1、图图1 p-n结基本结构结基本结构Chapter 6 p-n Junctions（p-np-n结）结）5.1 Fabrication Of p-n Junction1. Alloyed Junctions (合金结合金结)2. Diffused Junctions (扩散结扩散结) 3. Ion Implantation (离子注入离子注入) 4. Epitaxial Growth (外延生长外延生长)合金温度合金温度降温再结晶降温再结晶1. Alloyed Junctions (合金结合金结)2. Diffused Junctions (扩散结扩散结)n Conceptual example
2、 of the use of photolithography to form a pn junction diode. 3. Ion Implantation (离子注入离子注入)分子束外延分子束外延(MBE)超高真空化学气相沉积超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)常压及减压外延常压及减压外延(ATM & RP Epi) 外延外延(简称简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料 4. Epitaxial Growth (外延生长外延生长)方法：方法：缓变结与突变结缓变结与突变结1 空间电荷区空间电荷区
3、(Space charge region)(Space charge region)的形成的形成(平衡状态下的结平衡状态下的结)刚接触，扩散刚接触，扩散漂移漂移（达到动态平衡）扩散扩散=漂移漂移内建电场内建电场漂移漂移漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。阻挡层阻挡层 耗尽区耗尽区Depletion region空间电荷区空间电荷区Space char
4、ge region 当当p p型半导体和型半导体和n n型半导体接触在一起时型半导体接触在一起时, ,在两在两者的交界面处存在着一个过渡区者的交界面处存在着一个过渡区, ,通常称为通常称为p-np-n结结. .)(E0prAxxqN)(E0DxxqNnrEdx,)(V xdxdExdxVdr022)(Poissons equation:In the p-region:1000)(ECxqNdxqNdxxrArAr0E,pxxprAxqNC01)(E0prAxxqN所以所以In the n-region:)(E0DxxqNnrprnrxqNxqN0A0DmaxEEdx,)(V x及及0V,pxx
5、是连续函数 V(x), 0 x20A20D2)2()(prnrxqNxxxqNxVEFn高于高于EFp表明两表明两种半导体中的电子种半导体中的电子填充能带的水平不填充能带的水平不同。同。nVPVnCPCDEEEEqV)()()()(平衡时FpFnEETkEEpnFpFnenn00000000ln0pnDTkqVpnnnTkqVennD平衡时TkEEiniFnenn00n型半导体中的电子浓度为型半导体中的电子浓度为p型半导体中的电子浓度为型半导体中的电子浓度为TkEEipiFpenn00ApDnNpNn00,全电离非简并20lniADDnNNqTkV * 势垒高度势垒高度 ND、NA 20000
6、00lnlnipnpnDnpnqTknnqTkV4.空间电荷区宽度空间电荷区宽度(Space charge region width)突变结突变结nDpAxNxNpnDxxXDDAAnXNNNxDDADpXNNNxDnVxxV,)(22A20DpnDrDxNxNqNVDDAAnXNNNx)(2(X0DADArDDNNNNqVDDADpXNNNx20A20D2)2()(prnrxqNxxxqNxV)(E0prAxxqN)(E0DxxqNnrEdx,)(V x)(2(X0DADArDDNNNNqV20lniADDnNNqTkV TkxqVqVnDenxn0)(0 TkxqVqVnDepxp0)(0
7、0nn0np0pn0pp)(xn TkxqVqVnDenxn0)(0 TkxqVqVnDepxp0)(01. 1. 势垒区的自由载流子全部耗尽势垒区的自由载流子全部耗尽, ,并并忽略忽略势垒区中势垒区中载流子的载流子的产生产生和和复合复合。I-V characteristic of a p-n junction现假设现假设: : 2. 2. 小注入小注入: :注入的少数载流子浓度远小于半导体中注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场扩散区的漂移电场可可忽略忽略。 外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使外加电场与内建电
8、场方向相反，削弱了内建电场，因而使势垒两端的电势差由势垒两端的电势差由V VD D减小为减小为（V VD D-V-Vf f），相应地势垒区，相应地势垒区变薄变薄。(1) 正向偏置正向偏置 （ Forward bias）由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为- -电注入电注入)(2(X0DADArDDNNNNqV0nn0pnSpace charge regionNeutral regionDiffusion region平平衡衡时时正向偏置正向偏置这两股电流之和就是正向偏置下流过这两股电流之和就是正向偏置下流过p-np-n结的电流。结的电
9、流。P P区空穴向区空穴向n n区扩散区扩散空穴扩散电流空穴扩散电流n n区电子向区电子向P P区扩散区扩散电子扩散电流电子扩散电流pnJJJ 根据电流连续性原理，通过根据电流连续性原理，通过p-np-n结中任一截面的总电流是结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。所不同而已。)()(PPPnxJxJJ考虑考虑-x-xp p截面：截面：忽略了势垒区载流子的产生和复合：忽略了势垒区载流子的产生和复合：)()(nPPnxJxJJnppnpxpLDqxJ xpLDqdxxpdqDxJpppp)(Tk
10、VVqpfDep0)(0nnxpTkqVnfep00TkqVnTkVVqpnnffDepepxp000)(0100TkqVnppnppnpfepLDqxpLDqxJ1000TkqVnnnnnfeppxpxp TkqVpTkVVqnppffDenenxn000)(0 1000TkqVpppppfennxnxn 100TkqVpnnpnfenLDqxJ同理：同理：11)()(0000TkqVsTkqVppnnnpnPPnffeJeLDpLDnqxJxJJ-肖克莱方程肖克莱方程TkqVf0一般TkqVsffeJJnp0结的正向电流外加电场外加电场V Vr r与内建电场方向一致与内建电场方向一致漂移漂
11、移 扩散扩散(2)反向偏置反向偏置 （Reverse bias）V VD D增大为（增大为（V VD D+V+Vr r），相应地势垒区加宽），相应地势垒区加宽)(2(X0DADArDDNNNNqV 势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了运动，形成了反向扩散电流反向扩散电流。10TkqVsrreJJ类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度那么T,T,k kqVqV一般一般0 0r rsrJJ 式中，式
12、中，JsJs不随反向电压变化，称为不随反向电压变化，称为反向饱和电流反向饱和电流密度密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。 p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：公式表示：1 1e eJ JJ JT Tk kqVqVs s0 0正向：正向：V= Vf反向：反向：V= -VrppnnnpsLDpLDnqJ00p-n结的伏结的伏-安特性安特性v 单向导电性单向导电性-整流整流Ge、Si、GaAs：0.3、 0.7、1Vv 具有可变电阻性具有可变电阻性v 温度影响大温度影响大v 单边突变结单边突变
13、结I-V特性由轻掺杂一边决定。特性由轻掺杂一边决定。TkqVppnnnpeLDpLDnqJ000np TkEsgeTJ023TkqVpnpieLnDqnJ002np 影响影响p-n结伏结伏-安特安特性的主要因素：性的主要因素：产生偏差的原因：产生偏差的原因：（1）正向小电压时忽略了）正向小电压时忽略了势垒区的复合势垒区的复合；正向大电；正向大电压时忽略了外加电压在压时忽略了外加电压在扩散区扩散区和和体电阻体电阻上的压降。上的压降。（2）在反向偏置时忽略了势垒区的）在反向偏置时忽略了势垒区的产生产生电流。电流。TkEEchnpnnnpCNUitiit022)(空间电荷区的复合电流空间电荷区的复合
14、电流DxrUdxqJ0iitnpnnnpCNU2)(2max) 1(2) 1(002maxTkqVTkqViteeCnNUitEE pn TkqVDieXqn022空间电荷区的产生电流空间电荷区的产生电流DGqGXJTkEEchnpnnnpCNUitiit022)(itEE pnni,2inU2inG 2DiXqn注入p+-n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布大注入大注入扩散区产生内建电场扩散区产生内建电场v p-n结的结的直流直流伏伏-安特性表明：安特性表明： 1. 具有单向导电性。具有单向导电性。 2. 具有可变电阻性。具有可变电阻性。特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。特别是在高频
15、运用时，这个电容效应更为显著。v p-n结的结的交流交流特性表明特性表明:p-n结还具有结还具有可变电容可变电容的性质的性质p-np-n结电容包括势垒电容和扩散两部分。结电容包括势垒电容和扩散两部分。（1 1）势垒电容）势垒电容C CT TQXVD由于势垒区电荷的变由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效化表现出来的电容效应应- -势垒电容势垒电容也称结电容（也称结电容（Junction capacitance）DTXAdVdQC势垒电容势垒电容对于线性缓变结对于线性缓变结31012jDrDqVVX2102DADArDDNNNNqVVX对于突变结：对于突变结：对于突变结：对于突变结：2112DAD
16、ADTNNNNVVqAC31212VVqACDjT其中 :杂质浓度梯度j荷荷量量) )变变化化Q Q( (扩扩散散区区内内储储存存电电V V变变化化 扩散电容扩散电容也称电荷存储电容（也称电荷存储电容（charge storage capacitance charge storage capacitance ）dVdQdVdQdVdQCnpDVkTqpnnpDnDpDenLpLkTAqCCC)(002 CT与与CD都与都与p-n结的面积结的面积A成正比，且随外加成正比，且随外加电压而变化。电压而变化。点接触式二极管面积很小，点接触式二极管面积很小， CT 、CD ：0.51pF面结型二极管中的
17、整流管面积大，面结型二极管中的整流管面积大， CT 、CD ：几十：几十几百几百pF点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底 点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其属针后，再通过电流法而形成的。因此，其PNPN结的静电容结的静电容量小量小, ,适用于高频电
18、路。适用于高频电路。 因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。较广的类型。 点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线 面结型与点接触型二极管相比较，正向特性和反向特面结型与点接触型二极管相比较，正向特性和反向特性好，因此，用于大电流和整流。性好，因此，用于大电流和整流。负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金p-n结的
19、总电容为两者之和：结的总电容为两者之和：DTjCCC正向偏置正向偏置p-n结时，以结时，以CD为主，为主，CjCD反向偏置反向偏置p-n结时，以结时，以CT为主，为主，CjCT齐齐纳纳击击穿穿雪雪崩崩击击穿穿电电击击穿穿热热击击穿穿击击穿穿 在反向偏置下，当反向电压很大时，在反向偏置下，当反向电压很大时， p-n结的反结的反向电流突然增加，从而破坏了向电流突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性结的整流特性- p-n结的击穿结的击穿。 p-n p-n结中的电场随着结中的电场随着反向电压反向电压的增加而增加，的增加而增加，少数载流子通过少数载流子通过反向扩散反向扩散进入势垒区时获得的动能进入势垒区
20、时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子把中性原子的价电子激发到导带，形成电子激发到导带，形成电子- -空穴对空穴对碰撞电离。碰撞电离。 连锁反应，使载流子的数量连锁反应，使载流子的数量倍增式的急剧增多倍增式的急剧增多，因而，因而p-np-n结的反向电流也结的反向电流也急剧增大，形成了急剧增大，形成了雪崩击穿雪崩击穿。影响雪崩击穿电压的主要因素：影响雪崩击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度大掺杂浓度大,击穿电压小击穿电压小.2.势垒宽度势垒宽度:势垒宽
21、度足够宽势垒宽度足够宽,击穿电压小击穿电压小 3.禁带宽度禁带宽度:禁带宽度越宽禁带宽度越宽,击穿电压越大击穿电压越大.4.温度温度:温度升高温度升高,击穿电压增大击穿电压增大.是掺杂浓度较高的非简并是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制结中的击穿机制. 根据量子力学的观点根据量子力学的观点, ,当势垒宽度当势垒宽度X XABAB足够窄时足够窄时, ,将有将有电子穿透禁带电子穿透禁带. .当外加反向电压很大时当外加反向电压很大时, ,能带倾斜严重能带倾斜严重, ,势势垒宽度垒宽度X XABAB变得更窄变得更窄. .造成很大的反向电流造成很大的反向电流. .使使p-np-n结击穿结击穿. .
22、XDXAB影响齐纳击穿电压的主要因素：影响齐纳击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度掺杂浓度大大,击穿电压击穿电压小小. 2.禁带宽度禁带宽度:禁带宽度禁带宽度越宽越宽,击穿电压击穿电压越大越大.3.温度温度:温度温度升高升高,击穿电压击穿电压下降下降. 齐纳击穿电压具有齐纳击穿电压具有负负的温度系数的温度系数,而雪崩击穿电而雪崩击穿电压具有压具有正正的温度系数的温度系数,这种温度效应是区分两种击穿这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法机构的重要方法. 掺杂浓度高掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下反向偏压不高的情况下,易发生齐纳易发生齐纳击穿击穿. 相反相反,易发生雪崩击穿易发生雪
23、崩击穿.禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿. 当当p-np-n结的两边都是重掺杂时结的两边都是重掺杂时: (1) : (1) 费米能级分别费米能级分别进入导带和价带进入导带和价带. (2). (2)势垒十分薄势垒十分薄. . 在外加正向或反向电压下在外加正向或反向电压下,有些载流子将可能穿透有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流势垒产生额外的电流. 隧道电流隧道电流平衡时加正向电压的情况加正向电压的情况加反向电压的情况加反向电压的情况隧道二极管的优点：隧道二极管的优点：温度影响小、高频特性良好温度影响小、高频特性良好 如果用如果用hEg的光照射具有的光照射具有
24、p-n结结构的半导体结结构的半导体表面表面,那么只要结的深度在光的透入深度范围内那么只要结的深度在光的透入深度范围内,光照光照的结果将在光照面和暗面之间产生光电压的结果将在光照面和暗面之间产生光电压. 光生伏光生伏特效应特效应.1. 试述平衡试述平衡p-n结形成的物理过程结形成的物理过程.它有什么特点它有什么特点?画画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向.2.内建电势差内建电势差VD受哪些因素的影响受哪些因素的影响?锗锗p-n结与硅结与硅p-n结结的的VD哪个大哪个大?为什么为什么?3.试比较平衡试比较平衡p-n结结,正向偏置正向偏置p-n结结,反向
25、偏置反向偏置p-n结的特结的特点点.4.写出写出p-n结整流方程结整流方程,并说明方程中每一项的物理意义并说明方程中每一项的物理意义?5.p-n结的理想伏结的理想伏-安特性与实际伏安特性与实际伏-安特性有哪些区别安特性有哪些区别?产生的原因是什么产生的原因是什么?6.p-n结为什么有电容特性结为什么有电容特性?与普通电容相比有哪些相与普通电容相比有哪些相似之处似之处?有哪些区别有哪些区别?7. p-n结击穿主要有哪几种结击穿主要有哪几种?说明各种击穿产生的原因说明各种击穿产生的原因和条件和条件.影响它们的因素有哪些影响它们的因素有哪些?8.在隧道二极管中在隧道二极管中,n区常重掺杂使区常重掺杂使EFn位于导带中位于导带中,p区区重掺杂使重掺杂使EFp位于价带中位于价带中,画出这种二极管在零偏时的画出这种二极管在零偏时的能带图能带图,并说明外加正偏或反偏时并说明外加正偏或反偏时,能带将如何变化能带将如何变化?9.隧道二极管与一般隧道二极管与一般p-n二极管的伏二极管的伏-安特性有什么不安特性有什么不同同?它有什么优点它有什么优点?
