使输出伴有延迟，决定了工作频率；1 ?? TT 输入电压是一连串 正负相间的脉冲负脉冲的持续时间T比二极 管的反向恢复时间大得多负脉冲并不能 使二极管关断PN结的电荷贮存效应――反向延迟的原因反向恢复过程 是由电荷贮存效应引起的；正向偏压正向导通时少数载流子积累 的现象，叫电荷贮存效应; ――电流惯性正向电流越大，贮 存电荷量越多，曲 线向上越高。反向时P区积累的 电子极容易通过正向导通时 在各区的贡献E反向恢复过程中的载流子浓度的变化反向抽取动态变化在各区的残留电荷①变到④这段时间就是贮存时间 tsU2 IF ? 贮存电荷的贡献 R反向饱和I0⑤变到⑥过程所需的时间就是下降时间 tf贮存电荷量越多，二极管的反向恢复时间就越长。加快反向抽取变化， 增大初始反向电流 IF ，即要求增大U2 ，减小 R2.6.3 提高PN结开关速度的途径1、减小正向导通时非平衡载流子的贮存量Q 减小正向电流 IDn ? X P ? ? nP 0 eqU kT降低 P区电子 的扩散长度 从结构来考虑降低少数载流子的寿命Ln ? Dn? n2、加快贮存电荷量Q消失的过程――最有效反向恢复时间随抽出电流的变化U1 ? U D ID ? RIF 越大， 反向恢复时间 trr 就越小IF1 & IF2 & IF3掺 金――金扩散。实验指出，掺金二极管的反向恢复时间 是未掺金的几十分之一。在注入电流和抽出电流相等（即 ID = IF）的条件下， 对突变结， trr =0.9τ；对缓变结，trr =0.5τ2.7 金属?半导体的整流接触和欧姆接触当金属与半导体接触时，有二种物理接触效果： 整流接触――在半导体表面形成了一个表面势垒 (阻挡 层)，和PN结类似，有整流作用。 ――肖特基接触(势垒) ； 欧姆接触――形成没有整流作用的反阻挡层（高电导区）。 等效为一个小电阻（低阻率）。M金属N半导体基体2.7.1 金属?半导体接触的表面势垒 金属的功函数（也称逸出功――逃离能）周围外部空间 金属的功函数Wm ? E0 ? EFm金属体内金属中电子 的最高能量半导体的功函数周围外部空间 体内逃离共价键金属与半导体相接触时，电子将从功函数（或称逸出功） 小的地方跑到功函数大的地方。若 N型半导体同一金属紧密接触， Wm&Wn，即 EFm& EFN界面表面势垒（阻挡层）半导体中电子能量较大―易进入金属―金属带负电―半导体 带正电（施主离子 ）―形成空间电荷区（类似PN结）―能带 将弯曲―形成势垒―接触电位差―到平衡―费米能级拉平 接触电位差1 U D ? ( EFN ? EFm ) q电子的势垒高度?mN ? EC ? EFm同理，若P型半导体紧密接触金属，功函数 Wp & Wm，表面势垒（阻挡层）接触电位差空穴的势垒高度1 U D ? ( EFm ? EFP ) q?mP ? EFm ? EV2.7.2 金属?半导体接触的整流效应与肖特基二极管 金属?半导体接触的整流效应Wm&Wn金属N型半导体+--+平衡时 即未加偏压金属加正压 半导体加负压 半导体中势垒降低 流向金属电流增加 正向电流金属加负压 半导体加正压 半导体中势垒增加 流向金属电流降低 反向电流加正、反向电压时所产生的电流大小不同――有整流效应肖特基二极管 PN结二极管的电流?电压特性曲线及符号导通电压肖特基二极管的电流?电压特性曲线及符号导通电压肖特基二极管与PN结二极管有一些不同的特点: 肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数 载流子进入金属形成的，它是多数载流子器件。具有更好的高频特性。对于相同的势垒高度，肖特基二极管的反向扩散饱和电流 要比PN结的反向饱和电流 I0 大得多。 有较低的正向导通电压，一般为 0.3 V 左右 。2.7.3 欧姆接触 如果将N型半导体同功函数较小的金属接触(a)， 或 P型半导体同功函数较大的金属接触(b)， 则在平衡时靠近表面处将形成一个载流子浓度更大的高电导区 ――反阻挡层EFm & EFN解释 “反” ？ 反阻挡层：（高电导层）没有整流作用！ EFm & EFP形成欧姆接触的方法:1．低势垒接触一般金属同P型半导体的接触势垒都较低， 如金?P型硅接触势垒约为0.34 eV， 而铂?P型硅形成的势垒只有0.25 eV ; 2．高复合接触高复合中心将成为高产生中心，使反向电流变得很大，反 向的高阻状态就不存在。3．高掺杂接触 半导体区高掺杂接触的反向阻抗减小; 大部分半导体器件的欧姆接触都采用这种方法。制造欧姆电极的常用材料 半导体 N型欧姆接触合金材料 材料 锗 锡、锡锑合金、锡砷合 金、铅锑合金、铅锑锡 合金、金锑合金 硅 金锑合金、金砷合金、 银铅锑合金、镍、铝 P型欧姆接触合金材料 铟、铟铅合金、铟镓合金、 金镓合金、金锗合金 铝、铝镓合金、铝锡合金、 金硼镓合金、镍砷化镓 金锡合金、金硒合金、 金锌合金、银锌合金、银铋 银合金、锡铝合金、铟 合金、银锰合金、铟、铟锌 合金本章习题及思考题Page 1143. 6. 7. 17. 20.
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