pn结和金属半导体结

pn结和金属半导体结第一页，共41页。扩散窗口结边界平行平面结基本结构1、PN结的理论基础第一部分PN结第二页，共41页。杂质浓度分布第三页，共41页。突变结线性缓变结单边突变结：第四页，共41页。pn结空间电荷区pn结结面两侧存在一个带正负电荷的区间，称为空间电荷区。空间电荷区的p型一侧为负电荷，n型一侧为正电荷。正负电荷形成的电场，叫自建场。自建场的方向由n区指向p区平衡pn结的空间电荷区和能带图空间电荷区自建场E第五页，共41页。平衡pn的能带图EfEcEvEf

EcEfEvEvEc

Neutral

P-region

NeutralN-regionEcEvEf平衡pn结有统一的费米能级在空间电荷区能带弯曲SpaceChargeregion第六页，共41页。平衡pn结的内建电势空间电荷区也称为势垒区从能带图上来看，内建电势由原来两边的费米能级之差决定：Possion方程半导体器件的静电特性由Possion方程描述：第七页，共41页。＋－空间电荷区又称为耗尽区（层）突变的耗尽层近似：（1）空间电荷区内载流子全部耗尽（即与净杂质浓度相比，自由载流子数目可以忽略不计），电离杂质提供空间电荷。（2）空间电荷的分布在边界上突变过渡到零。2、耗尽层模型第八页，共41页。在pn结上施加偏置电压时，pn结处于非平衡态。p区接电源正极（V>0）称pn结正向偏置，p区接电源负极（V<0）称pn结反向偏置。中性区中性区假设外加偏压V全部降落在耗尽层上:第九页，共41页。边界条件为：＋－电荷分布杂质分布耗尽层中的电场和电势第十页，共41页。取得在耗尽层内电场随x线性变化，在结面处达到最大值。在耗尽层内电位与x的关系是二次函数。中性区：空间电荷密度为零，电场为零，电位为常数第十一页，共41页。耗尽区的宽度联立求解以上可得：电位是连续的，在x=0处电位相同，所以有在x=0处，电位移矢量相等，所以第十二页，共41页。耗尽区最大电场：单边突变结，势垒区主要向轻掺杂一边扩展：耗尽层宽度：随结两边掺杂浓度变化突变结静电特性的结果分析耗尽层两端的电位差：第十三页，共41页。正偏时耗尽层宽度、最大电场和势垒高度减小，反偏时增大随外加偏压变化第十四页，共41页。求V=0和V=-5V时空间电荷区的宽度和最大电场。Example例题：考虑一硅pn结。第十五页，共41页。3、反偏pn结

(b)reverse-biasedEcEcEfnEvEfpEv

(a)V=0EcEfEvEfEvEcpn结反向抽取效应VIReversebiasForwardbias第十六页，共41页。4、电容-电压特性

IsCdep

agoodthing?

Howtominimizejunctioncapacitance?反向偏置的PN结等效为一个电容（称为耗尽层电容）pn第十七页，共41页。5、结的击穿

VIVB,breakdownPN

ARForwardCurrentSmallleakageCurrent

voltage当pn结反向电压超过某个特定值后，反向电流会突然急剧增大，这一现象叫pn结击穿。雪崩击穿物理机制隧道击穿pn结电击穿一般不是破坏性的，电击穿是一个可逆的过程。结的击穿电压与pn结的结构以及掺杂分布有明确的关系，结的击穿特性是可以预测的。第十八页，共41页。雪崩击穿发生雪崩击穿时载流子在耗尽层中的运动情况第十九页，共41页。隧道击穿（ZenerBreakdown）量子力学中的隧道效应粒子发生隧穿的条件势垒另一边同样能级的位置存在着未填充状态势垒的宽度d必须很薄，只有d<10nm，量子机制的隧穿效应才会较明显。两边重掺杂的pn结，在不大的反偏电压下满足上述条件。第二十页，共41页。遂穿几率耗尽区最大电场高掺杂的pn结，在电压比较低时，将发生隧穿。隧穿时，大量电子以隧穿的方式从p区价带进入n区导带，导致反向电流急剧增加。第二十一页，共41页。pn结正向注入效应：正向偏置使pn结耗尽区电场减小，扩散运动大于漂移运动，电子由n区扩散（注入）到p区，空穴由p区扩散（注入）到n区6正向偏置

–载流子的注入正偏使势垒高度降低，允许电子和空穴越过势垒第二十二页，共41页。势垒区边界处的少子浓度（Shockley边界条件）第二十三页，共41页。7、载流子的扩散方程（1）小注入；（2）均匀掺杂；（3）在空间电荷区外没有电场；（4）在pn结内部除了漂移、扩散和热复合－产生过程外，没有其它过程。基本假设（理想pn结）稳态时，准中性区的连续性方程可简化为：第二十四页，共41页。边界条件方程的通解：少子扩散方程：式中A、B为待定常数，8、正偏PN结中过剩载流子第二十五页，共41页。n区空穴扩散电流p区电子扩散电流空穴扩散电流电子扩散电流扩散电流密度随位置的变化关系9、PN结二极管的I-V特性第二十六页，共41页。空穴扩散电流电子电流电子扩散电流空穴电流n型一侧中性区的任一点：忽略耗尽层内的热复合－产生过程，则在耗尽层内，载流子电流为恒定值，等于其在耗尽层边界处的值：第二十七页，共41页。上述公式适应于正偏、反偏通过pn结的总电流密度为：反向饱和电流总电流可表示为上式称为理想pn结电流的Shockley方程第二十八页，共41页。

耗尽区对电流的影响Space-ChargeRegion(SCR)currentUnderforwardbias,SCRcurrentisanextracurrentwithaslope120mV/decade第二十九页，共41页。稳态时，n区存储的少子电荷为（p+n结）p+区向n区注入的空穴电流为：比较两个公式可得：10、电荷存储结论：可以用非平衡载流子电荷来描述电流电荷存储时间第三十页，共41页。扩散电容：Whichislarger,diffusionordepletioncapacitance?11、二极管的小信号模型第三十一页，共41页。金属－半导体结在半导体表面淀积一层金属形成紧密的接触，称为金属－半导体结（接触）。两类典型的金属－半导体结：肖特基结（SBD)：半导体掺杂浓度较低，具有单向导电性能（与PN类似）。欧姆接触：半导体掺杂浓度很高，无论加正向或反向电压，电流随电压的很快增大，理想时是线性关系，且电阻很小。第三十二页，共41页。1、肖特基势垒（SBD）金属和N型半导体的能带图及相关能级真空能级功函数、亲和能的概念第三十三页，共41页。N-半导体金属肖特基结的势垒高度：内建电势差：耗尽区宽度：平衡肖特基结的能带图（假设）第三十四页，共41页。

Ahighdensityofenergystatesinthebandgapatthemetal-semiconductorinterfacepinsEftoanarrowrangeandfBnistypically0.4to0.9VFermiLevelPinning

qfBnEcEvEfE0

qyMcSi

=4.05eVVacuumlevel,+-第三十五页，共41页。有外加偏压时肖特基结的能带图外加偏压基本上降落在半导体一侧的空间电荷区内，金属一侧的势垒高度与外加偏压无关。第三十六页，共41页。2、热电子发射理论第三十七页，共41页。3Schottky二极管V=0ForwardbiasedReversebiased第三十八页，共41页。肖特基结