半导体器件物理CH2-3

1、1,4。扩散电容,反向偏置耗尽层电容占据了结电容的大部分，,正向偏置中性区少数载流子密度的再分布对结电容有贡献 -扩散电容 。,正向偏置 + 一小的交流信号：,总电压：,总电流：,可得到耗尽区边界的电子和空穴密度随时间的变化。,将总电压代入如下方程,2,耗尽区边界的空穴密度小信号交流分量：,若 V1kT/q=VT,耗尽区边界的电子密度也类似：,直流分量,交流分量,耗尽区边界的空穴密度：,3,将pn代入连续性方程，,或：,考虑到G=0，,4,边界条件：,N型中性区宽度LP ，可得到N型中性区空穴的交流分量 ：,x=xn 处，空穴电流密度 ：,5,总交流电流密度 ：,交流导纳 ：,x=-xp 处，

2、电子电流密度 ：,6,频率比较低 ： (p , n 1),扩散电导：,低频扩散电容：,归一化扩散电导和扩散电容与 的关系。,7,5。结的击穿,P-n 结上加足够高的电场击穿，并通过很大的电流。,热击穿的反向电流-电压特性,1。热不稳定性,高的反向电压下反向电流引起热耗散，若热量不能及时传递出去，结温增加，结温增加反过来增加了反向电流和热耗散的增加。,恶性循环，直到结烧坏。,禁带宽度小，易发生热击穿。,改善散热，温度较低，该击穿不重要。,8,2。隧道击穿（齐纳击穿）,电子的隧道效应在强电场下迅速增加,随着反向偏压的增加，势垒区电场不断加强，能带弯曲增加。 势垒区内强大的电场使其中的电子获得相当大

3、的附加静电势能， 当反向偏压足够高时，附加的静电势能可以使一部分价带电子的能量达到甚至超过导带底电子的能量。,PN结隧道效应示意图,W,电子有一定的隧穿几率,隧穿几率与 x有关,9,PN结隧道击穿的电流-电压特性,隧道电流随Eg的增大而减小： Eg增加，水平距离增加。,隧道电流随外加电压的增加而增加： 外加反向偏压越大，电场越强，能带弯曲越陡，水平距离越小，隧穿几率越大。,由隧道效应决定的击穿电压具有负温度系数： 常用半导体材料的禁带宽度随温度增加而减小。,10,3。雪崩击穿,反向偏压的增加，结内电场增加，通过势垒区的电子和空穴在强电场作用下 获得的能量逐渐增加，当能量足够大时，通过与晶格原子

4、的碰撞使价带电子激发 到导带，形成新的电子空穴对-碰撞电离。,最重要的结击穿机制 ，雪崩击穿电压确定了大多数二级管反向偏压的上限。,新生的电子和空穴在电场作用下和原有电子-空穴一起获得能量，与晶格碰撞 产生 第二代电子和空穴。,如此循环，电子和空穴不断倍增，数目急剧增加，反向电流急剧增加，最终引起Pn 结击穿。,类似雪崩，雪崩击穿,11,电离率 a :,一个电子或空穴走过单位距离所产生的电子-空穴对数目.,an和ap均与电场有强烈的依赖关系.,倍增因子:,雪崩击穿电压:,倍增因子M趋近无限大时的电压.,对于具有相同电离率的半导体,击穿条件可用积分表示:,12,击穿电压,单边突变结,线性缓变结,

5、轻掺杂一侧的电离本底杂质浓度,杂质浓度梯度,最大电场,普适公式：,单边突变结,线性缓变结,13,Ge，Si ，晶向GaAs和GaP单边突变结的雪崩击穿电压计算值与杂质浓度的关系。,最高掺杂浓度,当超出此浓度时为隧穿机制.,杂质浓度对击穿电压的影响：,14,单边突变GaAs结的雪崩击穿电压与晶向的关系。和晶向,的VB与晶向的比较.,这里击穿电压基本上与晶向无关.,15,Ge，Si ，晶向GaAs和GaP线性缓变结的雪崩击穿电压与杂质浓度梯度 的关系。,16,Ge，Si晶向GaAs和GaP单边突变结在击穿时的耗尽层宽度和最大电场随本底掺杂浓度的关系。,17,Ge，Si晶向GaAs和GaP线性缓变结

6、在击穿时的耗尽层宽度和最大电场随掺杂浓度的关系。,18,介于突变结和缓变结之间的扩散结的击穿电压与本底掺杂浓度和杂质浓度梯度的关系.,a很大而NB很小,NB高而a小.,19,半导体外延层厚度与雪崩电压的关系：,若半导体层W小于Wm，器件在比较低的反偏压下, 将贯通，穿透半导体层。,pn结的空间电荷区随反向电压的增加而增加。 前面讨论假设半导体足够厚，能够提供击穿时的耗尽层宽度Wm。,穿通电压,20,WWm和WWm的单边突变结的电场分布。,WWm和WWm的单边突变结击穿时的电场分布和击穿电压大小。,同样材料的穿通与非穿通二极管的最大电场基本相同，可以得到穿通二极管的击穿电压：,W,21,在掺杂浓

7、度足够低时，通常发生贯通。,p+-n+ 或p+-n+结的击穿电压。,对于确定的外延层厚度，当掺杂浓度减少到对应与外延层穿透时，击穿电压基本不随掺杂浓度变化，趋于恒定值。,22,温度对击穿电压的影响：,归一化的雪崩击穿电压与晶格温度的关系。,在较高的温度下，对于比较底的掺杂浓度，击穿电压有很大的提高。,高温时，恒定电场下，行进单位距离的载流子有更多的能量损失给晶格。,23,实测的n+-p二极管反向IV特性温度关系。,24,结曲率效应：,对于平面结，有结曲率效应，在柱面和球面区有较高的电场强度，雪崩击穿电压由这些区域决定。曲率半径愈小，击穿电压愈低。,通过矩形掩膜扩散形成近似的柱面和球面区。,柱面

8、和球面区引起电场集中，电场强度大于平面结。,25,柱面和球面结的归一化击穿电压与归一化曲率半径的关系。,26,隧道击穿与雪崩击穿的区别:,1）掺杂浓度对二者的影响不同,隧道击穿取决于穿透几率，与禁带的水平间距有关，掺杂浓度越高，空间电荷区的宽度越窄，水平间距越小，易击穿。因此隧道击穿通常只发生在两侧重掺杂的PN结中。 雪崩击穿是碰撞电离，载流子能量的增加有一个过程，因此除了与电场强度有关之外，空间电荷区越宽，碰撞次数越多。因此，在掺杂浓度不高时的击穿通常是雪崩击穿。,2）外界作用对二者击穿机理的影响不同：,雪崩击穿是碰撞电离的结果，所以光照和快速的离子轰击能够引起倍增效应； 但这些外界作用对隧

9、道击穿不会有明显的影响。,3）温度对二者击穿机理的影响不同：,隧道击穿的击穿电压具有负温度系数特性，主要是由于禁带宽度的温度特性。 而对于雪崩击穿，由于碰撞电离率随温度增加而降低，所以击穿电压是正温度系数特性。,27,6。瞬变特性-开关,二极管正向导通，反向截止，可做开关元件。,开关速度极快，是机械开关远不能比的。,开关： 开启时间很短，对开关速度影响很小。,关开： 关闭时间比较长，偏离理想情况，所以主要分析关闭过程。,二极管开关的理想输入与输出,28,基本开关电路,t=0 , 开关右侧,起始反向电流:IR=V/R,瞬变响应,瞬变时间（反向恢复时间）：电流达到起始电流IR的10%所经过的时间=

10、t1+t2。,恒流阶段（储存阶段）,衰减阶段,限制了开关速度,29,正偏和负偏时的少数载流子浓度分布。,反向恢复过程由电荷储存效应 引起：,正偏反偏，积累在N区中的空穴的运动。,正向电压作用下，N区中的空穴浓度分布：,零点 在Xn处,储存的电荷：,30,加反向偏压电荷浓度的变化规律：,各时间间隔内的少数载流子分布。,t=0: 电荷分布为正向储存电荷。,0平衡值。,pn结上的压降：,结电阻相对于外电阻可忽略，结电流：,t=t1: 边界处电荷接近平衡值。,tt1: 边界处电荷=平衡值，pn结反向，电流逐渐减少。,t: 真正的反向状态。,31,相应的结电压与时间的关系,根据方程：,只要 pn(0,t

11、)大于pn0，（即0tt1），结电压保持在kT/q量级，电流大致为常数。,该时间内，反向电流恒定。,tt1，电流密度趋近平衡值，之后进入衰减阶段。,V-VR,32,提高开关速度的途径：,抽取的电荷总量：,复合的电荷总量：,2。加快储存电荷消失速度。,关键因素是反向恢复时间电荷储存效应。,1。减小正向导通时的电荷储存量。,减小正向电流，降低少数载流子寿命。,储存电荷消失：扩散抽取+复合,初始反向电流,增大初始反向电流，即增加反向电压V，减小电阻R。,减小载流子寿命，加快复合速率。,硅中的复合中心杂质（金，铜，镍），可有效降低非平衡载流子寿命 高速开关二极管，要掺金，掺金的反向恢复时间为原来的几十

12、分之一。,33,7。端功能,p-n 结：执行各种端功能的两端器件，视偏置状态、杂质分布、器件几何形状而异。,1。整流器,是一种特殊设计的对交流电进行整流的p-n结二极管：对一个方向 的电流流动有极低的电阻，而另一方向电阻极高。,正向和反向电阻可从实际二极管的电流-电压关系推导。,直流整流比：,交流整流比：,整流器的开关速度通常很慢：从正向导通状态反向阻断状态，得到高阻抗，须有长的时间延迟。,对高频应用，应大大降低少数载流子寿命，以保持整流效果。,34,2。稳压管,反向工作到击穿电压的p-n结二极管，电压被击穿电压限制。 当反向电压增大到一定值时，反向电流突然增大而击穿，内阻很小，反向电流在很大

13、范围变化时，端电压基本保持不变。（普通二极管一般不允许在击穿区工作）,3。变阻器,表现出非欧姆特性的两端器件。,P-n结二极管具有非欧姆特性,把两个二极管反极性并联起来，成为对称的小数电压限幅器，在正反两个方向皆表现出正向I-V特性。,35,4。变容管,利用pn结电容随外加电压的非线性变化的特性而制成的可变电抗 半导体器件。,电容-电压关系：将突变结和线性缓变结的杂质分布推广到更一般的情形,一维泊松方程：,N为广义的杂质分布：,变容管的各种杂质分布。,均匀掺杂 单边突变结,单边线性缓变,超突变结,36,边界条件,对泊松方程积分，得到耗尽层宽度和单位面积微分电容：,表征变容管的重要参数：灵敏度s

14、(V)：,37,S越大，电容随电压变化越大。,线性缓变结：,突变结：,超突变结：,质量因子Q：储存的能量与耗散的能量之比。,各种偏压下，变容管的质量因子Q与频率的关系。,38,5。快恢复二极管,具有超高开关速度。,6。电荷存储二极管,P-n结二极管总恢复时间：t1+t2,扩散p-n结二极管，金属半导体二极管。,引入复合中心可大大降低恢复时间。,反向产生电流也正比复合中心数目，当掺金浓度过高时，二极管反向电流增大，反而对二极管开关性能不利。,直接能带半导体，GaAs，少数载流子寿命比硅小很多，可制成超高速开关二极管。,但使恢复时间减少到0是不可能的。,与快恢复二极管相反，被设计成正向导通时，存储

15、电荷，反向能够短时间导通。,采用少数载流子寿命相当长的Si制备，比快恢复二极管长1000倍左右。,39,7。p-i-n 二极管,在p型与n型材料之间插入一个本征层。,I层比较厚：,电阻,长I层PIN二极管的能带、电荷及电场分布。,平衡时的电荷分布，电场,I层由三部分构成：,PI二极管,一个电阻,IN二极管,40,正偏和反偏：,正偏， 大量载流子注入，I区电荷密度大大增加， 外加电压使原空间电荷区内电场降低， 宽度减少，I区变宽。,反偏， I区电荷密度减少， 外加电压使原空间电荷区内加宽， I区变窄。,某一反偏压，I区两端相接。,I区成为耗尽层，电特性象一个平行板电容。,41,如果I层为高阻p型

16、pn结构。 如果I层为高阻n型pn结构。,在p-i-n和p-n结中的杂质分布、空间电荷密度和电场分布。（i层比较窄）,I层厚度比较小：,零偏时，I层就几乎全部耗尽。,在足够大的正向偏压下，中间才出现中性的I层， I层厚度随正向偏压而增加，并有电阻RI,42,反向偏置下，,较低掺杂Si的最大电场2.5105V/cm,耗尽层电容和串联电阻与反向偏压关系。,VR=5V，CsA/W，,串联电阻：,接触电阻,Rs=R I +R0,反向电压增加， R I 趋尽于零。,击穿电压：,43,正向偏置下，空穴和电子注入,电子-空穴复合电流：,i区平均注入电子浓度,耗尽区宽度,双极寿命,扩散电流 0,整个i区的载流子浓度大致恒定。,大注入， npni , 总的漂移电流 ：,i区的平均电场,双极扩散系数：,44,串联电阻与正向电流倒数的关系