半导体器件物理（第2版） 第2章 PN结

理解三种PN结的杂质分布情况理解突变结和线性缓变结的概念0102一、合金结——突变结由于制造方法不同，PN结内杂质分布也不同。NA表示受主杂质浓度，ND表示施主杂质浓度，＞0的区域表示P区，＜0的区域表示N区。一、合金结——突变结结两边杂质分布是均匀的，在交界处，杂质浓度发生跳变，具有这种杂质分布的PN结称为突变结。二、扩散结——线性缓变结杂质浓度从P区到N区是逐渐变化的，因此称为缓变结。切线的斜率

称为杂质浓度梯度。杂质浓度可以用一个一次函数来表示。二、扩散结——线性缓变结为简化理论分析，通常将合金结和高表面浓度的浅扩散结认为是突变结；而低表面浓度的深扩散结可认为是线性缓变结。NA-NDOxjx理解PN结的基本结构01理解PN结形成的三种方法02一、理解PN结的基本结构相互衔接的P型区域和N型区域之间有一层很薄的过渡区，叫做PN结。P型半导体N型半导体PN结二、PN结形成的三种方法根据我们前面学过的杂质补偿原理，再结晶区呈P型，从而形成了PN结。二、PN结形成的三种方法SiO2N-Si氧化光刻窗口N-Si光刻P型杂质P-SiN-Si扩散Xj二、PN结形成的三种方法P-SiN-SiXjB+

B+

B+理解平衡PN结的形成过程01理解平衡PN结的能带图02对于P区，空穴离开后，留下了不可动的带负电荷的离子，因此在PN结的P区侧形成了一个负电荷区；在N区由于电子离开而出现了由不可移动的正离子构成的正电荷区，这个交界区域就是PN结。一、平衡PN结的形成空间电荷区自建电场P区N区自建电场一方面驱动带负电的电子沿电场相反的方向做漂移运动，也就是由P区向N区运动；推动带正电的空穴沿电场方向做漂移运动，也就是由N区向P区运动。一、平衡PN结的形成空间电荷区自建电场P区N区随着扩散的进行，空间电荷数量不断增加，自建电场越来越强，直到电场强到使载流子的漂移运动和扩散运动大小相等、方向相反，相互抵消。一、平衡PN结的形成空间电荷区自建电场P区N区P区和N区接触存在浓度差→扩散（复合）→出现空间电荷区→形成自建电场→漂移运动和扩散运动抵消→达到动态平衡。一、平衡PN结的形成空间电荷区自建电场P区N区二、PN结的能带图cEiEEFPEvcEEviEFNEDqUEcPcNEEvNiEEiEFEvPEFqU

DP区N区PN结这样两个区就存在着一个能量差，P区的电子比N区的电子能量要高出qUD。这样一个能量的高坡我们称之为势垒。理解产生接触电势差的原因掌握接触电势差的计算式理解影响接触电势差的因素010203一、接触电势差的产生EcPEvNEiEFEvPEcNEFEiqU

DP区N区PN结

在空间电荷区内，能带发生弯曲，电子从电势能低的N区向电势能高的P区运动时，必须克服这个势能高坡，才能到达P区，这一势能高坡通常称为PN结的势垒。一、接触电势差的产生

达到平衡状态时，如果P区和N区的电势差为UD。P区N区U

(x)xxPxNU

D0UD

称为PN结的接触电势差则两个区的电势能变化量为EFN-EFP=qUDqUD

是势垒高度二、接触电势差的计算iDn2qU

kT

ln ND

N

ADFNkTEEi)

NnN

ni

exp(iDiFNnNE

E

kT

lnAFPiiPkTE

E)

Np

n

exp(iFPinE

E

kTlnN

AD2iFPFNnE

E

kTln

ND

NA

qUN区电子浓度为P区空穴浓度为三、影响接触电势差的因素iDn2qU

kT

ln ND

N

AN区和P区的净杂质浓度愈大，即N区和P区的电阻率越低，接触电势差越大。与半导体材料种类有关。不同的半导体材料其本征载流子浓度越小，接触电势差越大。与温度有关，工作温度越高，本征载流子浓度越大，接触电势差越小。理解PN结载流子分布曲线理解耗尽层的概念0102

当PN结没有外加电压时，由于自建电场的存在，空间电荷区内载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消，通过PN结的总净电流为零，PN结中费米能级处处相等。平衡PN结一、PN结载流子浓度分布曲线

空间电荷区中绝大部分区域的载流子浓度远小于两侧的中性区域，即空间电荷区的载流子基本已被耗尽。

所以，空间电荷区又叫耗尽区或耗尽层。xPxNxp

p

0nn0n0pn(x)P区np

0N区p(x)空间电荷区二、晶向的概念与计算

在PN结理论分析中，常常假设空间电荷区中的正负空间电荷密度等于施主杂质浓度和受主杂质浓度，而忽略电子和空穴的影响，这种假设称为耗尽层假设或耗尽层近似。xPxNxpnp

0pn0p(x)n(x)P区p

0N区

理解PN结的反向抽取作用

理解PN结的反向电流表达式0102一、反偏PN结的势垒区变化

PN结加反向偏压，外加电场与自建电场方向相同，空间电荷区电场加强。UPFINxm2xmcPEEvPEvNEE

'qUDEcN

q(UD

U

)电场的增强，使势垒区发生两个变化势垒区宽度变大；势垒高度增加。二、PN结的反向抽取作用

反偏时漂移作用占了优势，因此要把P区边界的电子拉到N区，把N区边界的空穴拉到P区去，而在P区内部的电子和N区内部的空穴就要跑到边界去补充，这样就形成了反向电流，方向是从N区指向P区。n pnp

0pn00

0x'xNPxPxNLnLp上述情况就好像是P区和N区的少数载流子不断地被抽出来，所以称为PN结的反向抽取作用。三、PN结的反向电流用与正向PN结类似的方法，可以求出PN结反向电流为

kT)

exp(

qU

)

1

L LDnI

Aq(n pn p0

Dppn0R0Dn2Dp

L n

Ln2LDLDn0 pnP0p

pN

0n

n

i pp)

I)

Aq(

i nI

Aq(nR P0

随着反向电压的增大，反向电流将趋于一个恒定值，仅与少子浓度、扩散长度、扩散系数有关，我们称之为反向饱和电流。

少数载流子浓度与本征载流子浓度平方成正比，并且随温度升高而快速增大，因此，反向饱和电流会随温度升高而快速增大。

四、PN结的伏安特性曲线10200.51.0正向特性1020反向特性10I0I/

mAU/V

将PN结的正向特性和反向特性组合起来，就形成PN结的伏安特性，在正向偏压和反向偏压作用下，曲线是不对称的，表现出PN结具有单向导电性（或称为整流效应）。

理解肖克莱方程和实验结果偏离的原因01一、正向PN结势垒区复合电流复合电流减少了PN结中的少子注入，这是硅三极管小电流下电流放大系数下降的重要原因之一。PNxP

xN二、反向PN结势垒区产生电流势垒区产生电流有一个明显的特点，它不像反向扩散电流那样会达到饱和值，而是随着反向偏压增大而缓慢增加。NPxP

xN三、大注入情况在推导正向电流公式时，采用了小注入的假设条件，即注入扩散区的非平衡少子浓度比平衡多子浓度小得多。但是当正向偏压较大时，注入扩散区的非平衡少子浓度可能接近或超过该区多子浓度，这就是大注入情况。肖克莱方程将偏离实际测量结果。四、表面效应在硅和二氧化硅交界面处，往往存在着相当数量的、位于禁带中的能级，称为界面态或表面态。它们与体内的杂质能级相似，能接受、放出电子，可以起复合中心的作用。这样就引进了附加的复合和产生电流，从而影响器件性能。N

SiO

2PNN反型层

二氧化硅层中一般都含有一定数量的正电荷，当P型衬底的杂质浓度较低，二氧化硅膜中的正电荷较多时，衬底表面将形成N型反型沟道，这相当于增大了PN结的结面积，从而导致反向电流的增加。四、表面效应

在PN结的生产过程中，硅片表面很可能沾污一些金属离子和水汽分子，这就相当于在PN结表面并联了一个附加的电导，从而引起表面漏电，使反向电流增加。四、表面效应P

N

理解势垒电容和扩散电容的成因

理解PN结电容的影响理解微分电容的概念010203一、势垒电容PN结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。PNxmdQdQ这种P-N结的电容效应称为势垒电容二、扩散电容随外加电压的变化，引起电子和空穴在扩散区内的存入和取出，由此产生的电容效应称为PN结的扩散电容。注意，P区和N区各有一个扩散电容。p(xN

)x'n

p

0pn0xnn(xP

)pL 0 0 Ln p三、PN结电容的影响在交流电压的作用下，PN结的特性相当于是一个电阻和两个电容的并联。

由于电容具有高通低阻的特性，如果给PN结外加一个交流电，在交变频率很低的时候，PN结有整流作用。RCTCD如果逐步提高交变频率，

PN结就失去了整流的作用。四、微分电容

实验发现，PN结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化，表明它们是可变电容。

为此，引入微分电容的概念来表示PN结的电容。dUC

dQ理解PN结的反向击穿现象01理解PN结击穿的三种机理02在PN结上加反向电压时，反向电流是随着反向电压的增大而微小地增加的，然后趋于饱和，这时的电流称为反向饱和电流。反向电压继续增大到某一定值时，反向电流就会剧增，这种现象叫做反向击穿。一、理解PN结的反向击穿现象IVVB0空间电荷区上存在着很强的电场。在空间电荷区里面的电子和空穴都要受到电场的加速，具有很大的能量。由于倍增效应，引起载流子在数量上的急剧增大，使反向电流猛然增加，引起PN结的击穿，这种击穿叫做雪崩击穿。二、理解PN结击穿的三种机理112222PN

隧道击穿是在强电场作用下，由于隧道效应，就是P区价带中的电子有一定的几率直接穿透禁带而到达N区导带中的现象，使大量电子从价带进到导带所引起的一种击穿现象。二、理解PN结击穿的三种机理PNdBAxmEc

v EPN结工作时的热量不能及时传递出去，将引起结温上升，而结温上升又导致反向电流和热损耗的增加。若没有采取有效措施，就会形成恶性循环，一直到PN结被烧毁。这种热不稳定性引起的击穿称为热击穿或热电击穿。二、理解PN结击穿的三种机理感谢观看

0

1

理解估算雪崩击穿电压的通用公式

了解雪崩击穿电压的关系曲线02

锗、硅晶体管的击穿绝大多数是雪崩击穿，因此雪崩击穿是一种重要的击穿机理。一、估算雪崩击穿电压的通用公式硅锗砷化镓磷 化镓一、估算雪崩击穿电压的通用公式突变结10161.1gB)3

2

(

NB

)

3

4EU

60(线性缓变结6

5

25)) (

g1.1 3

1020BEU

60(雪崩击穿电压不光跟低掺杂区的杂质浓度或杂质浓度梯度有关，还跟材料的禁带宽度有关。在相同的条件下，禁带宽度大的材料，雪崩击穿电压高。二、雪崩击穿电压的关系曲线突变结的雪崩击穿电压与低掺杂一侧杂质浓度的关系曲线

对N

型和P

型的材料都适用。

杂质浓度决定了材料的电阻率，所以为了获得所需的击穿电压，原材料的电阻率要注意选择合适的数值。二、雪崩击穿电压的关系曲线线性缓变结与杂质浓度梯度的关系曲线

从图中可以看出，可以采用降低杂质浓度梯度的方法来提高击穿电压。

01

理解影响雪崩击穿电压的三个因素突变结一、杂质浓度的影响线性缓变结10161.1gB)3

2

(

NB

)

3

4EU

60(6

5)

2

5) (1.1 3

1020

gBEU

60(

如果衬底杂质浓度低或者杂质浓度梯度小，那么在相同的外加反向偏压下，势垒区宽度Xm较大，电场强度较低，雪崩击穿电压就会提高。二、外延层厚度的影响

在制造PN结的工艺过程中，为了保证硅片的机械强度，对其厚度有一定的要求，通常是500μm。为了减小PN结体电阻，通常在N+衬底上生长一层很薄的N-外延层，然后在外延层上制作PN结，这样既减小了体电阻，又满足了反向击穿电压的要求。也就是说，高电阻率一侧的厚度是有一定限制的。N+P+N-500μm二、晶向的概念与计算0P

N

P

N

NNW0WxxxmBE

x

E

x

W如果外延层厚度小于PN击穿时的势垒区宽度，反向击穿电压将降低。三、扩散结结深的影响三、扩散结结深的影响10141015101610171018110102103（300K）-3NB

/cmVB

/V硅单边突变结

平面

_

柱面

球面xj

x

j

10

mx

j

1

mxj

0.1

m理解PN结的开关作用01理解PN结用作开关的特点02一、PN结的开关作用在输入端给PN结加一个正偏电压，这时二极管处在正向导通状态，故它的电阻很小，假如把它忽略，这个电路就可以看成如右图那样，二极管相当于一个闭合的开关。一、PN结的开关作用如果在输入端给PN结加一个反偏电压，这时二极管处在反向截止状态，故电阻很大，假如把它看成无穷大，这个电路就可以看成如右图那样，二极管相当于一个打开的开关。一、PN结的开关作用二、PN做开关的特点PN结的开关作用是由电脉冲信号来控制的，所以开关的速度极快，这是机械开关远不能比的。把二极管当作一个理想的开关只是一种近似的比拟，因为理想的开关在开的时候电阻为零，在它上面压降也是零。而实际的二极管在正向导通状态时，它上面总有一定的压降。而在关断状态时，二极管总有一定的反向电流，也和理想的开关有所差别。

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理解PN结的反向恢复过程及其成因

掌握PN结的反向恢复时间

理解反向恢复时间的影响0203一、PN结的反向恢复过程V

V12

Vtt0tIID0I0t

如果二极管是一个理想的开关，那么当正向电压变为反向电压时，流过二极管的电流就应当从正向比较大的数值ID突然变到很小的反向漏电流I0