半导体物理基础(6).ppt

Chapter6p nJunctions p n结 5 1FabricationOfp nJunction 1 AlloyedJunctions 合金结 2 DiffusedJunctions 扩散结 3 IonImplantation 离子注入 4 EpitaxialGrowth 外延生长 图1p n结基本结构 合金温度 降温再结晶 扩散 缓变结与突变结 当p型半导体和n型半导体接触在一起时 在两者的交界面处存在着一个过渡区 通常称为p n结 5 2Equilibriump nJunction 1空间电荷区 Spacechargeregion 的形成 平衡状态下的结 刚接触 扩散 漂移 达到动态平衡 阻挡层 扩散 漂移 内建电场 漂移 耗尽区Depletionregion EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同 2能带图 Enerybanddiagram 3 接触电势差 TheContactPotential VD 平衡时 n型半导体中的电子浓度为 p型半导体中的电子浓度为 势垒高度 ND NA 4 空间电荷区宽度 Spacechargeregionwidth 突变结 5载流子分布 Carrierdistributions 5 3 p n结电流 电压特性 1 势垒区的自由载流子全部耗尽 并忽略势垒区中载流子的产生和复合 I Vcharacteristicofap njunction 现假设 2 小注入 注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度 在注入时 扩散区的漂移电场可忽略 外加电场与内建电场方向相反 削弱了内建电场 因而使势垒两端的电势差由VD减小为 VD Vf 相应地势垒区变薄 外加电场削弱了漂移运动 使 漂移 扩散 1 正向偏置 Forwardbias 这种由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为电注入 Spacechargeregion Neutralregion Diffusionregion 这两股电流之和就是正向偏置下流过p n结的电流 P区空穴向n区扩散 空穴扩散电流 n区电子向P区扩散 电子扩散电流 根据电流连续性原理 通过p n结中任一截面的总电流是相等的 只是对于不同的截面 电子电流和空穴电流的比例有所不同而已 考虑 xp截面 忽略了势垒区载流子的产生和复合 正向偏置时 半导体内的载流子浓度分布 加正向偏置V后 结电压为 VD Vf 在xp处注入的非平衡电子浓度为 在xn处注入的非平衡空穴浓度为 同理 肖克莱方程 外加电场Vr与内建电场方向一致 扩散 漂移 2 反向偏置 Reversebias VD增大为 VD Vr 相应地势垒区加宽 势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区 使边界处的少子浓度低于体内 产生了少子的扩散运动 形成了反向扩散电流 类似于正向偏置的方法 可求得反向电流密度 式中 Js不随反向电压变化 称为反向饱和电流密度 负号表示反向电流方向与正向电流方向相反 Jr与反向电压Vr无关 是因为当反向电压V的绝对值足够大时 边界上的少子浓度为零 p n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示 正向 V Vf反向 V Vr p n结的伏 安特性 3 I Vcharacteristicofap njunction 单向导电性 整流 Ge Si GaAs 0 3 0 7 1V 温度影响大 单边突变结 I V特性由轻掺杂一边决定 影响p n结伏 安特性的主要因素 产生偏差的原因 1 正向小电压时忽略了势垒区的复合 正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降 2 在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流 空间电荷区的复合电流 空间电荷区的产生电流 注入p n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布 大注入 扩散区产生内建电场 p n结的直流伏 安特性表明 1 具有单向导电性 2 具有可变电阻性 5 4 p n结电容 Capacitanceofp nJunctions p n结电容包括势垒电容和扩散两部分 1 势垒电容CT 由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应 势垒电容 也称结电容 Junctioncapacitance 势垒电容 对于线性缓变结 对于突变结 对于突变结 其中 由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化 相当于电容的充放电 这种电容称为扩散电容 2 扩散电容 也称电荷存储电容 chargestoragecapacitance 由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化 相当于电容的充放电 这种电容称为扩散电容 也称电荷存储电容 chargestoragecapacitance CT与CD都与p n结的面积A成正比 且随外加电压而变化 点接触式二极管面积很小 CT CD 0 5 1pF 面结型二极管中的整流管面积大 CT CD 几十 几百pF 3 总电容 p n结的总电容为两者之和 正向偏置p n结时 以CD为主 Cj CD反向偏置p n结时 以CT为主 Cj CT 5 5 p n结的击穿 Berakdown 在反向偏置下 当反向电压很大时 p n结的反向电流突然增加 从而破坏了p n结的整流特性 p n结的击穿 p n结中的电场随着反向电压的增加而增加 少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大 当载流子的动能大到一定数值后 当它与中性原子碰撞时 可以把中性原子的价电子激发到导带 形成电子 空穴对 碰撞电离 1 雪崩击穿 Avalancheberakdown 连锁反应 使载流子的数量倍增式的急剧增多 因而p n结的反向电流也急剧增大 形成了雪崩击穿 影响雪崩击穿电压的主要因素 1 掺杂浓度 掺杂浓度大 击穿电压小 2 势垒宽度 势垒宽度足够宽 击穿电压小 3 禁带宽度 禁带宽度越宽 击穿电压越大 4 温度 温度升高 击穿电压增大 2 齐纳击穿 Zenerberakdown 或隧道击穿 是掺杂浓度较高的非简并p n结中的击穿机制 根据量子力学的观点 当势垒宽度XAB足够窄时 将有电子穿透禁带 当外加反向电压很大时 能带倾斜严重 势垒宽度XAB变得更窄 造成很大的反向电流 使p n结击穿 XD XAB 影响齐纳击穿电压的主要因素 1 掺杂浓度 掺杂浓度大 击穿电压小 2 禁带宽度 禁带宽度越宽 击穿电压越大 3 温度 温度升高 击穿电压下降 齐纳击穿电压具有负的温度系数 而雪崩击穿电压具有正的温度系数 这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法 掺杂浓度高 反向偏压不高的情况下 易发生齐纳击穿 相反 易发生雪崩击穿 3 热击穿 禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿 6 p n结中的隧道效应 当p n结的两边都是重掺杂时 1 费米能级分别进入导带和价带 2 势垒十分薄 在外加正向或反向电压下 有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流 隧道电流 平衡时 加正向电压的情况 加反向电压的情况 隧道二极管的优点 温度影响小 高频特性良好 7 p n结的光生伏特效应 如果用h Eg的光照射具有p n结结构的半导体表面 那么只要结的深度在光的透入深度范围内 光照的结果将在光照面和暗面之间产生光电压 光生伏特效应 试述平衡p n结形成的物理过程 它有什么特点 画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向 2 内建电势差VD受哪些因素的影响 锗p n结与硅p n结的VD哪个大 为什么 3 试比较平衡p n结 正向偏置p n结 反向偏置p n结的特点 4 写出p n结整流方程 并说明方程中每一项的物理意义 5 p n结的理想伏 安特性与实际伏 安特性有哪些区别 产生的原因是什么 复习与思考 6 p n结为什么有电容特性 与普通电容相比