尼曼 半导体物理与器件第七章.ppt

第七章pn结,0,高等半导体物理与器件第七章pn结,第七章pn结,1,双极晶体管,pn结二极管,肖特基二极管,欧姆接触,JFET、MESFET、MOSFET、HEMT,从物理到器件,双端MOS结构,统计物理,能带理论,第七章pn结,2,概述,前情提要热平衡状态下的电子与空穴浓度，确定费米能级位置存在过剩电子与空穴的非平衡状态本章内容pn结的静电特性后续通用性建立一些基本术语和概念分析pn结的基本技巧也适用于其他半导体器件,第七章pn结,3,主要内容,pn结的基本结构及重要概念pn结零偏下的能带图pn结空间电荷区的形成，内建电势差和空间电荷区的内建电场反偏pn结空间电荷区变化势垒电容突变结,第七章pn结,4,pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。重点概念：空间电荷区、耗尽区、势垒区、内建电场、内建电势差、反偏、势垒电容等等。分析pn结模型的基础：载流子浓度、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运方程。,第七章pn结,5,同一半导体内部，一边是p型，一边是n型，在p型区和n型区交界面（冶金结）附近形成pn结。不简单等价于一块p型半导体和n型半导体的串联。pn结具有特殊的性质：单向导电性，是许多重要半导体器件的核心。突变结：每个掺杂区的杂质浓度均匀分布，在交界面处，杂质的浓度有一个突然的跃变。,7.1pn结的基本结构,冶金结,第七章pn结,6,pn结的空间电荷区和内建电场,浓度差,多子扩散,杂质离子形成空间电荷区,内建电场,阻止多子的进一步扩散,促进少子的漂移,动态平衡（零偏）,第七章pn结,7,pn结两侧电子空穴浓度梯度，电子空穴分别由n型区、p型区向对方区域扩散，同时n型区留下固定的带正电施主离子，p型区留下固定的带负电受主离子。此固定的正负电荷区为空间电荷区，空间电荷区中形成内建电场，内建电场引起载流子的漂移运动，载流子漂移运动与扩散运动方向相反，最后达到平衡。空间电荷区载流子基本耗尽，因此空间电荷区称作耗尽区。,pn结指p型和n型半导体形成的界面，该界面包括整个空间电荷区在内的区域。而空间电荷区之外的部分与独立的掺杂半导体性质相同，不属于pn结区域。,基本耗尽：载流子浓度和杂质浓度差别巨大（数量级的差别）,热平衡pn结的任何区域（包括空间电荷区）n0p0=ni2成立,第七章pn结,8,7.2零偏,平衡态的pn结空间电荷区中存在一个内建电场，该电场在空间电荷区的积分就形成一个内建电势差，从能带图角度看在n型和p型区间建立一个内建势垒，该内建势垒高度：,内建电势差维持n区多子电子与p区少子电子间以及p区多子空穴与n区少子空穴间的平衡（扩散与漂移的平衡）。由于空间电荷区是电子的势垒，因而空间电荷区（耗尽区）又称作势垒区。,第七章pn结,9,平衡状态pn结：,参照前边图中Fn、Fp的定义：,则内建电势差为：,注意：Nd、Na分别表示n区和p区内的有效施主掺杂浓度和有效受主掺杂浓度。,接触电势差的大小直接和杂质浓度、本征载流子浓度、以及热电压（温度及分布）相关。,（1）内建电势差,第七章pn结,10,（2）电场强度,p,n,E,-xp,+xn,+eNd,-eNa,内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度和电荷密度关系由泊松方程确定：,其中，为电势，E为电场强度，为电荷密度，s为介电常数。从图可知，电荷密度(x)为：,突变结,(C/cm3),第七章pn结,11,p侧空间电荷区内电场可以积分求得：,边界条件：x=-xp时，E=0,相应，n侧空空间电荷区电场：,边界条件：x=xn时，E=0,第七章pn结,12,p侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连续，即：,-xp,+xn,+eNd,-eNa,-xp,+xn,0,E,因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有关系：,空间电荷区整体保持电中性,空间电荷区主要向低掺杂一侧延伸,(C/cm3),p,n,第七章pn结,13,根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势：,确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=-xp处电势为0，则可确定C1和p区内的电势值为：,同样的，对n区内的电场表达式积分，可求出：,第七章pn结,14,-xp,xn,0,E,p,n,=0,=Vbi,电子电势能（-e）和距离是二次函数关系，即抛物线关系,显然，x=xn时，=Vbi，因而可以求出：,当x=0时，n、p区电势值连续，因而利用p区电势可求出：,第七章pn结,15,（3）空间电荷区宽度,p,n,xp+xn,由整体电中性条件要求，已知：,例7.2,空间电荷区宽度与掺杂浓度有关,将上式代入,则可得到：,空间电荷区宽度为：,第七章pn结,16,热平衡，pn结处存在空间电荷区和接触电势差。内建电场从n区空间电荷区边界指向p区空间电荷区，内建电场在p、n交界处最强。热平衡，p区、n区及空间电荷区内具有统一费米能级。空间电荷区内漂移电流和扩散电流平衡，无宏观电流。p、n两侧空间电荷总数相等，对外保持整体的电中性。空间电荷区内几乎无自由载流子、因而又称耗尽区。空间电荷区内形成内建电场，表现为电子势垒，因而又称势垒区。空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关。,第七章pn结,17,7.3反偏,pn结的反向偏置状态反偏：p区施加相对于n区的反向电压。外加电场方向和内建电场相同。反偏电压几乎全部施加于空间电荷区，而中性区电压几乎为0。外加电场使n区费米能级下拉，下拉幅度等于外加电压引起电子势能变化量。pn结上总的势垒高度增大为：,第七章pn结,18,（1）空间电荷区宽度与电场,空间电荷量增大,反偏电压,空间电荷区电场增强,势垒升高,空间电荷区宽度增加,将零偏时空间电荷区宽度公式中的Vbi用Vbi+VR=Vtotal代替，即可求出反偏时的空间电荷区宽度:,例7.3,第七章pn结,19,空间电荷区电场增强，电场强度和电荷的关系仍满足泊松方程。,由于xn和xp增大，因而最大场强也增大。将xn或xp中的Vbi替换为Vbi+VR可得到：,加反偏电压后，pn结空间电荷区宽度、电荷量及电场的变化。,随反偏电压增加，空间电荷区电荷量也增加。类似电容充放电效果，因而反偏pn结可表现为一个电容特性。,第七章pn结,20,（2）势垒电容（结电容）,其中，变化的电荷数量为增加（或减少）的空间电荷区宽度内的电荷数量，因而其值为:,可以看到，电荷变化量正比于空间电荷区宽度变化量。空间电荷区宽度与反偏电压的关系为：,势垒电容（结电容）的定义：,第七章pn结,21,则可得到：,由上式可知：势垒电容的大小与s（材料）、Vbi（掺杂水平）、Na、Nd及VR等因素有关。将W代入上式，得到：,这表明势垒电容可等效为其厚度为空间电荷区宽度的平板电容,例7.5,注意：势垒电容的单位是F/cm2，即单位面积电容,第七章pn结,22,（3）单边突变结,假设有p+n结，即pp0nn0，NaNd，相应有：,第七章pn结,23,势垒电容和反偏电压有关系：,可以看到，单边突变结C-V特性可以确定轻掺一侧的掺杂浓度。这是C-V法测定材料掺杂浓度的原理。,第七章pn结,24,7.4结击穿,特定反偏电压下，反偏电流会快速增大。此特定电压为击穿电压。击穿的物理机制齐纳击穿（隧穿过程）：重掺杂pn结，反偏条件下强电场结两侧的导带与价带距离非常近。雪崩击穿（雪崩效应）：大多数pn结的主导击穿机制。,第七章pn结,25,(b)雪崩击穿,(a)齐纳击穿,第七章pn结,26,其中，Mn为倍增因子。空穴电流在耗尽区内由n区到p区的方向逐渐增大，且在x=0处达到最大值。稳态下，pn结内各处的电流为定值。某一x处增量电子电流表达式可写为,假定x=0处反偏电子电流In0进入了耗尽区，如右图所示。由于雪崩效应的存在，电子电流In会随距离的增大二增大。在x=W处，电子电流可写为,其中，n与p分别为电子与空穴的电离率。,第七章pn结,27,因此，上式可写为,假设电子与空穴的电离率相等，即n=p别为；化简并在整个空间电荷区对上式积分后，可得,总电流I可以写为，它为常数。则,代入dIn(x)/dx，得,将代入上式，得,第七章pn结,28,电离率是电场的函数。由于空间电荷区内的电场不是恒定的，所以上式计算不是很容易。,因为MnIn0I，In(0)=In0，因此上式改写,使倍增因子Mn达到无穷大的电压，定义为雪崩击穿电压。因此，产生雪崩击穿的条件为,第七章pn结,29,假设一个p+n结，其最大电场强度由下式给出：,耗尽区宽度xn可由下式近似求得：,其中，VR为反偏电压的大小，忽略了内建电势差Vbi。若将VR定义为击穿电压VB，则最大电场Emax相应就是临界电场Eerit。结合上述两式，得,其中，NB为单边结中低掺杂一侧的掺杂浓度。,第七章pn结,30,右图所示的临界电场是掺杂浓度的函数。前面讨论的是均匀掺杂的平面结。,线性缓变结击穿电压会下降。