固态电子器件ppt课件.ppt

《固态电子器件ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固态电子器件ppt课件.ppt（89页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、固固 态态 电电 子子 器器 件件Solid State Electronic Devices教材：张鹤鸣教材：张鹤鸣 张玉明张玉明 曹全喜曹全喜课程内容课程内容Ch1 pn结二极管结二极管Ch2 双极型晶体管双极型晶体管Ch3 JFET与与MESFETCh4 MISFETCh5 电力电子器件电力电子器件Ch6 CCD器件器件Ch7 LED器件器件Ch8 光电探测器光电探测器Ch9 半导体太阳电池半导体太阳电池Ch10 片式元器件片式元器件电子器件电子器件光子器件光子器件无源器件无源器件3第一第一章章 pn结二极管结二极管1.1 pn结基本物理特性结基本物理特性1.2 pn结基本电学特性结基本

2、电学特性1.3 异质结异质结1.4 pn结二极管结二极管 引引 言言二极管：二极管： 具有某种电学功能的二端器件。从二极管的结构划分，可分为具有某种电学功能的二端器件。从二极管的结构划分，可分为pn结二结二极管，金属极管，金属-半导体接触二极管半导体接触二极管( 肖特基二极管肖特基二极管)和金属和金属-氧化物氧化物-半导体二极半导体二极管管(MOS二极管二极管)等等 本章主要讨论由本章主要讨论由pn结构成的二极管结构成的二极管pn结：结： 所谓所谓pn结，是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的结，是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的p型和型和n型区，那么型区，那么p型

3、区和型区和n型区的界面及其二侧载流子发生变化范围的型区的界面及其二侧载流子发生变化范围的区域称为区域称为pn结结 pn结的形成：结的形成： 形成形成pn结的技术有多种，目前采用的主要有结的技术有多种，目前采用的主要有 离子注入、扩散离子注入、扩散 化学气相淀积化学气相淀积 硅片直接键合等技术硅片直接键合等技术 离子注入、扩散技术离子注入、扩散技术 化学气相淀积技术（化学气相淀积技术（Chemical Vapor Deposition -CVD) 硅片直接键合技术硅片直接键合技术(Silicon Direct Bonding-SDB) 氧化氧化 光光刻刻注入或扩散注入或扩散P-SiP-Sin-S

4、iPn结结P-Sin-SiPn结二极管结二极管注：注：横向扩散是纵向横向扩散是纵向0.8倍倍P-Si施主施主 P-SiAPCVD（常压汽相外延）（常压汽相外延） MBE（分子束外延），等（分子束外延），等 P-Si P-SiN型型 P-Si n-Si P-Si n-Si 化学处理化学处理 高温处理高温处理 pn结掺杂分布结掺杂分布 均匀分布均匀分布：pn结界面二侧结界面二侧p型和型和n型区杂质浓度均匀分布型区杂质浓度均匀分布突变结突变结 缓变分布缓变分布：杂质浓度从界面向二侧逐渐提高：杂质浓度从界面向二侧逐渐提高 缓变结缓变结均匀分布均匀分布缓变分布缓变分布常用概念常用概念 pn结结深结结深-

5、 pn结材料表面到结材料表面到pn结界面的距离，结界面的距离，用用xj表示表示 。 单边突变结单边突变结对于突变结，若对于突变结，若p型区掺杂浓度远高于型区掺杂浓度远高于n型区掺杂浓度，或反型区掺杂浓度，或反 之，则将该之，则将该pn结称为单边突变结。结称为单边突变结。 如果：如果：，用，用pn表示；表示；，用，用pn表示。表示。 线性线性缓变结缓变结-对于缓变结，若结深附近杂质浓度的分布梯度可以用对于缓变结，若结深附近杂质浓度的分布梯度可以用线性近似线性近似，则称为线性缓变结，即则称为线性缓变结，即 dN(x)/dx|dN(x)/dx|x x= =xj = C = C 理论上为分析问题简单方

6、便，通常将理论上为分析问题简单方便，通常将pn结按突变结或线性缓变结近似结按突变结或线性缓变结近似处理。处理。 同质同质pn结结(同质结同质结) - p区和区和n区是区是同一种半导体材料同一种半导体材料( p p区与区与n n区区禁带宽度相禁带宽度相同同)。目前，应用最广泛的目前，应用最广泛的SiSi器件及集成电路是同质结结构。器件及集成电路是同质结结构。异质异质pn结结(异质结异质结) - p区和区和n区区是二种不同的半导体材料是二种不同的半导体材料(p(p区与区与n n区区禁带宽禁带宽度不同度不同) )。目前，发展和应用的。目前，发展和应用的GaAsGaAs基与基与SiGe/SiSiGe/

7、Si器件及集成电路是异质结结构。器件及集成电路是异质结结构。 异质结异质结特殊的物理性能构成了高速半导体器件与集成电路的基础。特殊的物理性能构成了高速半导体器件与集成电路的基础。 本章及本教材将对异质本章及本教材将对异质pn结及器件专门讨论，其余将只涉及同质结及器件专门讨论，其余将只涉及同质pn结。结。1.1 pn结基本物理特性结基本物理特性 1.1.1 平衡平衡pn结结 平衡平衡pn结是指不受电、光、热、磁等各种外界因素作用与影响的结是指不受电、光、热、磁等各种外界因素作用与影响的pn结。结。 基本特征基本特征：形成空间电荷区，产生自建电场，形成空间电荷区，产生自建电场， 形成接触电势差，能

8、带结构变化。形成接触电势差，能带结构变化。 一、空间电荷区与自建电场形成一、空间电荷区与自建电场形成(以突变结为例以突变结为例) 物理过程：物理过程：1.Pp (NA) P Pn n ，nn (ND) n np p； 2. p区和区和n区多子分别向对方扩散；区多子分别向对方扩散；3. 界面界面p区侧留下固定离化受主负电荷，区侧留下固定离化受主负电荷， n区侧留下固定的离化施主正电荷；区侧留下固定的离化施主正电荷； 该正负电荷称为该正负电荷称为空间电荷空间电荷，存在正负，存在正负 空间电荷的区域称为空间电荷的区域称为空间电荷区空间电荷区。4. 正正-负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区负电荷间

9、产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场自建电场；5. 自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；6. 随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建 电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;7. 电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负

10、空间电荷量 正、负正、负空间电荷区宽度空间电荷区宽度、自建电场、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形 成稳定分布。成稳定分布。8. 电中性决定了空间电荷区内电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等正、负空间电荷量相等。 ppnpnnpn一、空间电荷区与自建电场形成一、空间电荷区与自建电场形成(以突变结为例以突变结为例) 1.Pp (NA) P Pn n ，nn (ND) n np p； 2. p区和区和n区多子分别向对方区多子分别向对方扩散扩散；3. 界面界面p区侧留下固定离化受主负电荷，区侧留下固定离化受主负电荷， n区侧留下固定

11、的离化施主正电荷；区侧留下固定的离化施主正电荷； 该正负电荷称为该正负电荷称为空间电荷空间电荷，存在正负，存在正负 空间电荷的区域称为空间电荷的区域称为空间电荷区空间电荷区。4. 正正-负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场自建电场；5. 自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动扩散运动方向相反的漂移运动；6. 随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建 电场也随之逐渐增强，

12、同时电子和空穴的漂移运动也不断加强电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;7. 电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、 正、负正、负空间电荷区宽度空间电荷区宽度、自建电场、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形 成稳定分布。成稳定分布。8. 电中性决定了空间电荷区内电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等正、负空间电荷量相等。 ppnpnnpn二、接触电位差与载流子分布二、接触电位差与载流子分布 A. 自建电场

13、自建电场: : 由空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零，则可求出平衡由空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零，则可求出平衡pn结结自建电场。自建电场。 对于空穴流密度有对于空穴流密度有 J Jp p- - 空穴空穴漂移流密度；漂移流密度； J JpDpD - - 空穴空穴扩散流密度；扩散流密度； p p- - 空穴迁移率；空穴迁移率； D Dp p - - 空穴扩散系数；空穴扩散系数； P(x)-P(x)-空间电荷区内空间电荷区内空穴浓度分布。空穴浓度分布。 那么那么自建电场自建电场 利用空间电荷区内电子流密度得到同样形式的自建电场强度表达式。利用空间电荷区内电子流密度得到同样形

14、式的自建电场强度表达式。 0dx)x(dppqD)x()x(ppqpDJpJpJ dx)x(dP)x(P1qKT)x （ B. 接触电位差接触电位差 自建电场的存在，在自建电场的存在，在pn结空间电荷区内产生了由结空间电荷区内产生了由 p区侧负电荷区到区侧负电荷区到n区侧正区侧正电荷区逐渐上升的电位分布，使中性电荷区逐渐上升的电位分布，使中性n区形成了一个相对于中性区形成了一个相对于中性p区为正的电位区为正的电位差，该电位差称为差，该电位差称为pn结结接触电位差接触电位差，用，用表示。表示。 在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达式积在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应

15、中性区相等，对电场表达式积分即可得到分即可得到接触电位差接触电位差pnnpxxDnnlnqKTpplnqKTdx)x(Vnp C. 能带结构能带结构 孤立孤立p区和区和n区能带结构如下图区能带结构如下图 空间电荷区自建电场的存在，形成从中性空间电荷区自建电场的存在，形成从中性p区到中性区到中性n区逐渐上升的电位。区逐渐上升的电位。使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到区边界到n区边区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为(x)，那么，那么(x)、能带结构、能带结构如图示如图示

16、EFnEFpEipEin(x)P 区区N 区区qVDVD-xp-xnEi(x)EipEin 费米能级费米能级: 对于平衡对于平衡pn结，只要结，只要确定费米能级位置确定费米能级位置，则可得到其能带结构。，则可得到其能带结构。 设设(-xp)=0，有，有 Ei(x) = Eipq(x) 式中式中Eip为中性为中性p区本征费米能级，对上式微分有区本征费米能级，对上式微分有 )x(dx)x(ddx)x(dEq1iKTE)x(Eexpn)x(pFii利用上式及利用上式及0dxdE)x(pdxdEdx)x(dEq1dx)x(dEq1)x(pqJFPFiiPP0pDJpJpJ及及有有即即0dxdEF 上式

17、表明上式表明平衡平衡pn结费米能级处处相等结费米能级处处相等。 由此可得到平衡由此可得到平衡pn结能带结构如图所示结能带结构如图所示D. D. 空间电荷区载流子分布空间电荷区载流子分布 基于半导体物理知识，空间电荷区内任一点基于半导体物理知识，空间电荷区内任一点x处空穴和电子的浓度分布处空穴和电子的浓度分布分别为分别为 KT)x(qpFipiFiiepKT)x(qexpKTEEexpnKTE)x(Eexpn)xp（KT)x(qpipFiiFienKT)x(qexpKTEEexpnKT)x(EEexpn)xn（利用：利用：Ei(x) = Eipq(x)上式相乘，有上式相乘，有2iKT/ )x(q

18、PKT/ )x(qpnenep)x(n)x(p 该式说明该式说明平衡平衡pn结空间电荷区内电子和空穴浓度的积结空间电荷区内电子和空穴浓度的积与中性区一样，与中性区一样，仍仍为本征载流子浓度的平方为本征载流子浓度的平方。 E. 耗尽层近似耗尽层近似 空间电荷区内电子和空穴的浓度分布如上图所示。但是在后续章节中常空间电荷区内电子和空穴的浓度分布如上图所示。但是在后续章节中常采用耗尽近似，即认为电子和空穴浓度在空间电荷区边界之内突变为零。采用耗尽近似，即认为电子和空穴浓度在空间电荷区边界之内突变为零。 空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布，在边界内侧下降极为迅速，空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布

19、，在边界内侧下降极为迅速，使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中性区相应的多子浓度相比可以忽使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中性区相应的多子浓度相比可以忽略。所以，在进行某些理论分析时，常采用耗尽近似。据此空间电荷区又被略。所以，在进行某些理论分析时，常采用耗尽近似。据此空间电荷区又被称为称为耗尽区，或耗尽层耗尽区，或耗尽层。 另外，从能带结构图可见，另外，从能带结构图可见，p区电子能量比区电子能量比n区高区高qVD，n区空穴能量比区空穴能量比p区高区高qVD，多子进入对方需要越过高度为，多子进入对方需要越过高度为qVD的势垒。因此，空间电荷区又的势垒。因此，空间电荷区又被称为被称为势垒区

20、势垒区。 空间电荷区空间电荷区=耗尽区耗尽区=耗尽层耗尽层=势垒区势垒区1.1.2 1.1.2 非平衡非平衡pnpn结结 定定 义：义：施加偏置电压的施加偏置电压的npnp结。此时称结。此时称pnpn结处于非平衡状态。结处于非平衡状态。 正向偏置：正向偏置：偏置电压使偏置电压使p p区电位高于区电位高于n n区电位区电位 反向偏置：反向偏置：偏置电压使偏置电压使n n区电位高于区电位高于p p区电位区电位 特特 征征-与平衡与平衡pnpn结相比结相比： 空间电荷区内电场发生变化空间电荷区内电场发生变化; ; 破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡；破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡； 空间电荷区宽度变

21、化；能带结构变化；载流子分布变化；空间电荷区宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化； 产生新的物理现象产生新的物理现象-形成电流：形成电流： 正向偏置条件下：正向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大于漂移运动，形成净扩散流于漂移运动，形成净扩散流-称为正向电流。称为正向电流。 反向偏置条件下：反向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被增强，载流子漂移运动大空间电荷区内电场强度被增强，载流子漂移运动大于扩散运动，形成净漂移流于扩散运动，形成净漂移流-称为反向电流。称为反向电流。一、空间电荷区电场和空间电荷区宽度一、空间电荷区电场和空间电

22、荷区宽度 突变结突变结A. A. 电场分布电场分布 电场分布由泊松方程描述。电场分布由泊松方程描述。 正、负空间电荷区内泊松方程正、负空间电荷区内泊松方程( (耗尽层近似耗尽层近似) )分别为分别为: :s0AqNdx)x(ds0DqNdx)x(d xp x 0 0 x xn)xx(qN)x(pS0A）xx(qN)x(nS0Dns0Dps0AmxqNxqN)0(边界条件：边界条件：(-x(-xp p）=(x=(xn n)=0)=0 有有xp x 00 x 0为正偏，为正偏， VA0为反偏。为反偏。 那么那么, 空间电荷区二侧边界间电位差空间电荷区二侧边界间电位差: (VD一一VA) 将电场积分

23、将电场积分mmpnmnxpxADx21)xx(21dx)x(VV式中式中xm=xn+xp，为空间电荷区总宽度，解上式有，为空间电荷区总宽度，解上式有 21ADDADAs0m)VV(NNNNq2x * (正偏正偏) ) (反偏反偏) ); ; 掺杂浓度越掺杂浓度越低低，空间电荷区越，空间电荷区越宽宽; ; 正偏正偏时空间电荷区变时空间电荷区变窄窄，并且，并且正偏越高正偏越高空间电荷区空间电荷区越窄越窄; ; 反偏反偏时空间电荷区变时空间电荷区变宽宽，反偏越负反偏越负空间电荷区空间电荷区越宽越宽; ; 空间电荷区主要扩展在低掺杂一侧空间电荷区主要扩展在低掺杂一侧单边突变结定义的物理意义单边突变结定

24、义的物理意义。mxmx2线性缓变结线性缓变结 特特 征：征：正、负空间电荷区宽度相等正、负空间电荷区宽度相等xp=xn= xm。A. 电场分布电场分布 线性缓变结结面附近施主、受主杂质浓度分布为线性缓变结结面附近施主、受主杂质浓度分布为 式中式中 为杂质浓度分布梯度，取正值。为杂质浓度分布梯度，取正值。 在耗尽近似条件下，空间电荷内正、负电荷密度为在耗尽近似条件下，空间电荷内正、负电荷密度为x)x(Njxq)x(j泊松方程描述为泊松方程描述为s0jxqdx)x(djNxNxxxj21jxxjdx)x(dN 边界条件：边界条件：0)2x(m22ms0jx)2x(2q)x(有：有：2ms0jm2x

25、2q最大电场最大电场P区侧N区侧B.B.空间电荷区宽度空间电荷区宽度 31ADjs0m)VV(q12xxm与偏置电压及掺杂浓度梯度关系同突变结相似。与偏置电压及掺杂浓度梯度关系同突变结相似。 mmx21x21ADdx)x(VV解解有有j*越低，越低，xm越大；越大；二、能带结构和载流子分布二、能带结构和载流子分布 A. A. 能带结构能带结构 正向偏置正向偏置-电压为电压为VF： 中性中性n区区能带能带相对相对p区区上移上移，势垒势垒高度高度下降下降qVF -q(VD - VF )。 反向偏置反向偏置-电压为电压为VR(VR0为正偏，为正偏，VA LpJn、Jp：等效为：等效为C)1e (Ln

26、dx)x(dnKTqVnpopA 1eLnqDLpqD)x(J)x(JJKTAqVnponpnoppnnP3、pn结电流密度结电流密度（伏安特性方程）：伏安特性方程）：方程对正偏、反偏方程对正偏、反偏pn结都成立。若反偏时结都成立。若反偏时VA KT/q，那么，那么 nponpnopSLnqDLpqDJJ-称为称为反向饱和电流，反向饱和电流，Js表示。表示。 1eJJKTAqVS伏安特性方程又可表示为伏安特性方程又可表示为： 上述电流上述电流-电压方程是在电压方程是在Wp Ln，Wn Lp条件下获得的，条件下获得的，Wp和和Wn分别为分别为p区和区和n区宽度。区宽度。 若若Wp Ln，Wn N

27、D （ p+n）, 电流主要是空穴流；电流主要是空穴流；ND NA （ n+p），），电流主要是电子流。电流主要是电子流。 伏安特性理论曲线伏安特性理论曲线Si -pn结理论曲线与结理论曲线与和实验曲线的示意图和实验曲线的示意图5. 影响因素分析影响因素分析反反 偏：偏： 空间电荷区载流子浓度低于平衡值；空间电荷区载流子浓度低于平衡值； 载流子的产生率高于复合率，空间电荷区内存在净的产生电流；载流子的产生率高于复合率，空间电荷区内存在净的产生电流； 反向电流是反向扩散流与产生流之和。反向电流是反向扩散流与产生流之和。 Si(和和GaAs)等本征载流子浓度较低，空间电荷区内载流子产生流在反向等本

28、征载流子浓度较低，空间电荷区内载流子产生流在反向电流中起支配作用，所以理论值与实验值相差较大。电流中起支配作用，所以理论值与实验值相差较大。 e本征载流子浓度较高，反向扩散流远远大于产生流，理论值与实际符本征载流子浓度较高，反向扩散流远远大于产生流，理论值与实际符合较好。合较好。 正偏小电流：正偏小电流： 空间电荷区内载流子浓度高于平衡值；空间电荷区内载流子浓度高于平衡值； 载流子的复合高于产生，有净的复合流；载流子的复合高于产生，有净的复合流； 正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和。正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和。 Si和和GaAs，在电小流时，复合电流起支配作用，

29、影响不可忽略，在电小流时，复合电流起支配作用，影响不可忽略; ;随电随电流密度增大，复合电流的影响减小，理论与实验逐渐相符。流密度增大，复合电流的影响减小，理论与实验逐渐相符。 Ge pn结，正向扩散流密度远高于复合流，在正向电流密度不是很大结，正向扩散流密度远高于复合流，在正向电流密度不是很大时，理论曲线与实验数量符合较好。时，理论曲线与实验数量符合较好。 正偏大电流：正偏大电流： 非平衡少子在扩散区积累，电中性被破坏；非平衡少子在扩散区积累，电中性被破坏； 扩散区有与非平衡少子同样浓度和同样浓度扩散区有与非平衡少子同样浓度和同样浓度梯度的非平衡多子积累；梯度的非平衡多子积累； 非平衡多子扩

30、散形成电场；非平衡多子扩散形成电场； 该电场对外加电压形成分压。该电场对外加电压形成分压。 中性区体电阻欧姆压降对外加电压形成分压。中性区体电阻欧姆压降对外加电压形成分压。n区区小电流密度小电流密度时，对外加电压分压可忽略时，对外加电压分压可忽略小注入；小注入；大电流密度大电流密度时，对外加电压分压不可忽略，使空间电荷区内的压降时，对外加电压分压不可忽略，使空间电荷区内的压降低于外加偏压，因此实验曲线偏离理论曲线低于外加偏压，因此实验曲线偏离理论曲线大注入效应大注入效应#正向电流包含正向扩散电流和复合电流，反向电流包含反向扩散流与产生正向电流包含正向扩散电流和复合电流，反向电流包含反向扩散流与

31、产生电流，这些电流都是本征载流子浓度的函数。电流，这些电流都是本征载流子浓度的函数。 本征载流子浓度强烈地依赖于温度，因此，正、反向电流都随本征载流子浓度强烈地依赖于温度，因此，正、反向电流都随温度的升温度的升高而增大。高而增大。P区区非平衡多子电子非平衡多子电子非平衡多子空穴非平衡多子空穴电电 场场扩扩 散散扩扩 散散电电 场场1.2.2 pn结电容和等效电路结电容和等效电路一、势垒电容一、势垒电容 空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化-体现为电容体现为电容效应，称为效应，称为pn结势垒电容结势垒电容。 pn结结单位面积势垒电容用单

32、位面积势垒电容用CT表示。表示。 突变结：突变结：单位面结正、负电荷量为单位面结正、负电荷量为mDADAnDpAxNNNNqxqNxqNQ ms21DADAADsATxNNNN)VV(2qdVdQC 21ADDADAs0m)VV(NNNNq2x 线性缓变结：线性缓变结：ms031AD2s0jAT2mjj2mx0 x)VV(12)(qdVdQC8/xqxdxqQ 势垒电容：势垒电容：单位面结电荷量：单位面结电荷量：# 反偏势垒电容小于正偏势垒电容，且反偏越高，势垒电容越小，正偏越反偏势垒电容小于正偏势垒电容，且反偏越高，势垒电容越小，正偏越高，势垒电容越大；高，势垒电容越大；突变结掺杂浓变越低，

33、缓变结杂质分布梯度越小，势垒电容越小；突变结掺杂浓变越低，缓变结杂质分布梯度越小，势垒电容越小；势垒电容是在载流子耗尽近似下导出势垒电容是在载流子耗尽近似下导出-势垒电容又称势垒电容又称耗尽层电容耗尽层电容。31ADjs0m)VV(q12x二、扩散电容二、扩散电容 扩散区积累的非平衡少子随外加偏置电压的变化而变化，载流子带有电扩散区积累的非平衡少子随外加偏置电压的变化而变化，载流子带有电荷，体现为电容效应，该电容发生在扩散区荷，体现为电容效应，该电容发生在扩散区-称为称为扩散电容扩散电容，用，用表示表示。设设n区单位面积扩散区积累的非平衡少子空穴电荷为区单位面积扩散区积累的非平衡少子空穴电荷为

34、P： )1e (pqLdxe )1e (pqdxp)x(pqQKTAqV0nppL/ )nxx(KTAqVnonxnonnxP KTAqVnop2APDPeKTpLqdVdQC 那么那么同理同理KTAqVpon2AnDneKTnLqdVdQC KTAqVponnop2De )nLpL(KTqC nFnpFPDKTqJKTqJC 单位面积扩散电容单位面积扩散电容： 反反 偏：偏：非平衡少子随反偏变化量很小，扩散电容也极非平衡少子随反偏变化量很小，扩散电容也极小，一般可以不考虑。小，一般可以不考虑。 正正 偏：偏：扩散电容随偏压增大指数增加，可表示为扩散电容随偏压增大指数增加，可表示为 1eLnq

35、DLpqD)x(J)x(JJKTAqVnponpnoppnnP由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布的非平衡多子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此的非平衡多子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联。扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联。P区区n区区pn三、等效电路三、等效电路 势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数；势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数； 势垒电容与扩散电容相并联；势垒电容与扩散电容相并联； 中性区及与外电极接触处存在电阻。中性区及与外电极接触处存在电阻。 势

36、垒电容和扩散电容，使得以势垒电容和扩散电容，使得以pn结为基本单元的半导体结为基本单元的半导体 器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。 本征等效电路本征等效电路1.2.3 pn结击穿结击穿 定义：定义：反向电压增大到某一值反向电压增大到某一值时，电流急剧上升。这种时，电流急剧上升。这种现象称为现象称为pn结的击穿。结的击穿。 相应反偏电压相应反偏电压称为称为pn结击穿电压。结击穿电压。 击穿是击穿是pn的的本征现象本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有恰，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当的限流保护措施，当的限流保护措施，pn结则会因功耗

37、过大而被热损坏。结则会因功耗过大而被热损坏。击穿机制：击穿机制： 热击穿；热击穿； 隧道击穿；隧道击穿； 雪崩击穿雪崩击穿-常见的主常见的主要击穿机制。要击穿机制。 1. 热击穿热击穿 pn结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量；结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量； 扩散流表达式中平衡少子：扩散流表达式中平衡少子： pno = = ni/ND npo = = ni/ NAPc| |R R| |T Tj jI IR RniI IR R反向偏压反向偏压功功 耗耗结温结温niT3 exp(- -Eg0/KT)击击 穿穿反向电流密切依赖于本征载流子浓度。反向电流密切依赖于本征载流子浓度。产生电流正

38、比于产生电流正比于ni2. 隧道击穿隧道击穿 隧道效应隧道效应-电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量比电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量比其高的势垒区，这种现象称作隧道效应。其高的势垒区，这种现象称作隧道效应。 隧道击穿隧道击穿-pn结反偏下，结反偏下，p区价带顶可以高于区价带顶可以高于n区导带低，区导带低，那么那么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区。当反偏区。当反偏压达到压达到时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种现象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。这种现象通常称作隧道击穿，又称齐

39、纳击穿。 3. 3. 雪崩击穿雪崩击穿 碰撞电离碰撞电离-反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，空穴对，称为碰撞电离。称为碰撞电离。 雪崩倍增效应雪崩倍增效应-产生的电子产生的电子-空穴对从电场获取足够能量，空穴对从电场获取足够能量，与原子撞碰又产生第二代电子与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构成空穴对。如此继续下去，使构成

40、反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。 雪崩击穿雪崩击穿-由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。称为雪崩击穿。各种各种击穿机制特征：击穿机制特征： 热击穿热击穿-负温度系数负温度系数,软软击穿击穿. . 隧道击穿隧道击穿-负温度系数负温度系数,软软击穿击穿. .击穿电压大于击穿电压大于g/qg/q时，通常为雪崩击穿。时，通常为雪崩击穿。 目前常见目前常见击穿为击穿为雪崩击穿。雪崩击穿。 击穿电压与器件结构和工艺技术水平等密切相关。击穿电压与器件结构和工艺技术水平等密切相关。

41、雪崩击穿雪崩击穿-正温度系数正温度系数,硬硬击穿击穿. .1.3 异质结异质结异质结：异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。类类 型：型：异型异质结异型异质结-导电类型不同的两种材料形成的结导电类型不同的两种材料形成的结(异质异质pn结结) ； 同型异质结同型异质结-导电类型相同的两种材料形成的结导电类型相同的两种材料形成的结(n-n结结)(p-p结结) 。异质结异质结pn应用：应用： 微电子器件微电子器件-提高增益、频率特性、线性度，减小噪声等。提高增益、频率特性、线性度，减小噪声等。 光电子器件光电子器件-提高器件效率等。提高器件效率等。主要异

42、质结材料：主要异质结材料： 关注的主要有关注的主要有aAs基材料，如基材料，如AlxGa1xAs/GaAs、InxGa1xAs/GaAs； Si1xGex/Si，等。式中，等。式中x表示该元素的百分比组分。表示该元素的百分比组分。 改变改变x可实现禁带宽度的调控。可实现禁带宽度的调控。本节介绍异型异质结（异质本节介绍异型异质结（异质pn结，以下简称异质结）主要物理特性结，以下简称异质结）主要物理特性和电学特性。和电学特性。 1.3.1 异质结物理异质结物理 一、平衡异质结能带结构一、平衡异质结能带结构EVEc特特 征：征：载流子进入对方的势垒不同载流子进入对方的势垒不同EC二、基本物理特性二、

43、基本物理特性 1.1.电场分布电场分布设：掺杂浓度分别为设：掺杂浓度分别为和和；介电常数分别为；介电常数分别为p S和和n S。 耗尽层近似条件下，由泊松方程很容易得到：耗尽层近似条件下，由泊松方程很容易得到： )xx(qN)x(ppsAp xp x 0： )xx(qN)x(nnsDn 0 x xn：特征：特征：场线性分布；场线性分布； 电场在界面处不连续；电场在界面处不连续； 电位移失量连续。电位移失量连续。 2.2. 接触电位差接触电位差-D表示表示 空间空间电荷区电荷区p p区侧区侧-P n n区侧区侧-nDnsApsDDnsDpNNVNV DnsApsDApsDnNNVNV 2DAmA

44、Dps2DAmDAnsnspsDnDpDNNxNNNNxNN2qVVV正、负正、负空间空间电荷区电位差与掺杂浓度间的关系：电荷区电位差与掺杂浓度间的关系： VDp/VDn = n s ND/p s NA3.3. 空间电荷区宽度空间电荷区宽度 21ApsDnsDAD2DAnspsm)NN(NqNV)NN(2x 21DnsApsADDnspsmp)NN(qNVN2x 21DnsApsDDAnspsmn)NN(qNVN2x 联解上述方程联解上述方程 非平衡异质非平衡异质pn结结-将上式中将上式中用（用（）替换，）替换，则是非平衡异质则是非平衡异质pn结各相应的物理参数。结各相应的物理参数。 -表示；

45、表示； -反偏。反偏。 P区侧：区侧：N区侧：区侧：4. 势垒电容势垒电容 将将xmp与与xmn分别乘离化电荷密度分别乘离化电荷密度qND和和 qND，并将式中，并将式中用用（）替换，则有空间电荷区正的或负的电荷量）替换，则有空间电荷区正的或负的电荷量 : 21DnsApsADDAnspsNN)VV(NqN2Q 那么，单位面积那么，单位面积势垒电容势垒电容 21ADDnsApsDAnspsAT)VV)(NN(2NqNdVdQC 其与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同其与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同 空穴从空穴从p区到区到n区跨越势垒高度仍为（区跨越势垒高度仍为（qVDE）。）。三、电

46、流三、电流-电压特性电压特性1. 异质异质pn结基本能带结构形式结基本能带结构形式 (n区宽带区宽带p区窄带为例区窄带为例) ： 2. 载流子势垒载流子势垒图图a)和和(c)所示异质结：所示异质结：电子从电子从n区导带渡越到区导带渡越到p区区导带跨越的势垒高度为导带跨越的势垒高度为（qVD-EC）；）；空穴从空穴从p区价带到区价带到n区价带区价带跨越的势垒高度为跨越的势垒高度为（qVD+Ev）。）。图图(b)所示异质结：所示异质结：电子从电子从n区导带到区导带到p区导带区导带跨越势垒高度为跨越势垒高度为qVDn； 3. 特征特征: 电子从电子从n区到区到p区渡越的势垒低于空穴从区渡越的势垒低于

47、空穴从p区到区到n区的势垒区的势垒; 电子流与空穴流的注入比可以远大于同质结。电子流与空穴流的注入比可以远大于同质结。低势垒异质结低势垒异质结高势垒异质结高势垒异质结缓变异质结缓变异质结VDn 1KTqVexpLnqD1KTqVexpKTEqVexpLNqDJAnponACDnDnn 1KTqVexpLpqD1KTqVexpKTEqVexpLNqDJApnopAVDpApp4.电流电流-电压特性电压特性 (a)所示低势垒异质结和图所示低势垒异质结和图(c)所示的缓变异质结所示的缓变异质结: : 形式与同质形式与同质pn结相同，但少子密度项表示有差别结相同，但少子密度项表示有差别 KTVexpK

48、TqVexpKTqVexpLNqDJpnDnnDnn KTVexpKTqVexpLnqDpnnpon KTVexpKTqVexpKTEqVexpLNqDJpnVDpApp KTVexpKTqVexpLpqDpnpnop (b)所示的高势垒异质结所示的高势垒异质结 :5 . 注入电流比注入电流比(a)所示低势垒异质结和图所示低势垒异质结和图(c)所示的缓变异质结所示的缓变异质结: : KTEexpLNLNKTEEexpLNLNIIgnAppDncvnAppDnPn (b)所示的高势垒异质结所示的高势垒异质结 : KTEqVexpLNLNIIvDpnAppDnPnnAppDnPnLNLNII 同质

49、结：同质结：异质结注入电流比高与同质结异质结注入电流比高与同质结1.4 pn结二极管结二极管 介绍若干有代表性的介绍若干有代表性的pn结二极管。结二极管。 1.4.1 整流二极管整流二极管 1.4.2 开关二极管开关二极管 1.4.3 变容二极管变容二极管 1.4.4 pin二极管二极管1.4 pn结二极管结二极管介绍若干有代表性的介绍若干有代表性的pn结二极管。结二极管。 1.4.1 整流二极管整流二极管 1.4.2 开关二极管开关二极管 1.4.3 变容二极管变容二极管 1.4.4 pin二极管二极管1.4.1 整流二极管整流二极管定义定义: 允许电流从一个方向通过，而另一个方向呈现高阻允

50、许电流从一个方向通过，而另一个方向呈现高阻阻断状态的器件。阻断状态的器件。这种器件应用了这种器件应用了pn最基本的正反向电流最基本的正反向电流-电压特性。电压特性。对偏压微分，得对偏压微分，得pn结结电导电导: : 1eJJKTAqVS pn结的电流结的电流-电压方程电压方程: :KTAqVsAeIKTqdVdIg 正偏正偏pn结电导结电导gF和动态电阻和动态电阻rF:KTqIeKTqIgFKTFqVsF FKTFqVsFqIKTeqIKTr 反偏反偏pn电导电导gR和动态电阻和动态电阻rR : 0eKTqIgKTRqVsR KTRqVsReqIKTr正反向动态电阻之比正反向动态电阻之比: :