1、半导体物理与器件半导体物理与器件陈延湖陈延湖第七章第七章 pn结结 从本章开始将由半导体物理基础的学习进入半导体器件从本章开始将由半导体物理基础的学习进入半导体器件基础的学习。基础的学习。npn结在现代电子学中具有重要的应用，是多种半结在现代电子学中具有重要的应用，是多种半导体器件的核心。因而导体器件的核心。因而pn结对于各种半导体器件结对于各种半导体器件的学习特别重要。的学习特别重要。n前面学习的载流子浓度分布、费米能级、电中性前面学习的载流子浓度分布、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、连续性方程等理论条件、载流子的漂移与扩散、连续性方程等理论将应用于将应用于pn结的学习，成为分析结
2、的学习，成为分析pn结工作原理结工作原理与特性的有力工具。与特性的有力工具。nPN结基本物理模型结基本物理模型nPN结的零偏和反偏特性结的零偏和反偏特性nPN结的势垒电容特性结的势垒电容特性本章重点问题：本章重点问题：本章主要内容：本章主要内容：np-n结的基本结构（结的基本结构（7.1)nPn结的基本结构结的基本结构nPn结的基本物理模型结的基本物理模型np-n结零偏特性结零偏特性(7.2)n能带图能带图n内建电势差内建电势差n空间电荷区特性空间电荷区特性np-n结反偏特性结反偏特性(7.3)n能带图能带图n空间电荷区宽度与场空间电荷区宽度与场n势垒电容势垒电容np-n结击穿结击穿(7.4)
3、n雪崩击穿雪崩击穿n齐纳击穿齐纳击穿7.1 P-N结的基本结构结的基本结构n半导体中的半导体中的结结：不同导电类型（或导电能力）的：不同导电类型（或导电能力）的半导体的界面（过渡区）。半导体的界面（过渡区）。1 pn结的概念、制作方法和杂质分布结的概念、制作方法和杂质分布nPN结结：通过合金法、扩散法以及离子注入等工艺通过合金法、扩散法以及离子注入等工艺手段，可以使半导体的手段，可以使半导体的不同不同区域分别具有区域分别具有n型和型和p型的型的导电类型导电类型，在两者的交界面处形成具有特殊，在两者的交界面处形成具有特殊性能的性能的p-n结。结。PN结的概念结的概念n冶金结（冶金结（metall
4、urgical junction）：分隔）：分隔p区区与与n区的交界面又称为冶金结。区的交界面又称为冶金结。n结深（结深（junction depth）：半导体表面到冶金结）：半导体表面到冶金结的距离（的距离（xj）。）。xjPN结的概念结的概念含含pn结的典型半导结的典型半导体器件体器件整流二极管整流二极管-整流特性整流特性变容二极管变容二极管-电容特性电容特性稳压二极管稳压二极管-击穿特性击穿特性隧道二极管隧道二极管-隧道特性隧道特性光电特性光电特性晶体管晶体管双极晶体管双极晶体管(BJT)场效应晶体管场效应晶体管(FET)太阳能电池太阳能电池(SOLAR CELL)发光二极管发光二极管(
5、LED)激光二极管激光二极管(LD)PN结的制作方法结的制作方法nPN结的制作方法结的制作方法合金法：整流二极管、稳压二极管等合金法：整流二极管、稳压二极管等nPN结的制作方法结的制作方法扩散法：整流二极管等扩散法：整流二极管等N-硅硅AlN-硅硅液体液体N-硅硅P硅硅N-硅硅Si02NPN-硅硅扩散扩散P型杂质型杂质PN结的制作方法结的制作方法nPN结的制作方法结的制作方法离子注入法：离子注入法：FET中的二极管中的二极管nPN结的制作方法结的制作方法外延生长法：如外延生长法：如LED，LD，高频晶体管高频晶体管N-硅硅Si02N-硅硅注入注入P型杂质型杂质NPN-硅硅Si02N-硅硅P型外
6、延型外延NPPN结的杂质分布结的杂质分布n突变结杂质分布：在突变结杂质分布：在pn结交界面处，杂质浓度结交界面处，杂质浓度由由NA(p型型)突变为突变为ND(n型型)。ANDN()N xjxx具有上述杂质分布的具有上述杂质分布的pn结称为结称为突变结。突变结。,(),()jAjDxxN xNxxN xN若一边的杂质浓度比另一边高很多，可称为若一边的杂质浓度比另一边高很多，可称为单边突变结单边突变结，记，记为为p+-n结或结或n+-p结结PN结的杂质分布结的杂质分布n缓变结杂质分布：在缓变结杂质分布：在pn结交界面处，杂质浓度结交界面处，杂质浓度从从p区到区到n区是逐渐变化的。区是逐渐变化的。具
7、有上述杂质分布的具有上述杂质分布的pn结称为结称为缓变结。缓变结。,jADjADxxNNxxNN()ANxDN()N xjxx 若净杂质分布是随距离线性变化的，若净杂质分布是随距离线性变化的，则称为则称为线性缓变结线性缓变结()DAjjNNxxPN结的杂质分布结的杂质分布一种一种p+n结的结的n区掺杂曲线，区掺杂曲线，mNBx超突变结杂质分布：超突变结杂质分布：2 pn结的空间电荷区的形成结的空间电荷区的形成n成结后：成结后：n以突变结为例，单独的均匀掺杂的以突变结为例，单独的均匀掺杂的p型和型和n型半导体是电中性，各处净电荷为型半导体是电中性，各处净电荷为0。电子由电子由n型材料型材料向向p
8、型材料扩散型材料扩散空穴由空穴由p型材料型材料向向n型材料扩散型材料扩散n区处留下带正区处留下带正电的施主杂质电的施主杂质p区处留下带负区处留下带负电的受主杂质电的受主杂质空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场P区区N区区n成结后各电流成分：成结后各电流成分：EPN 在在pn结附近，结附近，n区一侧电离施区一侧电离施主形成正电荷区，主形成正电荷区，P区一侧电离受区一侧电离受主形成负电荷区，两者统称为主形成负电荷区，两者统称为空空间电荷区，间电荷区，所带电荷为所带电荷为空间电荷空间电荷载流子扩散流：载流子扩散流：内建电场导致的漂移电流：内建电场导致的漂移电流：在在无外加因素影响的热平衡状态无外加因
9、素影响的热平衡状态下，扩散流和漂移流达到动态平衡状态：下，扩散流和漂移流达到动态平衡状态：()()ppJp x eE漂()()nndn xJeDdx扩()()nnJn x eE漂()()ppdp xJeDdx 扩()()()0nnnnndn xJJJqnEqDdx漂扩()()()0pppppdp xJJJepEeDdx漂扩空间电荷区宽度一定，空间电荷区宽度一定，内建电场一定。内建电场一定。由于空间电荷区中的可动载流由于空间电荷区中的可动载流子子基本基本处于处于耗尽耗尽状态，因此空状态，因此空间电荷区也称作间电荷区也称作耗尽区耗尽区。7.2 零偏零偏PN结结n成结前：成结前：n成结过程中：成结过
10、程中：成结中形成空间电荷区成结中形成空间电荷区界面界面n区带正电荷，电势上升，区带正电荷，电势上升，界面界面p区带负电荷，电势下降区带负电荷，电势下降N区费米能级及能带下降区费米能级及能带下降P区费米能级及能带上升区费米能级及能带上升 最终，最终，两个区费米能级达到统一，动两个区费米能级达到统一，动态平衡建立，内建电场和空间电荷区保态平衡建立，内建电场和空间电荷区保持稳定。持稳定。P区区ECEVEiEFpEaN区区ECEVEiEFnEdn成结后成结后n零偏零偏pn结处于热平衡状态，其各区费米能级处处结处于热平衡状态，其各区费米能级处处相等，则净电流必为相等，则净电流必为0，这一结论还可以从电流
11、，这一结论还可以从电流密度方程导出密度方程导出EPNECEiEFEVPN 设流过设流过pn结总电子电流密度为结总电子电流密度为Jn，假定电场，假定电场E沿沿x方向，方向，结区电子浓度结区电子浓度n只随只随x变化：变化：nnndnJneEeDdx利用爱因斯坦关系：利用爱因斯坦关系：/nnDkTe(ln)nnkT dJneEne dx因为因为()/()FFiEEkTinne所以上式可化为：所以上式可化为：1()FiFnndEdEJneEedxdxFiE()FidEdxeeEdxdx 则则FnndEJndx同理同理：FppdEJpdx 以上两式说明通过以上两式说明通过pnpn结的电流密度与费米能级的
12、变化结的电流密度与费米能级的变化有关，对于平衡有关，对于平衡p-np-n结，结，J Jn n、J Jp p应均为零应均为零-()ex与电子的附加电势能与电子的附加电势能本征费米能级本征费米能级变化一致，即：变化一致，即：1()FiFnndEdEJnqEqdxdx平衡平衡pn结的内建电势差结的内建电势差 内建电场的存在导致内建电场的存在导致PNPN结空间电荷区电势的高低变结空间电荷区电势的高低变化，电子电势能不一致，能带发生弯曲，形成了电子和化，电子电势能不一致，能带发生弯曲，形成了电子和空穴势垒。空穴势垒。平衡平衡p-np-n结空间电荷区两端电势差称为结空间电荷区两端电势差称为接触电势差或内建
13、电势差接触电势差或内建电势差VbiVbi相应的电子电势能之差称为相应的电子电势能之差称为势垒高度势垒高度eVbi，它它恰好补尝了恰好补尝了N区和区和P区的费米能级之差，使平衡时费米能级处处相等区的费米能级之差，使平衡时费米能级处处相等空间电荷区也称为势垒区空间电荷区也称为势垒区中性中性P区区中性中性N区区ppnn势垒区势垒区biFnFpV VbiVbi和和pnpn结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关对于平衡状态的对于平衡状态的pnpn结我们有：结我们有：0expFFindiEEnNnkT0expFiFpaiEEpNnkT参照前边图中参照前边图中F
14、nFn、FpFp的定义，可得：的定义，可得：lndFnFiFiNeEEkTn lnaFpFiFiNeEEkTn则：则：22lnlnadadbiFnFpTiiN NN NkTVVennn空间电荷区分离的正负电荷产生内建电场，空间电荷区分离的正负电荷产生内建电场，其电场强度的大小和电荷密度的关系由泊松其电场强度的大小和电荷密度的关系由泊松方程确定方程确定 22sdxxdE xdxdx 00apdnxeNxxxeNxx 空间电荷区电场强度空间电荷区电场强度 耗尽区假设耗尽区假设其中其中为电势，为电势，E E为电场强度，为电场强度，为电荷密度，为电荷密度，s s为介电常数。为介电常数。以突变结为例以突
15、变结为例从图中可知，电荷密度从图中可知，电荷密度(x)为：为：耗尽区近似的验证耗尽区近似的验证n耗尽层近似：一般室温条件，对于绝大多部分势耗尽层近似：一般室温条件，对于绝大多部分势垒区，载流子浓度比起垒区，载流子浓度比起N区和区和P区的多数载流子浓区的多数载流子浓度小的多，好像已经耗尽了，此时可度小的多，好像已经耗尽了，此时可忽略势垒区忽略势垒区的载流子，空间电荷密度就等于电离杂质浓度，的载流子，空间电荷密度就等于电离杂质浓度，即为耗尽区近似。所以空间电荷区也称为耗尽区即为耗尽区近似。所以空间电荷区也称为耗尽区。设势垒高度为设势垒高度为0.7eV,势垒区内电势能比势垒区内电势能比n区导带底高区
16、导带底高0.1eV的点的点x处的载流子浓度为：处的载流子浓度为：000.1()exp0.0265050nDnnNn xn10000.6()exp10pAp xpNk T 1aasssxeNeNEdxdxxC则则p p区空间电荷区内电场可以积分求得：区空间电荷区内电场可以积分求得：1apseNCxapseNExx 2ddsssxeNeNEdxdxxC相应，相应，n n区空间电荷区电场：区空间电荷区电场：1anseNCxdnseNExx则边界条件为则边界条件为 x=-x=-xpxp时，时，E=0 E=0 求得：求得：边界条件：边界条件：x=x=xnxn时，时，E=0E=0因空间电荷区外为电中性，因
17、空间电荷区外为电中性，x-xnnn0n0,N,Na aN Nd d，相应有：，相应有：npxx1/22sbiRndVVWxeN势垒电容势垒电容C-V特性应用特性应用1对于对于p+n等单边突变结，变换其势垒电容表达式为：等单边突变结，变换其势垒电容表达式为：22()1()biRsdVVCeN若实验作出若实验作出2(1/)CV关系曲线关系曲线则从直线的斜率可得到杂质浓度则从直线的斜率可得到杂质浓度Nd，从直线的截距可测得接触电势差从直线的截距可测得接触电势差Vbi。n通过通过C-V特性曲线特性曲线测量测量PN结结区附近的杂质浓结结区附近的杂质浓度等参数度等参数1/22sdbiReNCVV小结小结n
18、上述公式是由耗尽层近似得到，只适用反偏情况。上述公式是由耗尽层近似得到，只适用反偏情况。(a)正偏时势垒区很薄，空间电荷较少正偏时势垒区很薄，空间电荷较少(b)正偏时大量载流子流过势垒区正偏时大量载流子流过势垒区耗尽层近似不再适用耗尽层近似不再适用n势垒电容计算方法势垒电容计算方法:在势垒区解泊松方程在势垒区解泊松方程n得到势垒区的电场及电势分布得到势垒区的电场及电势分布n由电势分布函数确定势垒区宽度由电势分布函数确定势垒区宽度n根据势垒区宽度及电荷浓度确定总的空间电荷数量根据势垒区宽度及电荷浓度确定总的空间电荷数量QnQ是偏压是偏压V的函数，由的函数，由Q的表达式计算微分电容的表达式计算微分
19、电容n利用上述方法可得线性利用上述方法可得线性缓变结相关公式缓变结相关公式()()daxe NNeax220()()2seaE xxx32300()()233sseaxeaxx xx 1/303()2sbiRxVVea21/312()sbiReaCVVV(x)-xpxnxVDE势垒电容势垒电容C-V特性应用特性应用2：n变容二级管变容二级管电压控制电容从而控制振荡频率电压控制电容从而控制振荡频率线性缓变线性缓变pnpn结的反偏势垒电容与结的反偏势垒电容与成正比，而均匀掺杂的突变结与成正比，而均匀掺杂的突变结与均匀掺杂的均匀掺杂的pnpn结势垒电容的大小对反偏电压更为敏感。结势垒电容的大小对反偏
20、电压更为敏感。1/3biRVVn超突变结超突变结 对于一个单边突变的对于一个单边突变的PN结，考虑更一般的情况，即当结，考虑更一般的情况，即当x0时，时，N型区的掺杂浓度可表示为：型区的掺杂浓度可表示为：mNBx 当当m=0时，即为单边突变均匀掺杂的情形；而当时，即为单边突变均匀掺杂的情形；而当m=1时，时，即为线性缓变即为线性缓变PN结的情形；当结的情形；当m为负值时，即为所谓的为负值时，即为所谓的超超突变突变PN结结1/2biRVV成正比成正比采用类似的分析方法，超采用类似的分析方法，超突变掺杂突变掺杂PN结单位面积的结单位面积的耗尽区电容为：耗尽区电容为：由上式可见，当由上式可见，当m
21、m为负值时，超突变掺杂为负值时，超突变掺杂pnpn结的耗尽区结的耗尽区电容随外加反向偏压得变化十分明显，这正是变容二极管电容随外加反向偏压得变化十分明显，这正是变容二极管所要求的。当变容二极管与某个电感相并联时，其谐振频所要求的。当变容二极管与某个电感相并联时，其谐振频率为：率为：变容二极管的电容可表示为：变容二极管的电容可表示为：1/(2)0mbiRCCVV在电路应用中，我们总是希望谐振频率能够与控制电压成在电路应用中，我们总是希望谐振频率能够与控制电压成线性变化关系，即要求线性变化关系，即要求2CV由此得到：由此得到：13222mm 12rfLC7.4 P-N结击穿结击穿n当反向电压突然增
22、大到某一数值时，反向电流密当反向电压突然增大到某一数值时，反向电流密度突然迅速增加的现象，称为度突然迅速增加的现象，称为PN结的击穿，该结的击穿，该反向电压定义为击穿电压反向电压定义为击穿电压VbrJ0VVbrPN结击穿模型：结击穿模型：热击穿：热击穿：pn结永久击穿的主要机理结永久击穿的主要机理 雪崩击穿：在高反向偏压下的主要击穿机理雪崩击穿：在高反向偏压下的主要击穿机理齐纳（隧道）击穿：在低反向偏压下齐纳（隧道）击穿：在低反向偏压下的主要击穿机理的主要击穿机理n载流子载流子倍增效应倍增效应：n在强电场作用下，势垒在强电场作用下，势垒区的区的电子空穴具有很大电子空穴具有很大动能动能，与晶格原
23、子碰撞，与晶格原子碰撞，产生大量载流子产生大量载流子，载流载流子一代一代的不断繁殖子一代一代的不断繁殖增多，即发生了倍增效增多，即发生了倍增效应应。相应的反向电流迅。相应的反向电流迅速增大，速增大，PN结表现为雪结表现为雪崩击穿。崩击穿。雪崩击穿：雪崩击穿：()()npIIxIxnspsIIn雪崩击穿特点：雪崩击穿特点：n一般对单边突变结，一般对单边突变结，轻掺杂一侧的轻掺杂一侧的掺杂浓掺杂浓度越小度越小，pn结的结的击击穿电压越大穿电压越大，但不是，但不是简单的反比关系。简单的反比关系。n雪崩击穿除了与电场雪崩击穿除了与电场强度有关外，还需要强度有关外，还需要一定的势垒宽度，因一定的势垒宽度
24、，因为载流子动能的增加为载流子动能的增加需要一定的加速过程，需要一定的加速过程，势垒太薄，即使电场势垒太薄，即使电场很强，也不产生雪崩很强，也不产生雪崩击穿。击穿。齐纳击穿（隧道击穿）齐纳击穿（隧道击穿）22scritBBEVeN轻掺杂侧浓度轻掺杂侧浓度临界场强临界场强n当反向电压增大时，可能出现当反向电压增大时，可能出现p区价区价带顶高于带顶高于n区导带底的情况。区导带底的情况。齐纳击穿（隧道击穿）：齐纳击穿（隧道击穿）：0-xpxnPNcpEcnEpFEnFE()biRq VVBAxvpEBA价带电子价带电子隧道效应隧道效应导带位置导带位置隧道长度隧道长度x越小越小隧道几率越大隧道几率越大
25、n当反向电压增大到一定数值时。当反向电压增大到一定数值时。量子力学证明，量子力学证明，P区电子可以由区电子可以由价带顶以价带顶以一定的隧道几率直接一定的隧道几率直接隧穿势垒进入导带隧穿势垒进入导带，从而使反，从而使反向电流迅速增大，即发生隧道向电流迅速增大，即发生隧道击穿或齐纳击穿。击穿或齐纳击穿。n齐纳击穿的特点：齐纳击穿的特点：n在重掺杂的情况下在重掺杂的情况下，隧道长度较短，反向偏压不高时，隧道长度较短，反向偏压不高时，即可即可发生齐纳隧道击穿发生齐纳隧道击穿。而在较低掺杂浓度下，则容。而在较低掺杂浓度下，则容易发生雪崩击穿。易发生雪崩击穿。n温度上升，温度上升，Eg变小，隧道长度变短，
26、齐纳击穿电压具变小，隧道长度变短，齐纳击穿电压具有负的温度系数。有负的温度系数。1/202()grAExeeNV 可以证明隧道长度：可以证明隧道长度：代表掺杂浓度代表掺杂浓度代表反向偏压代表反向偏压结击穿的应用结击穿的应用n集成电路中的集成电路中的ESD(electrostatic discharge)保护保护结构结构J0VVbrn反向电压增大，对一定的反向电流，所损耗的功率也增大反向电压增大，对一定的反向电流，所损耗的功率也增大，形成大量，形成大量热能导致结温升高，结温的升高导致反向饱和电流的增大，进一步产热能导致结温升高，结温的升高导致反向饱和电流的增大，进一步产生更多的热量，导致更高的温
27、度，生更多的热量，导致更高的温度，最终最终pn结发生热电的正反馈结发生热电的正反馈，这这种由于热不稳定性引起的击穿称为热电击穿。种由于热不稳定性引起的击穿称为热电击穿。热击穿：热击穿：320exp()gsEJTk TsJ T sPVJn特点：特点：n器件散热结构不佳，容易导致热击器件散热结构不佳，容易导致热击穿。穿。n热击穿会导致器件的永久失效。热击穿会导致器件的永久失效。热电热电正反馈正反馈n小结小结npn结类型结类型nPN结空间电荷区、耗尽区、势垒区结空间电荷区、耗尽区、势垒区npn结热平衡态（零偏），内建电场、内建电势差结热平衡态（零偏），内建电场、内建电势差n耗尽区假设、空间电荷区宽度耗尽区假设、空间电荷区宽度n反偏反偏pn结，势垒电容结，势垒电容n击穿机理击穿机理
