第二章 PN结.ppt

1 微电子器件与IC设计 第2章PN结 2 据统计 半导体器件主要有67种 另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成 pn结金属 半导体接触MOS结构异质结超晶格 半导体器件物理 两种或两种以上不同的极薄 几埃到几百埃 半导体单晶薄膜交替地生长在一起而形成的周期性结构材料 在原子尺度上人工设计和改变材料的结构参数和组分 改变材料的能带结构和物理性能 3 第2章PN结 2 1PN结的形成及空间电荷区2 2PN结直流V I特性2 3PN结电容2 4PN结击穿 4 2 1PN结的形成及空间电荷区 2 1 1 PN结的形成及类型1 PN结含义 在一块N型 或P型 半导体单晶上 用特定的工艺方法把P型 或N型 杂质掺入其中 使这块单晶相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类型 在二者交界面的过渡区即称为PN结 5 半导体二极管 半导体二极管按结构分为点接触型和面接触型点接触型 a 适用于高频电路 面接触型 b 适用于整流 c 是硅平面工艺型二极管的结构图 是集成电路中常见的一种形式 6 2 1 1 PN结的形成及类型 2 PN结的类型 1 突变结单边突变结P N结N P结 7 2 1 1 PN结的形成及类型 2 缓变结 8 2 1 1 PN结的形成及类型 3 实际PN结近似缓变PN结附近杂质浓度有两种近似处理方法A 线性缓变结近似B 突变结近似 9 2 1 1 PN结的形成及类型 线性缓变结近似适用于表面杂质浓度较低 结深较深的缓变结 10 2 1 1 PN结的形成及类型 突变结近似适用于表面杂质浓度较高 结深较浅的缓变结 11 2 1 2 空间电荷区 空间电荷区形成内建电场 内建电场阻止多子扩散 载流子浓度差 内建电场促使少子漂移 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区的形成 12 2 1 2 空间电荷区 空间电荷空间电荷区 基本概念 13 2 1 3 平衡PN结能带图 没有外加偏压 内建电场内建电势差VD 基本概念 形成PN结前 形成PN结后 平衡PN结有统一的费米能级 14 2 1 3 PN结能带图 平衡PN结能带图空间电荷区又称势垒区耗尽层 注意 由 多子 变成 少子 15 2 1 4 PN结内建电势差 求VD 16 2 1 4 PN结内建电势差 式中NA P区掺杂浓度 ND N区掺杂浓度ni 本征载流子浓度 对于锗PN结 通常可取VD 0 3 0 4V对于硅PN结 通常可取VD 0 6 0 7V 1 突变结 17 2 1 4 PN结内建电势差 式中 杂质浓度梯度 X Xj Xm PN结势垒宽度 2 线性缓变结 3 推论 18 2 1 5 平衡PN结载流子浓度分布 势垒区本征费米能级随x的变化 1 空间电荷区内的载流子浓度 2 空间电荷区边界的少数载流子浓度 19 2 2PN结直流V I特性 肖克莱方程 非平衡PN结处于一定偏置状态下的PN结称为非平衡PN结 当P区接电源的正极 N区接电源的负极 称为正向PN结 反之 则称反向PN结 外加电压基本降落在势垒区 20 2 2 1 正向PN结 1 势垒的变化正向电压使势垒区宽度变窄 势垒高度变低外加电场与内建电场方向相反 空间电荷区中的电场减弱 破坏扩散与漂移运动间的平衡扩散运动强于漂移运动 注入少子 注入的少子边扩散边复合 21 正向偏置时 扩散大于漂移 N区 P区 空穴 电子 P区 N区 扩散 扩散 漂移 漂移 N P 22 2 2 1 正向PN结 2 正向PN结中载流子的运动电流在N型区中主要由电子携带电流在P型区中主要由空穴携带通过PN结的电流在扩散区内实现电流载体转换 23 正向的PN结电流输运过程 电流传输与转换 载流子的扩散和复合过程 24 电子扩散 空穴漂移 空穴扩散 电子漂移 P N 25 2 2 2 反向PN结 1 反向PN结的少子抽取反向电压使势垒区宽度变宽势垒高度变高外加电场与内建电场方向相同增强空间电荷区中的电场破坏扩散漂移运动平衡漂移运动强于扩散运动抽取少子 26 N区 P区 电子 空穴 P区 N区 扩散 扩散 漂移 漂移 反向偏置时 漂移大于扩散 N P 27 2 2 2 反向PN结 2 反向PN结中载流子的运动 28 2 2 3非平衡PN结的能带图 1 正偏 2 反偏 29 2 2 4 V I特性方程 1 理想PN结模型 1 小注入 即注入的非平衡少数载流子浓度远低于平衡多子浓度 即掺杂浓度 2 外加电压全部降落在势垒区 势垒区以外为电中性区 3 忽略势垒区载流子的产生 复合作用 通过势垒区的电流密度不变 4 玻尔兹曼边界条件 5 忽略半导体表面对电流的影响 30 2 2 4 V I特性方程 2 坐标以xn xp为坐标原点分别建立坐标系 步骤 求解 非少子 的扩散方程 求 非少子 浓度的边界值 求 非少子 浓度梯度 分别求电子 空穴的扩散电流密度 求PN结电流 31 2 2 4 V I特性方程 32 2 2 4 V I特性方程 33 2 2 4 V I特性方程 34 2 2 4 V I特性方程 肖克莱方程 反向电流 35 2 2 4 V I特性方程 单边结近似对于P N结NA ND对于N P结ND NA 讨论 36 2 2 5 V I特性方程的补充 3 5为实际PN结的情况 1 2 3 小电流下 正向电流比理论值大 要考虑势垒复合电流的影响 4 大电流下 正向电流比理论值小 势垒区以外存在大注入自建电场 5 反向电流比理论值大 要考虑表面漏电流及势垒产生电流JG的影响 6 当T升高时 JF增大 JR增大 37 2 3PN结电容 PN结电容 势垒电容 扩散电容 38 2 3 1 势垒电容 1 势垒电容的来源当外加电压周期性变化时 载流子则周期性地流入或流出势垒区 相当于电容周期地充电 放电 这就是PN结势垒电容 39 2 3 1 势垒电容 2 突变结势垒电容计算 40 2 3 1 势垒电容 3 势垒电容的讨论 1 PN结势垒电容和平板电容不同 是非线性电容 2 PN结在正偏 零偏及反偏压下均具有电容效应 3 PN结势垒电容与外加电压有关正偏电压越高 电容越大 反偏电压越高 电容越小 4 PN结势垒电容与其杂质浓度分布有关 5 由于采用耗尽层近似 反偏下 计算的结果与实际值接近 而正偏下计算的CT则误差较大 41 2 3 2 PN结扩散电容 正向偏压时 扩散区的电荷随外加电压的变化所产生的电容效应称为 扩散电容 当PN结外加正向偏压V 在其势垒区二边的扩散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累 当V升高 注入的 少子 电荷增多 相当于电容 充电 当V降低 注入的 少子 电荷减少 相当于电容 放电 42 2 3 2 PN结扩散电容 43 2 4PN结击穿 2 4 1 PN结击穿的含义PN结反向电压超过某一数值时 反向电流急剧增加的现象称为 PN结击穿 这时的电压称为击穿电压 VR 44 2 4 2 产生击穿的机制 45 2 4 2 产生击穿的机制 1 雪崩击穿PN结加大的反向偏压 载流子从电场获得能量 载流子与势垒区晶格碰撞 能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子 空穴 新形成的电子 空穴被电场加速 碰撞出新的电子 空穴 载流子倍增硅PN结发生雪崩击穿的电场强度为105 106V cm非破坏性可逆击穿 46 2 4 2