Chap半导体光电子器件物理基础学习课程

1、半导体光电子器件物理基础第1页/共165页第一页，编辑于星期五：十四点 三分。Ch3 半导体光电子器件物理基础3-1 pn结3-2 异质结与超晶格3-3 金属与半导体接触3-4 MIS结构3-5 半导体光吸收与光辐射第2页/共165页第二页，编辑于星期五：十四点 三分。3-1 pn结（同质）空间电荷区形成物理过程及特性；能带结构（平衡、非平衡）、势垒；载流子分布（平衡、非平衡）； 载流子输运过程（平衡、非平衡）；I-V特性；势垒电容；扩散电容；击穿（雪崩击穿）；pin结构及特性。第3页/共165页第三页，编辑于星期五：十四点 三分。pn结定义结定义pn结定义结定义 所谓所谓pn结，是指采用某种

2、技术在一块半导体材料内形成结，是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的共价键结合的p型和型和n型区，那么型区，那么p型区和型区和n型区的界面及其二侧型区的界面及其二侧载流子发生变化范围的区域称为载流子发生变化范围的区域称为pn结。结。单晶态材料如属半导体，那么该材料的多晶、非晶态仍为半单晶态材料如属半导体，那么该材料的多晶、非晶态仍为半导体。导体。3-1 pn结（同质）pn结掺杂分布基本类型 均匀分布：pn结界面二侧p型和n型区杂质浓度均匀分布-突变结 ； 缓变分布：杂质浓度从界面向二侧逐渐提高-缓变结。第4页/共165页第四页，编辑于星期五：十四点 三分。常用概念常用概念 pn结结

3、深结结深- pn结材料表面到结材料表面到pn结界面的距离，结界面的距离，用用xj表示表示 。 单边突变结单边突变结对于突变结，若对于突变结，若p型区掺杂浓度远高于型区掺杂浓度远高于n型区掺杂浓度，型区掺杂浓度，或反之，则将该或反之，则将该pn结称为单边突变结。结称为单边突变结。 如果：如果：，用，用pn表示；表示；，用，用pn表示。表示。 线性线性缓变结缓变结-对于缓变结，若结深附近杂质浓度的分布梯度可以用对于缓变结，若结深附近杂质浓度的分布梯度可以用线线性近似性近似，则称为线性缓变结，即，则称为线性缓变结，即 dN(x)/dx|dN(x)/dx|x=x=xj = C = C 理论上为分析问题

4、简单，通常理论上为分析问题简单，通常按突变结或线性缓变结近似按突变结或线性缓变结近似处理。处理。 均匀分均匀分布布第5页/共165页第五页，编辑于星期五：十四点 三分。结基本物理特性 3平衡平衡pn结结 平衡平衡pn结是指不受电、光、热、磁等各种外界因素作用与影响的结是指不受电、光、热、磁等各种外界因素作用与影响的pn结。结。 基本特征基本特征：形成空间电荷区，产生自建电场，：形成空间电荷区，产生自建电场， 形成接触电势差，能带结构变化。形成接触电势差，能带结构变化。 第6页/共165页第六页，编辑于星期五：十四点 三分。ppnpnnpn一、一、空间电荷区与自建电场形成空间电荷区与自建电场形成

5、(以突变结为例以突变结为例) 1. pp (NA) p pn n ，nn (ND) n np p；2. p区和区和n区多子分别向对方区多子分别向对方扩散扩散；3. 界面界面p区侧留下固定离化受主负电荷，区侧留下固定离化受主负电荷， n区侧留下固定的离化施主正电荷；区侧留下固定的离化施主正电荷； 该正负电荷称为该正负电荷称为空间电荷空间电荷，存在正负，存在正负 空间电荷的区域称为空间电荷的区域称为空间电荷区空间电荷区。4. 正正-负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场自建电场；5. 自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其自建电场使空间电荷区内的电

6、子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动扩散运动方向相反的漂移运动；6. 随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;7. 电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷 量、正、负量、正、负空间电荷区宽度空间电荷区宽度、自建电场、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态空间电荷区内电

7、子和空穴分布达到动态 平衡，形成稳定分布。平衡，形成稳定分布。8. 电中性决定了空间电荷区内电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等正、负空间电荷量相等。 第7页/共165页第七页，编辑于星期五：十四点 三分。二、二、接触电位差与载流子分布接触电位差与载流子分布 A. 自建电场自建电场: : 由空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零，则可求出由空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零，则可求出 平衡平衡pn结自建电场。结自建电场。 对于空穴流密度有对于空穴流密度有 J Jp p- - 空穴空穴漂移流密度；漂移流密度； J JpD pD - - 空穴空穴扩散流密度；扩散流密度； p

8、 p- - 空穴迁移率；空穴迁移率； D Dp p - - 空穴扩散系数；空穴扩散系数； P(x)-P(x)-空间电荷区内空间电荷区内空穴浓度分布。空穴浓度分布。 那么那么自建电场自建电场 利用空间电荷区内电子流密度得到同样形式的自建电场强度表达式。利用空间电荷区内电子流密度得到同样形式的自建电场强度表达式。 0dx)x(dppqD)x()x(ppqpDJpJpJdx)x(dP)x(P1qKT)x （第8页/共165页第八页，编辑于星期五：十四点 三分。 B. 接触电位差接触电位差 自建电场的存在，在自建电场的存在，在pn结空间电荷区内产生了由结空间电荷区内产生了由 p区侧负电荷区到区侧负电荷

9、区到n区侧正电区侧正电荷区逐渐上升的电位分布，使中性荷区逐渐上升的电位分布，使中性n区形成了一个相对于中性区形成了一个相对于中性p区为正的电位差，区为正的电位差，该电位差称为该电位差称为pn结结接触电位差，接触电位差，用用表示。表示。 在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达式积分即可得到式积分即可得到接触电位差接触电位差pnnpxxDnnlnqKTpplnqKTdx)x(Vnp第9页/共165页第九页，编辑于星期五：十四点 三分。 C. 能带结构能带结构 孤立孤立p区和区和n区能带结构如下图区能带结构如下图 空间

10、电荷区自建电场的存在，形成从中性空间电荷区自建电场的存在，形成从中性p区到中性区到中性n区逐渐上升的电位。区逐渐上升的电位。使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到区边界到n区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为(x)，那么，那么(x)、能带结构、能带结构如图示如图示EFnEFpEipEin(x)P 区区N 区区qVDVD-xp-xnEi(x)EipEinEF ?第10页/共165页第十页，编辑于星期五：十四点 三分。 费米能级费米能级: 对于平衡对于平衡pn结，只要结，

11、只要确定费米能级位置确定费米能级位置，则可得到其能带结构。，则可得到其能带结构。 设设(-xp)=0，有，有 Ei(x) = Eipq(x) 式中式中Eip为中性为中性p区本征费米能级，对上式微分有区本征费米能级，对上式微分有 )x(dx)x(ddx)x(dEq1iKTE)x(Eexpn)x(pFii上式及上式及0dxdE)x(pdxdEdx)x(dEq1dx)x(dEq1)x(pqJFPFiiPP0pDJpJpJ代入代入有有即即0dxdEF(x)P 区区N 区区qVDVD-xp-xnEi(x)EipEin第11页/共165页第十一页，编辑于星期五：十四点 三分。 上式表明上式表明平衡平衡pn

12、结费米能级处处相等结费米能级处处相等。 由此可得到平衡由此可得到平衡pn结能带结构如图所示结能带结构如图所示第12页/共165页第十二页，编辑于星期五：十四点 三分。D.D. 空间电荷区载流子分布空间电荷区载流子分布 基于半导体物理知识，空间电荷区内任一点基于半导体物理知识，空间电荷区内任一点x处空穴和电子的浓度分布分别处空穴和电子的浓度分布分别为为 KT)x(qpFipiFiiepKT)x(qexpKTEEexpnKTE)x(Eexpn)xp（KT)x(qpipFiiFienKT)x(qexpKTEEexpnKT)x(EEexpn)xn（利用：利用：Ei(x) = Eipq(x)第13页/共

13、165页第十三页，编辑于星期五：十四点 三分。上式相乘，有上式相乘，有2iKT/ )x(qPKT/ )x(qpnenep)x(n)x(p 该式说明该式说明平衡平衡pn结空间电荷区内电子和空穴浓度的积结空间电荷区内电子和空穴浓度的积与中性区一样，与中性区一样，仍仍为本征载流子浓度的平方为本征载流子浓度的平方。 第14页/共165页第十四页，编辑于星期五：十四点 三分。E. 耗尽层近似耗尽层近似 空间电荷区内电子和空穴的浓度分布如上图所示。但是在后续章节中空间电荷区内电子和空穴的浓度分布如上图所示。但是在后续章节中常采用耗尽近似，即认为电子和空穴浓度在空间电荷区边界之内突变为零。常采用耗尽近似，即

14、认为电子和空穴浓度在空间电荷区边界之内突变为零。 空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布，在边界内侧下降极为迅空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布，在边界内侧下降极为迅速，使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中性区相应的多子浓度相速，使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中性区相应的多子浓度相比可以忽略。所以，在进行某些理论分析时，常采用耗尽近似。据此空比可以忽略。所以，在进行某些理论分析时，常采用耗尽近似。据此空间电荷区又被称为间电荷区又被称为耗尽区，或耗尽层耗尽区，或耗尽层。 另外，从能带结构图可见，另外，从能带结构图可见，p区电子能量比区电子能量比n区高区高qVD，n区空穴能量比区空穴能量比

15、p区高区高qVD，多子进入对方需要越过高度为，多子进入对方需要越过高度为qVD的势垒。因此，空间电荷区又被的势垒。因此，空间电荷区又被称为称为势垒区势垒区。 空间电荷区空间电荷区=耗尽区耗尽区=耗尽层耗尽层=势垒区势垒区第15页/共165页第十五页，编辑于星期五：十四点 三分。 3非平衡pnpn结 定定 义：义：施加偏压的施加偏压的npnp结。此时结。此时pnpn结处于非平衡状态，称非平衡结处于非平衡状态，称非平衡pnpn结。结。 正向偏置：正向偏置：偏置电压为偏置电压为p p区电位高于区电位高于n n区电位区电位 反向偏置：反向偏置：偏置电压为偏置电压为n n区电位高于区电位高于p p区电位

16、区电位 特特 征征-与平衡与平衡pnpn结相比：结相比： 空间电荷区内电场发生变化空间电荷区内电场发生变化- 破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡；破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡； 空间电荷区宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化；空间电荷区宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化； 产生新的物理现象产生新的物理现象-形成电流：形成电流： 正向偏置条件下：正向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大于漂移空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大于漂移运动，形成净扩散流运动，形成净扩散流-称为正向电流。称为正向电流。 反向偏置条件下：反向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被增强，载

17、流子漂移运空间电荷区内电场强度被增强，载流子漂移运动大于扩散运动，形成净漂移流动大于扩散运动，形成净漂移流-称为反向电流。称为反向电流。第16页/共165页第十六页，编辑于星期五：十四点 三分。一、一、空间电荷区电场和空间电荷区宽度空间电荷区电场和空间电荷区宽度 突变结突变结A.A. 电场分布电场分布 电场分布由泊松方程描述电场分布由泊松方程描述。 正、负空间电荷区内泊松方程正、负空间电荷区内泊松方程( (耗尽层近似耗尽层近似) )分别为分别为: :s0AqNdx)x(ds0DqNdx)x(d xp x 0 0 x xn第17页/共165页第十七页，编辑于星期五：十四点 三分。)xx(qN)x

18、(pS0A）xx(qN)x(nS0Dns0Dps0AmxqNxqN)0(边界条件：边界条件：(-x(-xp p）=(x=(xn n)=0)=0 有有xp x 00 x 0为正偏，为正偏， VA0为反偏。为反偏。 那么那么, 空间电荷区二侧边界间电位差空间电荷区二侧边界间电位差: (VD一一VA) 将电场积分将电场积分mmpnmnxpxADx21)xx(21dx)x(VV式中式中xm=xn+xp，为空间电荷区总宽度，解上式有，为空间电荷区总宽度，解上式有 21ADDADAs0m)VV(NNNNq2x * (正偏正偏) ) ND第19页/共165页第十九页，编辑于星期五：十四点 三分。2线性缓变结

19、线性缓变结 特特 征：征：正、负空间电荷区宽度相等正、负空间电荷区宽度相等xp=xn= xm。A. 电场分布电场分布 线性缓变结结面附近施主、受主杂质浓度分布为线性缓变结结面附近施主、受主杂质浓度分布为 式中式中 为杂质浓度分布梯度，取正值。为杂质浓度分布梯度，取正值。 在耗尽近似条件下，空间电荷内正、负电荷密度为在耗尽近似条件下，空间电荷内正、负电荷密度为x)x(Njxq)x(j泊松方程描述为泊松方程描述为s0jxqdx)x(djNxNxxxj21jxxjdx)x(dN 第20页/共165页第二十页，编辑于星期五：十四点 三分。边界条件：边界条件：0)2x(m22ms0jx)2x(2q)x(

20、有：有：2ms0jm2x2q最大电最大电场场P区侧N区侧# 电场抛物线分布电场抛物线分布第21页/共165页第二十一页，编辑于星期五：十四点 三分。B.B.空间电荷区宽度空间电荷区宽度 31ADjs0m)VV(q12xxm与偏置电压及掺杂浓度梯度关系同突变结相似。与偏置电压及掺杂浓度梯度关系同突变结相似。 mmx21x21ADdx)x(VV解解有有j*越小，越小，xm越大；越大；第22页/共165页第二十二页，编辑于星期五：十四点 三分。二、二、能带结构和载流子分布能带结构和载流子分布 A. A. 能带结构能带结构 正向偏置正向偏置-电压为电压为VF： 中性中性n区区能带能带相对相对p区区上移

21、上移，势垒势垒高度高度下降下降qVF -q(VD - VF )。 反向偏置反向偏置-电压为电压为VR(VR0为正偏，为正偏，VA LpJn、Jp：等效为：等效为C) 1e (Lndx)x(dnKTqVnpopA 第32页/共165页第三十二页，编辑于星期五：十四点 三分。 1eLnqDLpqD)x(J)x(JJKTAqVnponpnoppnnP3、pn结电流密度结电流密度（伏安特性方程）：伏安特性方程）：方程对正偏、反偏方程对正偏、反偏pn结都成立。若反偏时结都成立。若反偏时VA KT/q，那么，那么 nponpnopSLnqDLpqDJJ-称为称为反向饱和电流，反向饱和电流，Js表示。表示。

22、 1eJJKTAqVS伏安特性方程又可表示为：伏安特性方程又可表示为：第33页/共165页第三十三页，编辑于星期五：十四点 三分。 上述电流上述电流-电压方程是在电压方程是在Wp Ln，Wn Lp条件下获得的，条件下获得的，Wp和和Wn分别为分别为p区和区和n区宽度。区宽度。 若若Wp Ln，Wn ND （ p+n）, 电流主要是空穴流；电流主要是空穴流；ND NA （ n+p），），电流主要是电子流。电流主要是电子流。 第35页/共165页第三十五页，编辑于星期五：十四点 三分。伏安特性理论曲线伏安特性理论曲线Si -pn结理论曲线与结理论曲线与和实验曲线的示意图和实验曲线的示意图第36页/

23、共165页第三十六页，编辑于星期五：十四点 三分。5. 影响因素分析影响因素分析反反 偏：偏： 空间电荷区载流子浓度低于平衡值；空间电荷区载流子浓度低于平衡值； 载流子的产生率高于复合率，空间电荷区内存在净的产生电流；载流子的产生率高于复合率，空间电荷区内存在净的产生电流； 反向电流是反向扩散流与产生流之和。反向电流是反向扩散流与产生流之和。 Si(和和GaAs)等本征载流子浓度较低，空间电荷区内载流子产生流在反向等本征载流子浓度较低，空间电荷区内载流子产生流在反向电流中起支配作用，所以理论值与实验值相差较大。电流中起支配作用，所以理论值与实验值相差较大。 e本征载流子浓度较高，反向扩散流远远

24、大于产生流，理论值与实际本征载流子浓度较高，反向扩散流远远大于产生流，理论值与实际符合较好。符合较好。第37页/共165页第三十七页，编辑于星期五：十四点 三分。 正偏小电流：正偏小电流： 空间电荷区内载流子浓度高于平衡值；空间电荷区内载流子浓度高于平衡值； 载流子的复合高于产生，有净的复合流；载流子的复合高于产生，有净的复合流； 正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和。正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和。 Si和和GaAs，在电小流时，复合电流起支配作用，影响不可忽略，在电小流时，复合电流起支配作用，影响不可忽略; ;随电流密随电流密度增大，复合电流的影响减小，理论与实验

25、逐渐相符。度增大，复合电流的影响减小，理论与实验逐渐相符。 Ge pn结，正向扩散流密度远高于复合流，在正向电流密度不是很大时，理结，正向扩散流密度远高于复合流，在正向电流密度不是很大时，理论曲线与实验数量符合较好。论曲线与实验数量符合较好。 第38页/共165页第三十八页，编辑于星期五：十四点 三分。正偏大电流：正偏大电流： 非平衡少子在扩散区积累，电中性被破坏；非平衡少子在扩散区积累，电中性被破坏； 扩散区有与非平衡少子同样浓度和同样浓度扩散区有与非平衡少子同样浓度和同样浓度梯度的非平衡多子积累；梯度的非平衡多子积累； 非平衡多子扩散形成电场；非平衡多子扩散形成电场； 该电场对外加电压形成

26、分压。该电场对外加电压形成分压。 中性区体电阻欧姆压降对外加电压形成分压。中性区体电阻欧姆压降对外加电压形成分压。小电流密度时，对外加电压分压可忽略小注入；大电流密度时，对外加电压分压不可忽略，使空间电荷区内的压降低于外加偏压，因此实验曲线偏离理论曲线大注入效应#正向电流包含正向扩散电流和复合电流，反向电流包含反向扩散流与产生正向电流包含正向扩散电流和复合电流，反向电流包含反向扩散流与产生电流，这些电流都是本征载流子浓度的函数。电流，这些电流都是本征载流子浓度的函数。 本征载流子浓度强烈地依赖于温度，因此，正、反向电流都随本征载流子浓度强烈地依赖于温度，因此，正、反向电流都随温度的升高温度的升

27、高而增大。而增大。n区区P区区非平衡多子电子非平衡多子电子非平衡多子空穴非平衡多子空穴电电 场场扩扩 散散扩扩 散散电电 场场第39页/共165页第三十九页，编辑于星期五：十四点 三分。 3pn结电容和等效电路一、一、势垒电容势垒电容 空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化-体现为电容效体现为电容效应，称为应，称为pn结势垒电容结势垒电容。 pn结结单位面积势垒电容用单位面积势垒电容用CT表示。表示。 P区区n区区P区区n区区空穴补偿空穴补偿电子补偿电子补偿空穴释放空穴释放电子释放电子释放偏压上升偏压上升(含正负含正负)： 变窄变窄偏压

28、下降偏压下降(含正负含正负) ： 变宽变宽第40页/共165页第四十页，编辑于星期五：十四点 三分。 势垒电容 突变结：突变结：单位面结正、负电荷量为单位面结正、负电荷量为mDADAnDpAxNNNNqxqNxqNQ ms21DADAADsATxNNNN)VV( 2qdVdQC 21ADDADAs0m)VV(NNNNq2x TACdV|Q|d 第41页/共165页第四十一页，编辑于星期五：十四点 三分。线性缓变结：线性缓变结：ms031AD2s0jAT2mjj2mx0 x)VV(12)(qdVdQC8/xqxdxqQ 势垒电容：势垒电容：单位面结电荷量：单位面结电荷量：# 反偏势垒电容小于正偏

29、势垒电容，且反偏越高，势垒电容越小，正偏越高，势垒反偏势垒电容小于正偏势垒电容，且反偏越高，势垒电容越小，正偏越高，势垒电容越大；电容越大；突变结掺杂浓变越低，缓变结杂质分布梯度越小，势垒电容越小；突变结掺杂浓变越低，缓变结杂质分布梯度越小，势垒电容越小；势垒电容是在载流子耗尽近似下导出势垒电容是在载流子耗尽近似下导出-势垒电容又称势垒电容又称耗尽层电容耗尽层电容。31ADjs0m)VV(q12x第42页/共165页第四十二页，编辑于星期五：十四点 三分。二、扩散电容 扩散区积累的非平衡少子随外加偏置电压的变化而变化，载流子带有电荷，体现为电容效应，该电容发生在扩散区-称为扩散电容，用表示。设

30、设n区单位面积扩散区积累的非平衡少子空穴电荷为区单位面积扩散区积累的非平衡少子空穴电荷为P： ) 1e (pqLdxe ) 1e (pqdxp)x(pqQKTAqV0nppL/ )nxx(KTAqVnonxnonnxP KTAqVnop2APDPeKTpLqdVdQC 那么那么同理同理KTAqVpon2AnDneKTnLqdVdQC P区区n区区pn第43页/共165页第四十三页，编辑于星期五：十四点 三分。KTAqVponnop2De )nLpL(KTqC nFnpFPDKTqJKTqJC 单位面积扩散电容单位面积扩散电容： 反反 偏：偏：非平衡少子随反偏变化量很小，扩散电容也极非平衡少子随

31、反偏变化量很小，扩散电容也极小，一般可以不考虑。小，一般可以不考虑。 正正 偏：偏：扩散电容随偏压增大指数增加，可表示为扩散电容随偏压增大指数增加，可表示为 1eLnqDLpqD)x(J)x(JJKTAqVnponpnoppnnP由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布的非平衡多子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此的非平衡多子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联。扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联。P区区n区区pn第44页/共165页第四十四页，编辑于星期五：十四点 三分

32、。三、等效电路三、等效电路 势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数；势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数； 势垒电容与扩散电容相并联；势垒电容与扩散电容相并联； 中性区及与外电极接触处存在电阻。中性区及与外电极接触处存在电阻。 势垒电容和扩散电容，使得以势垒电容和扩散电容，使得以pn结为基本单元的半导体结为基本单元的半导体器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。 本征等效电路本征等效电路第45页/共165页第四十五页，编辑于星期五：十四点 三分。 pn结击穿 定义：定义：反向电压增大到某一值反向电压增大到某一值时，电流急剧上升。这种现象时，电流

33、急剧上升。这种现象称为称为pn结的击穿。结的击穿。 相应反偏电压相应反偏电压称为称为pn结击穿电压。结击穿电压。 击穿是击穿是pn的的本征现象本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当的限流保护措施，的限流保护措施，pn结则会因功耗过大而被热损坏。结则会因功耗过大而被热损坏。击穿机制：击穿机制： 热击穿；热击穿； 隧道击穿；隧道击穿； 雪崩击穿雪崩击穿-常见的主常见的主要击穿机制。要击穿机制。第46页/共165页第四十六页，编辑于星期五：十四点 三分。 1. 热击穿热击穿 pn结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量；结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量；

34、 扩散流表达式中平衡少子：扩散流表达式中平衡少子： pno = = ni/ND npo = = ni/ NAPc| |R R| |T Tj jI IR RniI IR R反向偏压反向偏压功功 耗耗结温结温niT3 exp(- -Eg0/KT)击击 穿穿反向电流密切依赖于本征载流子浓度。反向电流密切依赖于本征载流子浓度。产生电流正比于产生电流正比于ni第47页/共165页第四十七页，编辑于星期五：十四点 三分。2. 隧道击穿隧道击穿 隧道效应隧道效应-电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量比其高电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量比其高的势垒区，这种现象称作隧道效应。的势垒区，这种现象称作隧道

35、效应。 隧道击穿隧道击穿-pn结反偏下，结反偏下，p区价带顶可以高于区价带顶可以高于n区导带低，那区导带低，那么么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区。当反偏压区。当反偏压达到达到时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种现时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种现象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。 第48页/共165页第四十八页，编辑于星期五：十四点 三分。3. 3. 雪崩击穿雪崩击穿 碰撞电离碰撞电离-反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子和空穴可

36、以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，称为碰撞电空穴对，称为碰撞电离。离。 雪崩倍增效应雪崩倍增效应-产生的电子产生的电子-空穴对从电场获取足够能量，空穴对从电场获取足够能量，与原子撞碰又产生第二代电子与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构成空穴对。如此继续下去，使构成反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。 雪崩击穿雪崩击穿-由雪崩倍增效应引起的反向电

37、流的急剧增大，称由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。为雪崩击穿。第49页/共165页第四十九页，编辑于星期五：十四点 三分。各种各种击穿机制特征：击穿机制特征： 热击穿热击穿-负温度系数负温度系数,软软击穿击穿. . 隧道击穿隧道击穿-负温度系数负温度系数,软软击穿击穿. .击穿电压大于击穿电压大于g/qg/q时，通常为雪崩击穿。时，通常为雪崩击穿。 目前常见目前常见击穿为击穿为雪崩击穿。雪崩击穿。 击穿电压与器件结构和工艺技术水平等密切相关。击穿电压与器件结构和工艺技术水平等密切相关。雪崩击穿雪崩击穿-正温度系数正温度系数,硬硬击穿击穿. .第50页/共165页第五十页，编

38、辑于星期五：十四点 三分。 pin结(结构)1. 基本结构基本结构 pin：高掺杂：高掺杂p区和区和n区之间区之间 有一本征层（有一本征层（i区）的结。区）的结。 本征层很难实现，通常用高阻本征层很难实现，通常用高阻 p-型层或高阻型层或高阻n-型层代替：型层代替： 称：称： pp-n-pn; pn-n-pn(b)-掺杂分布第51页/共165页第五十一页，编辑于星期五：十四点 三分。2.空间电荷区电荷分布pin:负电荷在负电荷在p区侧，正电荷在区侧，正电荷在n区侧区侧pp-n-pn:负电荷在负电荷在p区侧和区侧和p-区，正电荷在区，正电荷在n区侧区侧pn-n-pn:负电荷在负电荷在p区侧，正电

39、荷在区侧，正电荷在n区侧和区侧和n-区区3.空间电荷区空间电荷区电场分布电场分布(c)空间电荷分布 (d)电场分布第52页/共165页第五十二页，编辑于星期五：十四点 三分。3. 基本特性基本特性 单位面积单位面积势垒电容近似常数：势垒电容近似常数：isTwC 0 击穿电压高：击穿电压高：(v)(v)w wV Vm mB B 储存时间（电荷消失时间）短：储存时间（电荷消失时间）短： RfROSIIIQt m-临界击穿电场临界击穿电场 少数载流子寿命少数载流子寿命 (IR If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0第53页/共165页第五十三页，编辑于星期五：十四点 三分。pn基本特

40、性要点一、空间电荷区形成及特性平衡状态空间电荷区内载平衡状态空间电荷区内载流子扩散运动与自建电场流子扩散运动与自建电场产生的漂移运动动态平衡，产生的漂移运动动态平衡，净电流为零净电流为零x(x)第54页/共165页第五十四页，编辑于星期五：十四点 三分。二、能带结构电子、空穴势垒第55页/共165页第五十五页，编辑于星期五：十四点 三分。三、平衡状态载流子分布空间电荷区空间电荷区(势垒区势垒区)边界载流子浓度等于其平衡值边界载流子浓度等于其平衡值2iKT/ )x(qPKT/ )x(qpnenep)x(n)x(p第56页/共165页第五十六页，编辑于星期五：十四点 三分。四、非平衡状态载流子分布

41、P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVF/kT)np0exp(qVF/kT)P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT)正正 偏：偏：反偏：反偏：载载流流子子动动态态平平衡衡被被破破坏坏)KTqVexp(n)x(p)x(n)x(p)x(nA2inp第57页/共165页第五十七页，编辑于星期五：十四点 三分。五、电学特性1.伏安特性方程伏安特性方程 1eJJKTAqVS2.伏安特性曲线伏安特性曲线IVA第58页/共165页第五十八页，编辑于星期五：十四点 三分。六、势垒电容TACdV|Q|d P区区n区区P区区n区区空穴补偿空穴补偿

42、电子补偿电子补偿空穴释放空穴释放电子释放电子释放偏压上升偏压上升(含正负含正负)： 变窄变窄偏压下降偏压下降(含正负含正负) ： 变宽变宽第59页/共165页第五十九页，编辑于星期五：十四点 三分。七、扩散电容 八、击穿电压(x)(x)DAnApCdV|Q|ddVdQ P区区n区区pn雪崩击穿！m 第60页/共165页第六十页，编辑于星期五：十四点 三分。九、九、pin 基本特性基本特性 单位面积单位面积势垒电容近似常数：势垒电容近似常数：isTwC 0 击穿电压高：击穿电压高：)(vwVimB 储存时间（电荷消失时间）短：储存时间（电荷消失时间）短： RfROSIIIQt m-临界击穿电场临

43、界击穿电场 少数载流子寿命少数载流子寿命 (IR If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0第61页/共165页第六十一页，编辑于星期五：十四点 三分。3-2 异质结与超晶格基本内容： 异质结及其能带结构 异质结的电流输运机构 异质结在器件中的应用 半导体超晶格第62页/共165页第六十二页，编辑于星期五：十四点 三分。异质结定义： 二种不同半导体材料以价健形式结合在一起，那二种不同半导体材料以价健形式结合在一起，那么其界面及二测少子密度么其界面及二测少子密度(与平衡状态相比与平衡状态相比)发生变发生变化的区域称为异质结化的区域称为异质结 异质结特征： 二个区域禁带宽度不同异质结形

44、成：异质结形成： 外延技术外延技术APCVD; MBE; MOCVD第63页/共165页第六十三页，编辑于星期五：十四点 三分。异质结类型：异质结表征：导电类型划分导电类型划分 同型异质结同型异质结(二种半导体材料二种半导体材料导电类型相同导电类型相同) ； 反型异质结反型异质结(二种半导体材料二种半导体材料导电类型不同导电类型不同)。能带结构划分能带结构划分 突变结；缓变结突变结；缓变结。 p-nGe-Si; p-nSiGe-Si; n-pGaAs-AlGaAs; p-pSiGe-Si; n-nGe-Si,等等(p-Ge/n-Si; p-SiGe/n-Si; n-GaAs/p-AlGaAs;

45、 p-SiGe/p-Si; n-Ge/n-Si)本章约定：本章约定： 前者表示窄禁带前者表示窄禁带(用下标用下标1表示表示)， 后者表示宽禁带后者表示宽禁带(用下标用下标2表示表示)。第64页/共165页第六十四页，编辑于星期五：十四点 三分。异质结及其能带结构一、理想状态能带结构1.异质结孤立状态能带结构及形成过程(以反型结为例)载流子向对方扩散载流子向对方扩散-扩散流扩散流；形成电荷区；形成电荷区-空间电荷区空间电荷区；产生电场产生电场自建电场自建电场；形成漂移流；形成漂移流与与扩散流方向相反扩散流方向相反；动态平衡动态平衡-形成平衡异质结；形成平衡异质结；能带弯曲能带弯曲形成形成接接触电

46、势触电势差差VD；但但 不变。不变。2.形成形成EFPEFnEFEF 1 2 1 2W1W2W1W2 EC EVE0+-EV+-VE第65页/共165页第六十五页，编辑于星期五：十四点 三分。3.能带结构特征(以异质pn结为例)1).能隙差： Eg= EC+ EV = Eg2 Eg1 EC=1-2 EV= Eg - EC2).势垒区电场分布： 界面处电场不连续， 电位移连续；3).势垒区电位分布： n区电位高于p区-V(x)； 接触电势差： VD = VD1+VD2 qVD=EFn-EFp= W1-W2 = qVD1+ qVD2 x1x2E(x)EFPEFn 1 2W1W2 EC EVE0+-

47、V(x)E(x)第66页/共165页第六十六页，编辑于星期五：十四点 三分。 4).平衡状态能带结构由于由于n区电位高于区电位高于p区区-V(x)，所以导带、价带如图所示变化。，所以导带、价带如图所示变化。本征费米能级本征费米能级Ei?第67页/共165页第六十七页，编辑于星期五：十四点 三分。5).费米能级 平衡状态：EFp=EFn证明:(思路-证明宽带、窄带侧势垒区内EF为常数。以p型窄带为例)设：中性设：中性p区本征费米能级位区本征费米能级位Eip,且为电势参考点，且为电势参考点， 那么势垒区内：那么势垒区内： Eip(x)= Eip- qV(x) p型窄带势垒区内：型窄带势垒区内：0J

48、dx)x(dpqD)x(E)x(pqJJJnpppDpp )x(Edx)x(dVdx)x(dEq1ip 有有；另外另外 KTExEexpn)x(pFipi那么那么 0dxdExpdxdEdxxdEq1dxxdEq1)x(pqJFpFipippp 显然有显然有0dxdEF ；同理可证明宽带区同理可证明宽带区第68页/共165页第六十八页，编辑于星期五：十四点 三分。6).界面能带尖峰位置与缓变结尖峰位置决定于掺杂浓度： 掺杂浓度低则电位降大， 尖峰高；缓变结： 通过掺入元素实现。第69页/共165页第六十九页，编辑于星期五：十四点 三分。二、界面态对能带结构影响界面态：异质结界面处的电子态1.界

49、面态产生原因：晶格失配、杂质、温度 晶格失配(%)定义：a2a12.界面态形成机理： 晶格失配产生的悬挂键3. 悬挂键(界面态)(面)密度-NS： NS= NS1- NS2键(面) 密度NS由晶格常数及晶面决定。 NS=1/晶胞中晶面面积 晶面中键数12121212aa)aa( 22aaaa 如：二种都为金刚石结构材料如：二种都为金刚石结构材料(111)晶面：晶面：(110)晶面：晶面：(100)晶面：晶面： 22212122Saaaa34N 22212122Saaaa24N 22212122Saaaa4N晶面原子晶面原子2 悬挂键悬挂键2晶面原子晶面原子4 悬挂键悬挂键4晶面原子晶面原子2

50、悬挂键悬挂键4第70页/共165页第七十页，编辑于星期五：十四点 三分。4.界面态对能带结构影响巴丁极限：对金刚石结构，当表面态面密度1013cm-2,表面处 费米能级位于1/3禁带。表面态作用： n型半导体，起受主作用(因电子密度高) 使能带向上弯曲； p型半导体，起施主作用(因空穴密度高) 使能带向下弯曲。能带结构：Eg/3Eg/3n型半导体型半导体p型半导体型半导体应用中应选择晶格失配小的异质材料应用中应选择晶格失配小的异质材料施主作用施主作用受主作用受主作用第71页/共165页第七十一页，编辑于星期五：十四点 三分。三、平衡状态突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度1.电场 0111A2

51、12xxxqNdxxVd 2022D222xxxqNdxxVd 边界条件：边界条件： 0 xEdxxdV11x11 0 xEdxxdV22x22 有有 011111A1xxxxExxqNdxxdV 202222D2xxxxExxqNdxxdV 结论：电场线性分布，且在界面处不连续结论：电场线性分布，且在界面处不连续x0 x1x2NA1ND2VD2VD1x xE思路：求解泊松方程思路：求解泊松方程-电场电场-电位电位-接触电势差接触电势差-势垒区宽度势垒区宽度第72页/共165页第七十二页，编辑于星期五：十四点 三分。2.电位及接触电势差将电场积分：将电场积分： 1111A121A1DXXqN2

52、XqNxV 2222D222D2DXXqN2XqNxV x0 x1x2NA1ND2VD2VD1令：令：V1(x1)=0， 则：则：V2(x2)=VD，那么：，那么：2222DD21211A12XqNVD2XqND 又：又： V1(x0)=V2(x0)；且；且V1(x0)=VD1， V2(x2)- V1(x0)= VD2，所以，所以 2XX2DD21XX1A12qNVxV2qNxV2221 2XX2D1XX1AD2qN2qNV202210 电位电位：接触电位差：接触电位差：及：及： 2XX2D2D1XX1A1D2qNV2qNV202210 第73页/共165页第七十三页，编辑于星期五：十四点 三

53、分。因为因为 XD=(x2-x0)+(x0-x1)且且 qNA1(x0-x1)=qND2 (x2-x0)=Q有有 2D1AD1A022D1AD2D10NNXNXXNNXNXX 将上式分别代入将上式分别代入VD、 VD1、 VD2，有，有 22D1AD1A2D122D1AD2D1A221DNNXNNNNXNN2qV2D21A1D1A12D2D21A1D2D21DNNVNVNNVNV # 1A12D22D1DNNVV 能带弯曲量能带弯曲量(VD1、 VD2)与掺杂浓度反比，掺杂与掺杂浓度反比，掺杂浓度高一侧能带弯曲量小，反之则大浓度高一侧能带弯曲量小，反之则大。VD、 VD1、 VD2另一形式：另

54、一形式：x0 x1x2NA1ND2VD2VD1第74页/共165页第七十四页，编辑于星期五：十四点 三分。3.势垒区宽度四、非平衡状态突变反型异质结接触电势差及势垒区宽度解解VD表达式有表达式有212D21A12D1AD22D1A21D)NN(NqNV)NN(2X 212D21A11AD2D21101)NN(qNVN2)xx (d 212D21A12DD1A21022)NN(qNVN2)xx (d XD分别代入分别代入(x0-x1)、(x2-x0)有有若外加偏压为若外加偏压为V，窄带与宽带区压降分别为，窄带与宽带区压降分别为V1与与V2，那么只，那么只要将上述试中要将上述试中VD用用(VD-V

55、)代替，代替， VD1与与VD2分别用分别用(VD1-V1)、 (VD2-V2)代替即可。代替即可。V、V1、V2大于零表示正偏，反之反偏。大于零表示正偏，反之反偏。第75页/共165页第七十五页，编辑于星期五：十四点 三分。五、突变反型异质结势垒电容因为因为212D21A1D2D1A21022D101A11ANN)VV(NqN2)xx (qN)xx (qNdqNQ 21D2D21A12D1A21212D21A1D2D1A21T)VV)(NN( 2NqNdVNN)VV(NqN2ddVdQC 则单位面积势垒电则单位面积势垒电容容第76页/共165页第七十六页，编辑于星期五：十四点 三分。六、突变

56、反型异质结接触电势差、势垒区宽度表征上述上述VD、XD互为函数，得不到解。互为函数，得不到解。VD可通过实验获得：将可通过实验获得：将CT表达为：表达为：212122112)( 2)(1DADDATNqNVVNNC2T)C(1 与与(VD-V)成线性关系，将反偏成线性关系，将反偏实验曲线外推至零，即为实验曲线外推至零，即为VD。有了有了VD即可求得即可求得XD。2T)C(1VD(VD-V)第77页/共165页第七十七页，编辑于星期五：十四点 三分。异质结电流输运机构一、电流输运机构1.缓变势垒结缓变势垒结2.低尖峰势垒突变结低尖峰势垒突变结2.高尖峰势垒突变结高尖峰势垒突变结qVD1qVD2E

57、CEV -x1 0 x2电子势垒电子势垒:(qVDEC)空穴势垒空穴势垒:(qVD+EV)电子势垒电子势垒:qVD2(EC qVD1)（负反向势垒）（负反向势垒）（正反向势垒）（正反向势垒）第78页/共165页第七十八页，编辑于星期五：十四点 三分。一、电流输运机构n1(-x1)=n10exp(qV/KT)n10=n2exp-(qVDEC)/KTp2(x2)=p20exp(qV/KT)p20=p1exp-(qVD+ EV) /KTn1(-x1)=n10exp(qV/KT)n10=n2exp(-qVD2/KT)qVD1qVD2ECEV -x1 0 x2电子势垒电子势垒:(qVDEC)空穴势垒空穴

58、势垒:(qVD+EV)电子势垒电子势垒:qVD2(EC qVD1)扩散模型扩散模型；发射模型；发射；发射模型；发射-复合模型；隧道模型；隧道复合模型；隧道模型；隧道-复合模型复合模型第79页/共165页第七十九页，编辑于星期五：十四点 三分。1.负反向势垒(低尖峰势垒突变结、缓变结)电子流：电子流： 0nxndxxndDn112121n P区区n区区边界条件：边界条件：n1(-x1)=n10exp(qV/KT)n10=n2exp-(qVDEC)/KT 10nn1 1n1CD2101Lxxexp1KTqVexpKTEqVexpnnxn有：有： 1KTqVexpLnqD1KTqVexpKTEqVe

59、xpLnqDdxxdnqDJ1n101nCD1n21n11n1n1xx第80页/共165页第八十页，编辑于星期五：十四点 三分。空穴流：空穴流： 0pxpdxxpdDp2022222p 边界条件：边界条件： 2p220202Lxxexp1KTqVexpppxp有：有： 1KTqVexpLpqDdxxdpqDJ2p202p22pp2xxp2(x2)=p20exp(qV/KT)p20=p1exp-(qVD+ EV) /KT 202pp 1KTqVexpLnqD1KTqVexpLnqDLpqDJJJ1n101n1n101n2p202pnp第81页/共165页第八十一页，编辑于星期五：十四点 三分。2

60、.正反向势垒(高尖峰势垒突变结)电子流：思路电子流：思路- 求求p区进入区进入n区与区与n区进入区进入p区电子流之差区电子流之差热平衡热平衡p区进入区进入n区电子与区电子与n区进入区进入p区电子相等，为区电子相等，为 KT)qVE(expnKTqVexpn1DC12D2加偏置电压加偏置电压 V=V1+V2，那么，那么 KT)VV(qexpnxn22D211 KT)VV(qEexpnxn11DC122以上即为电子边界条件以上即为电子边界条件第82页/共165页第八十二页，编辑于星期五：十四点 三分。从p区进入n区的电子分布解载流子连续性方程有解载流子连续性方程有 1n122D2101Lxxexp