微电子器件基础

1、微电子器件基础微电子器件基础第第 2 章章 PN 结二极管结二极管第 2 章 PN 结二极管l2.1 直流特性l2.2 频率特性和开关特性l2.3 PN结的电击穿2.1 直流特性2.1.1 非平衡PN结l处于一定偏置状态下的PN结称为非平衡非平衡PNPN结结。l当P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为正向正向PNPN结结。反之，则称反向反向PNPN结结。 2.1 直流特性2.1.2、正向PN结（1）少子注入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2.1 直流特性

2、（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 结的电流存在电流载体转换的现象 P区N区jnjpLnLp2.1 直流特性2.1.3 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LnLp2.1 直流特性(2)反向PN结中载流子的运动P区N区jpjnLnLp2.1 直流特性2.1.4 V-I 特性方程一、理想一、理想PNPN结模型结模型 （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）

3、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）忽略半导体表面对电流的影响。（5）只考虑一维情况。 2.1 直流特性二.坐标 以xn、xp为坐标原点分别建立坐标系。步骤：l求解“非少子”的扩散方程l求“非少子”浓度的边界值l求“非少子”浓度梯度l分别求电子、空穴的扩散电流密度l求PN结电流2.1 直流特性2.1 直流特性 00PNNPexp1expN0P01pppppnnnnpnnPnDjqpLDjqnDqVjq pkTLDqVjq nkTLL结 区边界处少子扩散电流密度：结 区边界处少子扩散由：同电理：流密度：2.1 直

4、流特性2.1 直流特性 肖克莱方程2.1 直流特性l单边结近似对于P+N结 NAND对于N+P结 NDNA2/0FFqVkTqVkTPnPiPPpDqD PqD nIIAeAeLL N2/0FFqVkTqVkTnPninnnAqD nqD nIIAeAeLL N2.1 直流特性2.1.5 V-I特性方程的讨论（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。/001 ()FqVkTPPnenppn

5、NPqD nqD PnWL WLIAFWW2FqVKTFIe与成正比。/00(1)AAqVkTqVkTIIeI e2.1 直流特性2.1.6 大注入l1.大注入定义：正偏工作，注入载流子密度等于或大于平衡多子的工作状态。l2. 大注入效应：l内建电场，加速l电导调制效应2.2 频率特性和开关特性l基本概念 频率特性 大信号工作 小信号工作2.2 频率特性和开关特性lPN结大信号工作特点： ID-VA特性，CD-VA特性以及CT-VA特性都是非线性的lPN结小信号工作特点：信号电流与信号电压之间满足线性变化关系2.2 频率特性和开关特性小信号等效电路2.3 PN结的电击穿2.3.1 PN结击穿的

6、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结击穿结击穿”，这时的电压称为击穿击穿电压（电压（VR）VRIV2.3 PN结的电击穿2.3.2 产生击穿的机构产生击穿的机制热效应隧道效应雪崩效应2.3 PN结的电击穿一、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 105106 V / cm非破坏性可逆击穿2.3 PN结的电击穿二、隧道击穿反向偏压升高 P区价带顶高于 N区导带底 当势垒区宽度较小 P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带 形成电子空穴对这种效应称 “隧道效应” 一般：隧道击穿的电压较低， 如 Si PN 结，VB 6.7 V 非破坏性可逆击穿 P+区N+区势垒区ECEV2.3 PN结的电击穿三、热击穿 热损耗局