1、重庆邮电大学微电子教学部半导体物理半导体物理Semiconductor Physics 第六章第六章 p-n结结11/21/20221第六章第六章 p-n结结l引言引言 若在同一半导体内部，一边是若在同一半导体内部，一边是p型，一边是型，一边是n型，则由于型，则由于在在p型区和型区和n型区交界面附近形成所谓的型区交界面附近形成所谓的pn结。它结。它是许多是许多重要半导体器件的核心。重要半导体器件的核心。pn结的行为不是简单等价于一块结的行为不是简单等价于一块p型半导体和型半导体和n型半导体型半导体串联串联。这种结构具有特殊的性质：。这种结构具有特殊的性质：单向导电性单向导电性。其单向其单向导电
2、性和在其界面附近形成的势垒密切联系。因此这一导电性和在其界面附近形成的势垒密切联系。因此这一节的讨论从节的讨论从pn结的势垒开始，然后介绍结的势垒开始，然后介绍电流电压特性电流电压特性、电容效应电容效应以及以及击穿特性击穿特性等。等。11/21/20222重庆邮电大学微电子教学部引言引言6.1 p-n结及其能带图结及其能带图6.2 p-n结电流电压特性结电流电压特性6.3 p-n结电容结电容6.4 p-n结击穿结击穿6.5 p-n结隧道效应结隧道效应11/21/20223重庆邮电大学微电子教学部6.1 p-n结及其能带图结及其能带图6.1.1 p-n结的形成及杂质分布结的形成及杂质分布p型半导
3、体和型半导体和n型半导体结合，在型半导体结合，在二者的交界面形成的接触结构，二者的交界面形成的接触结构，就称为就称为pn结结。pn结实际上是一种非均匀半导体。在结实际上是一种非均匀半导体。在5.6中，关于非均匀半导体的讨论同样具有启发中，关于非均匀半导体的讨论同样具有启发性。在任何非均匀半导体中，热平衡时必具性。在任何非均匀半导体中，热平衡时必具有统一的费米能级，即各处费米能级在同一有统一的费米能级，即各处费米能级在同一水平上。对于水平上。对于pn结来说，也是成立的。结来说，也是成立的。11/21/20224重庆邮电大学微电子教学部6.1.1 p-n结的形成及杂质分布结的形成及杂质分布l合金法
4、合金法 l扩散法扩散法加热溶解加热溶解突变结线性缓变结扩散炉扩散炉11/21/20225重庆邮电大学微电子教学部6.1.1 p-n结的形成及杂质分布结的形成及杂质分布l还有离子注入法等。还有离子注入法等。l一般认为一般认为合金结和高表面浓度的浅扩散结是突变结合金结和高表面浓度的浅扩散结是突变结（两边杂质均匀分布），而低表面浓度的深扩散结是（两边杂质均匀分布），而低表面浓度的深扩散结是线性缓变结（从线性缓变结（从p区到区到n区，杂质浓度逐渐变化）。区，杂质浓度逐渐变化）。l在施主区和受主区的分界线处在施主区和受主区的分界线处xj，称为结深。，称为结深。11/21/20226重庆邮电大学微电子教学
5、部6.1.2 空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区：11/21/20227重庆邮电大学微电子教学部6.1.3 平衡平衡p-n结能带图结能带图l考虑费米能级考虑费米能级当漂移和扩散达到动态平衡后，当漂移和扩散达到动态平衡后，空间电荷的数量一定，空间电荷空间电荷的数量一定，空间电荷区不再继续扩展，保持一定的宽区不再继续扩展，保持一定的宽度。此时，内建电场度。此时，内建电场E也一定，也一定，一般称这种情况为热平衡状态下一般称这种情况为热平衡状态下的的pn结，简称为结，简称为平衡平衡pn结结。（统一的）（统一的）自建电场自建电场E静电势能静电势能V(x)Ec(x)=Ec0+(-q)V(x)000(
6、)()expexpcFFiciE xEEE xnNnk Tk T11/21/20228重庆邮电大学微电子教学部6.1.3 平衡平衡p-n结能带图结能带图0000nFnnnqD dEqEJqnEqD nnkTkTdx在平衡在平衡pnpn结中，费米能级处处相等结中，费米能级处处相等00()expFiiEE xnnk T11/21/20229重庆邮电大学微电子教学部6.1.3 平衡平衡p-n结能带图结能带图电子从费米能级高处电子从费米能级高处(n区区)向费米向费米能级低处能级低处(p区区)流动，流动，EFn下移。下移。空穴从费米能级低处空穴从费米能级低处(p区区)向费米向费米能级高处能级高处(n区区
7、)流动流动,EFp上移。上移。平衡时达到统一费米能级平衡时达到统一费米能级 EF。电势从电势从np逐渐下降，则电势逐渐下降，则电势能能(-q)V(x)逐渐上升，所以带边逐渐上升，所以带边逐渐上移，直到和逐渐上移，直到和p区统一。区统一。11/21/202210重庆邮电大学微电子教学部6.1.4 p-n结接触电势差结接触电势差沿电场方向电势降低沿电场方向电势降低电势电势V(x)曲线，取曲线，取p区电势为区电势为0，则则n区为区为VD接触电势差接触电势差。电势能电势能-qV(x)曲线，对电子，曲线，对电子，p区电势能为区电势能为0 -qVD(n区区)，形成，形成电子势垒电子势垒、空穴势阱空穴势阱。
8、11/21/202211重庆邮电大学微电子教学部6.1.4 p-n结接触电势差结接触电势差注意：注意：1.接触电势差与接触电势差与pn结两边的掺杂浓度、温度和材料的结两边的掺杂浓度、温度和材料的禁带宽度有关。禁带宽度有关。300K时，时，ND=1015cm-3，NA=1017cm-3，Si：0.7V；Ge：0.32V2.针对非简并半导体而言。针对非简并半导体而言。11/21/202212重庆邮电大学微电子教学部6.1.5 p-n结的载流子分布结的载流子分布0()expccncnFcE xEEENk T0()()expcFcE xEn xNk T00()expccnnE xEnk T00000(
9、)()()expexpexpDDnnqVqV xqVqV xn xnnk Tk Tk T000()expDpnpqVnxnnk T00()()exppqV xn xnk T考虑考虑p区边界处，区边界处，x=-xp，电势为零，电势为零11/21/202213重庆邮电大学微电子教学部6.1.5 p-n结的载流子分布结的载流子分布0()()expFvvEE xp xNk T00()expvpvpEE xpk T000()expDnpnqVp xppk T00()()exppqV xp xpk T考虑考虑n区边界处，区边界处，x=xn00()expDnqVqV xpk T11/21/202214重庆邮
10、电大学微电子教学部6.1.5 p-n结的载流子分布结的载流子分布00()()exppqV xp xpk T00()()exppqV xn xnk T通常通常n(x)和和p(x)很小，很小，远小于远小于nn0和和pp0，可忽，可忽略，故称该区域为略，故称该区域为耗耗尽区尽区。11/21/202215重庆邮电大学微电子教学部6.1.5 p-n结的载流子分布结的载流子分布00()()expnqV xp xpk T00()()exppqV xn xnk T势垒区的载流子浓度指数衰减，则其中的电导率很低，电阻率很高。当存在外间电压时，电压主要降落在这个势垒区，而扩散区和中性区几乎没有。11/21/202
11、216重庆邮电大学微电子教学部6.2 p-n结电流电压特性结电流电压特性6.2.1 p-n结电场和电势结电场和电势 l泊松方程泊松方程何为泊松方程何为泊松方程?其来历其来历?反映一定区域电势、电场、电荷之关系。反映一定区域电势、电场、电荷之关系。D0rDE dVEdx 220rdVdx 由麦克斯韦方程的微分形式：由麦克斯韦方程的微分形式：泊松方程泊松方程11/21/202217重庆邮电大学微电子教学部6.2.1 p-n结电场和电势结电场和电势la.突变结突变结p+-n 220rxdVdx 220DrqNd Vdx 220ArqNd Vdx 11/21/202218重庆邮电大学微电子教学部6.2
12、.1 p-n结电场和电势结电场和电势l电场分布电场分布11/21/202219重庆邮电大学微电子教学部6.2.1 p-n结电场和电势结电场和电势讨论：讨论：电场符号为电场符号为“-”。（因为定义的坐标系是（因为定义的坐标系是pn，而内建电场的方向，而内建电场的方向却是却是N区区 P区，所以方向相反。）区，所以方向相反。）电场线性变化。电场线性变化。当当x=-xp或或x=xn时，时，Emin=0。当当x=0时，时，Emax，存在极值。，存在极值。耗尽区主要在轻掺杂一侧。耗尽区主要在轻掺杂一侧。（电位移矢量在（电位移矢量在x=0处连续）处连续）11/21/202220重庆邮电大学微电子教学部6.2
13、.1 p-n结电场和电势结电场和电势l电势分布电势分布11/21/202221重庆邮电大学微电子教学部6.2.1 p-n结电场和电势结电场和电势讨论：讨论：在在x=-xp处处，V存在极小值，曲线上弯。存在极小值，曲线上弯。或或x=xn处，处，V存在极大值，曲线下弯。存在极大值，曲线下弯。曲线由两段抛物线组成。曲线由两段抛物线组成。在在x=0处，处，V连续。连续。1.单边突变结的VD随低掺杂一侧的杂质浓度的增加而升高。2.单边突变结的XD随轻掺杂一侧的杂质浓度增加而下降。11/21/202222重庆邮电大学微电子教学部6.2.1 p-n结电场和电势结电场和电势lb.线性缓变结线性缓变结 220r
14、xdVdx 以以x=0处，处，V=0进行积分计算进行积分计算11/21/202223重庆邮电大学微电子教学部6.2.1 p-n结电场和电势结电场和电势l势垒宽度势垒宽度注意：注意：突变结的突变结的XD与与VD的平方根成正比。的平方根成正比。线性缓变结的线性缓变结的XD与与VD的立方根成正比。的立方根成正比。11/21/202224重庆邮电大学微电子教学部6.2.2 非平衡非平衡p-n结的能带图结的能带图l正向偏压正向偏压V(p正，正，n负，负，V0)外加电场外加电场pn内建场内建场np外加电场降低了内建外加电场降低了内建场的强度，势垒降低场的强度，势垒降低n区的区的E EF F高于高于p区的区
15、的EF有电子从有电子从n区流进区流进p区区电注入电注入11/21/202225重庆邮电大学微电子教学部6.2.2 非平衡非平衡p-n结的能带图结的能带图l正偏下能带图正偏下能带图势垒区势垒区扩散区扩散区扩散区扩散区 Ln -xp 0 xn Lp中性区中性区中性区中性区11/21/202226重庆邮电大学微电子教学部6.2.2 非平衡非平衡p-n结的能带图结的能带图l电流分布情况电流分布情况电子漂移电子漂移空穴扩散空穴扩散空穴漂移空穴漂移电子扩散电子扩散11/21/202227重庆邮电大学微电子教学部6.2.2 非平衡非平衡p-n结的能带图结的能带图l反向偏压反向偏压V(p负，负，n正，正，V0
16、)外加电场外加电场np内建场内建场np外加电场加强了内建外加电场加强了内建场的强度，势垒升高场的强度，势垒升高n区的区的E EF F低于低于p区的区的EFp区电子被不断的抽走区电子被不断的抽走少子的抽取少子的抽取11/21/202228重庆邮电大学微电子教学部6.2.2 非平衡非平衡p-n结的能带图结的能带图l载流子分布载流子分布考虑三种情况下的能带图考虑三种情况下的能带图载流子浓度的变化实际上是载流子浓度的变化实际上是EF与导带底与导带底/价带价带顶的距离的变化顶的距离的变化11/21/202229重庆邮电大学微电子教学部6.2.2 非平衡非平衡p-n结的能带图结的能带图l正偏下的非平衡少数
17、载流子正偏下的非平衡少数载流子注入到注入到n区的非平衡空穴浓度区的非平衡空穴浓度注入到注入到p区的非平衡电子浓度区的非平衡电子浓度11/21/202230重庆邮电大学微电子教学部6.2.2 非平衡非平衡p-n结的能带图结的能带图l反偏下的非平衡少数载流子反偏下的非平衡少数载流子（形式与正偏相同）（形式与正偏相同）=0相当于此处的空穴全被抽走相当于此处的空穴全被抽走与反向偏压无关与反向偏压无关11/21/202231重庆邮电大学微电子教学部6.2.3 理想理想p-n结的电流电压关系结的电流电压关系理想理想p-n模型模型l小注入条件小注入条件l突变耗尽层条件突变耗尽层条件外加电压和接触电势差都降落
18、在外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在注入的少数载流子在p区和区和n区是纯扩散运动区是纯扩散运动l通过耗尽层的电子和空穴为常量，不考虑耗通过耗尽层的电子和空穴为常量，不考虑耗尽层中的产生和复合作用尽层中的产生和复合作用l玻耳兹曼边界条件玻耳兹曼边界条件在耗尽层两端，载流在耗尽层两端，载流子的分布满足玻耳兹曼统计分布子的分布满足玻耳兹曼统计分布11/21/202232重庆邮电大学微电子教学部6.2.3 理
19、想理想p-n结的电流电压关系结的电流电压关系l计算电流密度方法计算电流密度方法计算势垒区边界处注入的非平衡少子浓度，计算势垒区边界处注入的非平衡少子浓度，以此为边界条件，计算扩散区中非平衡少子以此为边界条件，计算扩散区中非平衡少子的分布的分布将非平衡载流子的浓度代入扩散方程，算出将非平衡载流子的浓度代入扩散方程，算出扩散密度，再算出少数载流子的电流密度扩散密度，再算出少数载流子的电流密度将两种载流子的扩散密度相加，得到理想将两种载流子的扩散密度相加，得到理想p-n结模型的电流电压方程式结模型的电流电压方程式11/21/202233重庆邮电大学微电子教学部6.2.3 理想理想p-n结的电流电压关
20、系结的电流电压关系l以正偏为例以正偏为例 1)exp()()(00TkqVLpqDdxxdpqDxJpnPxxnpnpn 1)exp()()(00TkqVLnqDdxxdnqDxJnpnxxpnpnp11/21/202234重庆邮电大学微电子教学部6.2.3 理想理想p-n结的电流电压关系结的电流电压关系 1)exp(000TkqVLpqDLnqDJpnPnpnl代入代入)(00pnPnpnsLpqDLnqDJ令令理想理想pn结模型的电流电压方程式（肖克来方程式）结模型的电流电压方程式（肖克来方程式）0exp()1sqVJJk T对反偏同样适用对反偏同样适用11/21/202235重庆邮电大学
21、微电子教学部6.2.3 理想理想p-n结的电流电压关系结的电流电压关系l讨论：讨论：0exp()1sqVJJk T1.pn结具有单向导电性结具有单向导电性l正向偏压下，电流密度随电压指数正向偏压下，电流密度随电压指数增加，方程可表示为增加，方程可表示为l反向偏压下反向偏压下)exp(0TkqVJJs)(00pnPnpnsLpqDLnqDJJ反向饱和电流密度反向饱和电流密度11/21/202236重庆邮电大学微电子教学部6.2.3 理想理想p-n结的电流电压关系结的电流电压关系l讨论：讨论：0exp()1sqVJJk T2.强烈依赖于温度强烈依赖于温度2102332200()exp()exp()
22、npnisnnAggqD nDnJqLNEETTTk Tk Tp-n结有电阻，电流越大，结有电阻，电流越大，焦耳热越多，温度越高，焦耳热越多，温度越高，电流更大，电流更大，形成正反形成正反馈，器件烧坏。馈，器件烧坏。11/21/202237重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素l势垒区的产生势垒区的产生-复合电流复合电流l表面效应表面效应l大注入的情况大注入的情况l串联电阻效应串联电阻效应（自学）（自学）11/21/202238重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素l复合电流（正向偏压）复合电流
23、（正向偏压）11/21/202239重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素11/21/202240重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素m=1，扩散电流为主；，扩散电流为主；m=2，复合电流为主。，复合电流为主。l扩散电流与复合电流之比和扩散电流与复合电流之比和ni及外加电压及外加电压V有关。有关。l低正向电压下，复合电流占低正向电压下，复合电流占主要地位；主要地位；l较高正向偏压下，复合电流较高正向偏压下，复合电流可以忽略。可以忽略。11/21/202241重庆邮电大学微电子教学部6.2.4
24、影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素l产生电流（反向偏压）产生电流（反向偏压）11/21/202242重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素讨论：讨论：lJs与反向偏压无关，而与反向偏压无关，而JG随反向偏压增加而增加。随反向偏压增加而增加。l禁带宽度小的半导体，反向漏电流增加显著。禁带宽度小的半导体，反向漏电流增加显著。l温度升高，反向漏电流增加。温度升高，反向漏电流增加。l少子寿命越小，反向漏电流越大。少子寿命越小，反向漏电流越大。11/21/202243重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关
25、系的因素关系的因素l大注入（正向偏压大）大注入（正向偏压大）VJVP11/21/202244重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素11/21/202245重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素11/21/202246重庆邮电大学微电子教学部6.2.4 影响理想影响理想p-n结结J-V关系的因素关系的因素l总结总结复合电流复合电流扩散电流扩散电流大注入大注入串联电阻效应串联电阻效应产生电流产生电流11/21/202247重庆邮电大学微电子教学部6.2 例题例题 例例1.Si p-n结参数如下：结参
26、数如下：ND=1016cm-3，NA=51018cm-3，p-n结截面积结截面积A=0.01cm2，n=p=1us，设结两边的宽度远大于各自少子的扩散长度，设结两边的宽度远大于各自少子的扩散长度，求室温时正向电流求室温时正向电流I为为1mA时的外加电压。设时的外加电压。设p区区 n=500cm2/(Vs)，n区区 p=180cm2/(Vs)。11/21/202248重庆邮电大学微电子教学部6.2 例题例题 例例2.Si p-n结结：NA=91015/cm3，ND=21016/cm3，在在p区区 p1=350cm2/(Vs)，n1=500cm2/(Vs)，在，在n区区 p2=300cm2/(Vs
27、)，n2=900cm2/(Vs)，设两区内少子，设两区内少子寿命均为寿命均为1us，截面积为，截面积为10-2cm2，q/kT=38.7(1/V)，当外加正向电压当外加正向电压V=0.65V时，求时，求:(1)300K时流过时流过p-n结结的电流的电流I表达式。表达式。(2)若以若以p区指向区指向n区为区为x轴正向，列出轴正向，列出n区内空穴区内空穴和电子的浓度分布的表达式。和电子的浓度分布的表达式。(3)确定确定n区内空穴扩散电流、电子扩散电流、电区内空穴扩散电流、电子扩散电流、电子漂移电流和总的电子电流随子漂移电流和总的电子电流随x变化的表达式。变化的表达式。11/21/202249重庆邮
28、电大学微电子教学部6.3 p-n结电容结电容lpn结电容的来源结电容的来源势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容交流情况下，交流情况下，pnpn结的存储电荷对外结的存储电荷对外界的响应界的响应微分电容微分电容空间电荷区随外加偏压的变化而变窄或变宽，从而空间电荷数量发生变化。这种势垒区宽度对外加电压变化引起的微分电容称为势垒电容。在正偏下，n区注入空穴，伴生等量的电子。这种随外加电压变化，在扩散区内存在等量正、负电荷的变化引起的电容称为扩散电容。11/21/202250重庆邮电大学微电子教学部6.3.1 势垒电容势垒电容l突变结突变结平行板电容平行板电容（耗尽层近似下）（耗尽层近似下）11/21/20
29、2251重庆邮电大学微电子教学部6.3.1 势垒电容势垒电容l对于单边突变结对于单边突变结1.突变结的势垒电容和结面积、轻掺杂一侧突变结的势垒电容和结面积、轻掺杂一侧的杂质浓度的平方根成正比。的杂质浓度的平方根成正比。2.突变结的势垒电容和电压突变结的势垒电容和电压(VD-V)的平方根成的平方根成反比。反比。21DBTVVCNC截距就是势垒高度，斜率就是轻掺杂一侧的浓度截距就是势垒高度，斜率就是轻掺杂一侧的浓度11/21/202252重庆邮电大学微电子教学部6.3.1 势垒电容势垒电容注意：注意：采用了采用了耗尽层近似耗尽层近似在在反向偏压反向偏压下更适用。下更适用。而在正向偏压下，有载流子进
30、入势垒区，它而在正向偏压下，有载流子进入势垒区，它们对电容也有贡献。我们一般认为：们对电容也有贡献。我们一般认为：外加偏压为0时pn结的势垒电容11/21/202253重庆邮电大学微电子教学部6.3.1 势垒电容势垒电容l线性缓变结线性缓变结仍然是仍然是平行板电容平行板电容11/21/202254重庆邮电大学微电子教学部6.3.2 扩散电容扩散电容在大的正向偏压下，扩散在大的正向偏压下，扩散电容为主！电容为主！11/21/202255重庆邮电大学微电子教学部6.3 例题例题 例例3.一个一个p-n结二极管作为压控电容结二极管作为压控电容(变容二极管变容二极管,随随V而变而变)，反偏电压为，反偏
31、电压为2V时，其可变电容为时，其可变电容为200PF，问需要加多大的反偏电压，才能使它的，问需要加多大的反偏电压，才能使它的电容减小到电容减小到100PF?设设VD=0.85V。11/21/202256重庆邮电大学微电子教学部6.3 例题例题 例例4.由电阻率为由电阻率为1 cm的的p型型Ge和和0.1 cm的的n型型Ge组成一个组成一个p-n结，计算在室温下内建电场的结，计算在室温下内建电场的电压差电压差VD和阻挡层宽度和阻挡层宽度XD。作业：作业：1、2、3、11补充：补充：简述简述pn结的三种击穿机理结的三种击穿机理。11/21/202257重庆邮电大学微电子教学部6.4 p-n结击穿结
32、击穿l对对pn结施加的反向偏压增大到某结施加的反向偏压增大到某一数值一数值VBR时，反向电流密度突然时，反向电流密度突然迅速增大的现象称为迅速增大的现象称为pn结击穿结击穿。发生击穿时的反向偏压称为结的发生击穿时的反向偏压称为结的击击穿电压穿电压。击穿现象中，电流增大的基本原因击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于迁不是由于迁移率的增大移率的增大，而是由于载流子数目的增加而是由于载流子数目的增加。到目前为止，到目前为止，pn结击穿共有三种结击穿共有三种：雪崩击穿、雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。隧道击穿和热电击穿。11/21/202258重庆邮电大学微电子教学部6.4.1 雪崩击穿雪崩击穿 反偏
33、时，反偏时，pn结的反向电流结的反向电流由由p区扩散到势垒区中的电区扩散到势垒区中的电子电流和由子电流和由n区扩散到势垒区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。区中的空穴电流所组成。反偏反偏势垒区中的电场势垒区中的电场电子和空穴的动能电子和空穴的动能与晶格原子发生碰撞时，把价键上的电子与晶格原子发生碰撞时，把价键上的电子碰撞出来，成为碰撞出来，成为导电电子导电电子，同时产生一个，同时产生一个空空穴穴碰撞电离碰撞电离。继续碰撞继续碰撞载流子大量增加载流子大量增加称为称为载流子载流子的倍增效应的倍增效应反向电流反向电流从而发生从而发生pn结击结击穿穿这就是雪崩击穿的机理这就是雪崩击穿的机理。11/21/
34、202259重庆邮电大学微电子教学部6.4.1 雪崩击穿雪崩击穿l 231NNN11N1N 11/21/202260重庆邮电大学微电子教学部6.4.1 雪崩击穿雪崩击穿l 11/21/202261重庆邮电大学微电子教学部6.4.2 隧道击穿（齐纳击穿）隧道击穿（齐纳击穿）l隧道击穿是在强电场作用下，隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象象。因为最初是由齐纳提出来解释电介质击穿现象的，。因为最初是由齐纳提出来解释电介质击穿现象的，故叫故叫齐纳击穿齐纳击穿。反偏反偏势垒区能带倾
35、斜势垒区能带倾斜反偏反偏能带倾斜能带倾斜甚至使甚至使n区区的导带底比的导带底比p区的价带顶还低区的价带顶还低x很窄很窄量子力学证明，量子力学证明，p区价带中的区价带中的电子可以通过隧道效应穿过禁电子可以通过隧道效应穿过禁带而到达带而到达n区导带中区导带中11/21/202262重庆邮电大学微电子教学部6.4.2 隧道击穿（齐纳击穿）隧道击穿（齐纳击穿）l 11/21/202263重庆邮电大学微电子教学部6.4.2 隧道击穿（齐纳击穿）隧道击穿（齐纳击穿）注意：注意：l在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的l在重掺杂半导体中，隧道击穿是主要的在重掺杂半导体中
36、，隧道击穿是主要的11/21/202264重庆邮电大学微电子教学部6.4.3 热电击穿热电击穿反偏时，流过反偏时，流过pn结的反向电流产生热损耗。结的反向电流产生热损耗。反偏反偏热损耗热损耗引起结温上升。引起结温上升。2102332200()exp()exp()npnisnnAggqD nDnJqLNEETTTk Tk T 反向饱和电流密度随温度按指数规律反向饱和电流密度随温度按指数规律产产生的热能也迅速生的热能也迅速进而又导致结温进而又导致结温反反向饱和电流密度向饱和电流密度。如此反复循环下去，最后使如此反复循环下去，最后使J J无限增大而发生无限增大而发生击穿。击穿。这种由于热不稳定性引起
37、的击穿，称为这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电热电击穿击穿。对于。对于禁带宽度比较小的半导体禁带宽度比较小的半导体如锗如锗pnpn结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很重要。这种击穿很重要。11/21/202265重庆邮电大学微电子教学部6.5 p-n结隧道效应结隧道效应l简并简并pn结的能带图结的能带图 在简并的重掺杂半导体在简并的重掺杂半导体中，中，n型半导体的费米型半导体的费米能级进入了导带，能级进入了导带，p型型半导体的费米能级进入半导体的费米能级进入了价带。了价带。两者形成隧道结后，在没有外加电压，处于两者形成隧道结后，在没有外加电压，处于热平衡状态时，热平衡状态时，n区和区和p区的费米能级相等。区的费米能级相等。在重掺杂在重掺杂pn结中，势垒十分薄。结中，势垒十分薄。例：若两边掺杂浓度例：若两边掺杂浓度5 1019/cm3，势垒宽度只，势垒宽度只有约几十有约几十A。11/21/202266重庆邮电大学微电子教学部6.5 p-n结隧道效应结隧道效应l隧道二极管（隧道二极管（Esaki二极管）工作原理二极管）工作原理V=0V0,V0,VVP11/21/202267重庆邮电大学微电子教学部
