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1、第二章 P-N结半导体器件物理 引言 PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件整流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做PN结。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）.引言 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型锗），由不同种导电类
2、型的物质构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N锗）。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金属半导体接触或金属半导体结（M-S结）。引言 70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工艺包括以下主要的工艺技术：1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发明的离子注入工艺。1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发明的外延工艺。1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼
3、(E.Castellani)发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装工艺等构成了硅平面工艺的主体。氧化工艺：1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：（1）对杂质扩散的掩蔽作用；（2）作为MOS器件的绝缘栅材料；（3）器件表面钝化作用；（4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；（5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法
4、。扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。离子注入技术：将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高的能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。离子注入技术的特点：（1）低温；（2）可精确控制浓度和结深；（
5、3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；（4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；（5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术；（6）设备昂贵。外延工艺：外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。光刻工艺：光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化等工艺而使用的一种工艺技术。光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高
6、分子有机化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶；引言 采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(a)抛光处理后的型硅晶片(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作(c)光刻胶层匀胶及坚膜（d)图形掩膜、曝光(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片（f)腐蚀SiO2后的晶片 nSi光刻胶SiO2N+引言(g)完成光刻后去胶的晶片(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结(i)蒸发/溅射金属（j
7、）P-N 结制作完成 采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程 PSiNSiSiO 2N+引言突变结与线性缓变结（a）突变结近似（实线）的窄扩散结（虚线）（b）线性缓变结近似（实线）的深扩散结（虚线）图 2.2 引言 突变结：线性缓变结：在线性区 2.1 热平衡PN结2.1 热平衡PN结（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图（b）接触后的能带图图2-32.1 热平衡PN结（c）与（b）相对应的空间电荷分布 图2-3电场定义为电势的负梯度电势与电子势能的关系为可以把电场表示为（一维）取表示静电势。与此类似，定义为费米势。于是式中称为热电势.在热平衡情况下，费米势为常数，可以把它取为零基准，于是非均匀
8、的杂质分布会在半导体中引起电场，称为自建电场。在热平衡情况下，由对于N型半导体，有对于P型半导体，有2.1 热平衡PN结图2-4 单边突变结（a）空间电荷分布（b）电场（c）电势图 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布 2.1 热平衡PN结小结 名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区（SCR）的形成。介绍了热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）及其画法。利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式:2.1热平衡PN结 小结 解Poisso
9、n方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：（2-14）（2-16）（2-15）（2-17）（2-18）2.1热平衡PN结 教学要求 掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（SCR)的形成 正确画出热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）。利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：（2-7）解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度。并记忆公式（2-14）（2-18）作业题
10、：2.2、2.4、2.5、2.7、2.102.2 加偏压的 P-N 结2.2 加偏压的 P-N 结 2.2.1加偏压的结的能带图 图2.5 单边突变结的电势分布（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W（b）加正向电压，耗尽 层宽度W W2.2 加偏压的 P-N 结 2.2.1加偏压的结的能带图（c）加反向电压，耗尽层宽度WW 图2.5 单边突变结的电势分布2.2 加偏压的 P-N 结 注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布图2-7注入N P+结的N侧的空穴及其所造成的电子分布，xnn 15010=nn()3 12100=Dcmn()x n qD xnp 5010=np()3 12100=Dcm
11、 p()x p qD+2.2 加偏压的 P-N 结 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果 2.2 加偏压的 P-N 结 小结 名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区 介绍了加偏压PN结能带图及其画法 根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性：正偏压V使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的升高qV。在P型中性区。在空间电荷区由于n、pni，可以认为费米能级不变即等于。在N型中性区。同样，在空间电荷区=，于 是 从 空 间 电 荷 区 两 侧 开 始 分 别 有 一 个 费 米 能 级 从 逐渐升高到 和从 逐 渐 下 降 到 的区域。这就是P侧的电子扩
12、散区和N侧的空穴扩散区（以上分析就是画能带图的根据）。2.2 加偏压的 P-N 结 小结在 电子 扩散 区和空穴 扩散 区，不等于常 数，根据修正 欧姆定律必有电流产生，由于，电流沿x轴正方向，即为正向电流。又由于在空间电荷 区边界 注 入 的 非 平 衡 少 子 浓 度 很 大，因 此 在 空 间 电 荷 区 边 界 电 流 密 度 也 很 大(J)离 开空间电荷 区边界 随着距离的增加注入的非平衡少子浓度越 来越小（e指 数减少），电流密度也越来越小。反偏压-使得PN结N型中性 区的费米能级相对于P型中性 区的降低q。扩 散区费米能级的梯度小于零，因此 会有反向电流产生。由于空间电荷 区电
13、场的抽取作用，在扩散 区载流子很少，很小，因此虽然有很大的 费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。2.2 加偏压的 P-N 结 小结 根据载流子扩散与漂移的观点分析了结的单向导电性：正偏压使空间电荷区内建电势差由 下降到-V打破了PN结的热平衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电荷区内建电势差由 上升到+V同样打破了PN结的热平衡，使载流子的漂移运动占优势这种漂移是N区少子空穴向P区和P区少子电子向N区的漂移，因此电流是反向的且很小。在反偏压下，耗尽层宽度为（2-23）2.2 加偏压的 P-N 结 小结 根据（2-7）给出了结边缘的少数载流子浓度：（2-29）
14、和（2-30）在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于是稳态载流子输运满足扩散方程2.2 加偏压的 P-N 结 教学要求 掌握名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区 正确画出加偏压PN结能带图。根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性 根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性 掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式（2-2-1）导出少数载流子浓度公式（2-2-11）和（2-2-12）v 作业：2-11、2-12、2-132.3 理想P-N结的直流电流-电压特性突变结的杂质分布N区有均匀
15、施主杂质，浓度为ND，P区有均匀受主杂质，浓度为NA。势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为xn和-xp。同样取x=0处为交界面，如下图所示，突变结的电荷分布势垒区的电荷密度为 整个半导体满足电中性条件，势垒区内正负电荷总量相等 NAxp=NDxnNAxp=NDxn表明：势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大。例如，若NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，则xp比xn大100倍。所以势垒区主要向杂质浓度低的一边扩散。突变结的电场分布在平衡突变结势垒区中，电场强度是位置x的线性函数。电场方向沿x负方向，从N区指向P区。在x=0处，
16、电场强度达到最大值 突变结的电势分布电势分布是抛物线形式的 图2-4 单边突变结（a）空间电荷分布（b）电场（c）电势图 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布 突变结的电势能（能带图）因为V(x)表示点x处的电势，而-qV(x)则表示电子在x点的电势能，因此P-N结势垒区的能带如图所示。可见，势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布图2-6注入N P+结的N侧的空穴及其所造成的电子分布，xnn 15010=nn()3 12100=Dcmn()x n qD xnp 5010=np()3 12100=Dcm p()x p qD+在正向偏压一定时，
17、在xp处就有一不变的向P区内部流动的电子扩散流。同理，在边界xn处也有一不变的向N区内部流动的空穴扩散流。非平衡少子边扩散边与P区的空穴复合，经过扩散长度的距离后，全部被复合。这一段区域称为扩散区。2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性 正向偏压情况下的的P-N结（a）少数载流子分布（b）少数载流子电流（c）电子电流和空穴电流势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，所以在加正向偏压时，产生了电子从N区向P区以及空穴从P区到N区的净扩散电流。电子通过势垒区扩散入P区，在边界xp处形成电子的积累，成为P区的非平衡少数载流子，结果使xp处电子浓度比P区内部高，形成了从xp处向P
18、区内部的电子扩散流。反向偏压情况下的的P-N结（a）少数载流子分布（b）少数载流子电流（c）电子电流和空穴电流图2-9 反向偏压情况下的的P-N结 练习1.当P-N结外加正向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内建电场_（相反/一致），导致势垒区总的电场强度_（增强/减弱），这说明空间电荷数量_（增多/减少），也就意味着势垒区宽度_（增大/减小），势垒高度_（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动_（大于/小于）扩散运动，形成_（净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度_（大于/小于）该区内部，从而在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的_（电子空穴）的_（扩
19、散漂移），在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的_（电子空穴）的_（扩散漂移）。2.当P-N结外加反向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内建电场_（相反/一致），导致势垒区总的电场强度_（增强/减弱），这说明空间电荷数量_（增多/减少），也就意味着势垒区宽度_（增大/减小），势垒高度_（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动_（大于/小于）扩散运动，形成_（净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度_（大于/小于）该区内部，从而在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的_（电子空穴）的_（扩散漂移），在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区
20、势垒边界）的_（电子空穴）的_（扩散漂移）。PN结饱和电流的几种表达形式：（1）（2-3-18）（2）（2-3-17）（3）（2-3-20（4）（2-3-19）电流电压公式（Shockley公式）PN结的典型电流电压特性（2-3.16）P-N结中总的反向电流等于势垒区边界xn和xp附近的少数载流子扩散电流之和。因为少子浓度很低，而扩散长度基本没变化，所以反向偏压时少子的浓度梯度也较小；当反向电压很大时，边界处的少子可以认为是零。这时少子的浓度梯度不再随电压变化，因此扩散电流也不随电压变化，所以在反向偏压下，P-N结的电流较小并且趋于不变。反向饱和电流实际反偏P-N结直流特性的补充说明P-N P
21、-N结反向扩散电流 结反向扩散电流 P-N结反偏时，V0，此时势垒边界处的非平衡少子浓度比平衡时小，势垒有抽取非平衡少子的作用，扩散电流方向是体内向边界处扩散。当V不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳态扩散。当反偏绝对值足够大时，势垒边界处的非平衡少子几乎被抽取光了，此时边界少子浓度为零，与体内少子浓度的梯度不再随外加反向偏压的变化而变化，即反向电流趋于饱和。当P-N结满足理想假设条件时，其直流特性具体可分以下四个步骤进行。根据准费米能级计算势垒区边界xn和xp处注入的非平衡少数载流子浓度；以边界xn和xp处注入的非平衡少数载流子浓度作边界条件，解扩散区中载流子连续性方程式，得到扩散区中
22、非平衡少数载流子的分布；将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，算出扩散流密度后，再算出少数载流子的电流密度；将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想P-N结模型的电流电压方程式理想P-N假设条件（1）小注入条件（即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多）；（2）突变耗尽层条件：即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，注入的少数载流子在P区和N区是纯扩散运动；（3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用；（4）半导体均匀掺杂；（5）半导体非简并（隧道电流）。2.4空间电荷区的复合电流和产生电流 概念 空间电荷区正偏复合电流 空间电荷区反偏产生电流 式中
23、W为空间电荷区宽度，U为空间电荷区载流子通过复合中心复合的复合率，G为空间电荷区载流子产生率IG。（2-4-1）（2-4-9）由于热激发的作用，载流子产生率大于复合率，具有净产生，从而形成另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流，以IG表示。空间电荷区载流子通过复合中心复合的最大复合率条件：正偏复合电流和反偏产生电流分别为：（2-4-2）（2-4-4）由于空间电荷层的宽度随着反向偏压的增加而增加因而反向电流是不饱和的。（2-4-5）（2-4-9）考虑空间电荷区正偏复合电流和 串联电阻的影响的实际IV曲线 最大复合率为:2.4空间电荷区的复合电流和产生电流图2-10 衬底掺杂浓度为1016cm3的
24、硅扩散结的电流电压特性 空间电荷区复合电流与非平衡载流子注入引起的扩散电流的比较：对于P+-N结，把扩散电流记为，而 于是（2-4-7）上式表明，若 越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大。低偏压：空间电荷区的复合电流占优势 偏压升高：扩散电流占优势 更高偏压：串联电阻的影响出现了 2.5 隧道电流2.5隧道电流 产生隧道电流的条件（1）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满足。外加偏压可使条件（3）满足。2.
25、5隧道电流图2-12 各种偏压条件下隧道结的能带图 2.5隧道电流图2-12 各种偏压条件下隧道结的能带图 2.5隧道电流 若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流电压曲线则将被改变成示于图2-14b中的情形。这称为反向二极管。图2-13 对应于图2-12正偏压隧道结的势垒（a）江崎二极管 电流-电压特性（b）反向二极管 电流-电压特性图2-142.5隧道电流 隧道二极管的特点和应用上的局限性（1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声。（2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道二级
26、管的工作温度范围大。（3）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。这种优越的性能，使隧道二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电路以及低噪音微波放大器。由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二 极管的利用受到限制。2.5隧道电流 小结 产生隧道电流的条件：（1）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的 状态。当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满
27、足。外加偏压可使条件（3）满足。画出了偏压变化的能带图并根据能带图解释了隧道二级管的IV曲线。2.5隧道电流 小结 分析了隧道二级管的特点和局限性：（1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声。（2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，所以温度对多子的影响小，使隧二级管的工作温度范围大。（3）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。这种优越的性能，使隧道二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电路以及低噪声微波放大器。由于应用两端有源
28、器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二 极管的利用受到限制。2.6 I-V特性的温度依赖关系2.6 I-V特性的温度依赖关系式中 随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏压（0.3V）就使 占优势。（2-6-1）当P-N结处于反向偏置时，当P-N结处于正向偏置时，（2-6-1）随着温度增加，增大，也是扩散电流占优势。2.6 I-V特性的温度依赖关系 当P-N结处于反向偏置时，（2-6-2）随着温度增加，增大，也是扩散电流占优势。反向偏压情况下，二极管 特性的温度效应：（2-49b）相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。（2-68）2.6 I-V特性的温度依赖关系 硅
29、二极管正向和反向两种偏压下的温度依赖关系示于图2-15和图2-16中图2-14硅平面二极管电流电压特性的温度效应图2-15在硅PN结二极管中反向饱和电流与温度的关系2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管P-N结有整流效应，但是它又包含着破坏整流特性的因素。这个因素就是P-N结的电容。一个P-N结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电压频率增高时，其整流特性变坏，甚至基本上没有整流效应。这是因为P-N结具有电容特性。讨论：P-N结为什么具有电容特性？P-N结电容的大小和什么因素有关？P-N结电容包括势垒电容和扩散电容两部分。势垒电容 势垒电容当P-N结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压
30、的增加而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成，所以空间电荷的减少是由于N区的电子和P区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主。这就是说，在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入”势垒区。反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是由一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。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。对于加反向偏压的情况，可作类似分析。势垒电容(过渡电容,耗尽层电容)（2-7-1）（2-7-2）（2-7-3）常用 关系：（2-7-4）PN结空间电荷区空间电荷
31、随外加偏压变化所引起的电容。1、根据该图中的直线斜率可以计算出施主浓度。2、使直线外推至电压轴可求出自建电压。在截距处 2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管 求杂质分布 在杂质分布未知的P-N结中，可以利用电容电压曲线描绘出轻掺杂一边的杂质分布。此称求杂质分布。看图2.18所示未知杂质分布：式中 是在空间电荷层边缘 处的杂质浓度。由泊松方程，电场增量是与电荷增量之间具有如下关系：电场增量偏压增量的具有如下关系：2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管由上式得：C即为过渡电容。将结果重新整理得到求杂质分布的程序：在不同反偏压下测量电容：2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管 杂质分布
32、的程序：求出以上不同反偏压下的空间电荷区宽度：画出 相对 的曲线。从此 曲线中取 并将其结果代入（2-7-12）式计算出。画出完整的杂质分布。注意：倘若出现高密度的陷阱中心和界面态，如硅中掺金情形，前面的分析必须加以修正，以适应这些荷电的状态。2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管 由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果示于图2-19中。2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管 由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果示于图2-18中。2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管 例题 考虑在的衬底上通过硼的两步扩散制成的P-N结。硼的表面浓度为，结深为。假设自建电势为，求在 反偏压下的结电容。解：因为
33、，以及 所以有。此外 利用图2-18b求出 变容二极管 根据2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管 可见反向偏置的P-N结可以作为电容使用在LC调谐电路中。专门为此目的制造的二极管称为变容二极管。结型二极管的电容电压方程可写成：对于单边突变结，如式（2-7-6）中所表示。2.7 耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管 包括一个P-N结电容的LC电路，其谐振频率可表示为 在电路应用中，总是希望在谐振频率和控制电压之间有线性关系，也就是说，要求。（2-7-13）PP+-N-N结的扩散电容结的扩散电容扩散电容随频率的增加而减小 扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压时，扩散电容便起主要
34、作用。2.8 P-N结二极管的频率特性（小信号交流分析）2.9 P-N结二极管的开关特性（电荷贮存和反响瞬变）2.8 P-N结二极管的频率特性 器件处理连续波时所表现出来的性能叫做器件的频率特性。在小信号工作时，信号电流与信号电压之间满足线性关系，从物理上说，就是器件内部的载流子分布的变化跟得上信号的变化。掌握概念：交流导纳 扩散电导 扩散电阻 扩散电容 等效电路 PN结二极管的开关作用：PN结二极管处于正向偏置时，允许通过较大的电流，处于反向偏置时通过二极管的电流很小，因此，常把处于正向偏置时二极管的工作状态称为开态，而把处于反向偏置时的工作状态叫作关态。可见结二极管能起到开关作用。了解概念
35、：PN结二极管的开关作用、反向瞬变、电荷贮存、贮存时间、电荷控制分析方法、阶跃恢复二极管。2.10 P-结击穿 2.10 P-结击穿 PN结击穿：当加在PN结上的反偏压增加到一定数值，再稍微增加，PN结就会产生很大的反向电流。这种现象叫做结击穿。击穿过程并非具有破坏性的，只要最大电流受到限制，它可以长期地重复。击穿机制：齐纳击穿：齐纳提出在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，从而形成反向隧道电流。齐纳击穿发生在低电压情况下，比如硅PN结低于4伏特情况下发生的击穿。雪崩击穿：对于高电压击穿的结，例如，在硅中大于的击穿，雪崩机制是产生击穿的
36、原因。2.10 P-结击穿发生P-N结击穿的机理主要有以下几种 雪崩击穿 隧道击穿 热电击穿(热击穿)雪崩击穿雪崩击穿当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的能量，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴（第一代载流子）。势垒区中电子碰撞出来一个电子和一个空穴（第二代载流子），于是一个载流子变成了三个载流子。这三个载流子在强电场作用下，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子-空穴对。空穴也如此产生第二代、第三代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流子的方式称为载流子的倍增效应
37、。由于倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生P-N结击穿。这就是雪崩击穿的机理。雪崩击穿除了与势垒区中电场强度有关外，还与势垒区的宽度有关，因为载流子动能的增加，需要有一个加速过程，如果势垒区很薄，即使电场很强，载流子在势垒区加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能，就不能产生雪崩击穿。雪崩击穿雪崩击穿2.10 P-结击穿()GI I M I+=0（2-123）雪崩倍增因子()Wdx xM011a（2-124）击穿判据（电离积分）()10=dx xWa（2-125）电离系数的经验公式=mBAeaexp（2-126）式中A和B是材料常数。对于硅，1 510 9=c
38、m A，cm V B610 8.1=。对于2,1,=m GaP GaAs m Si Ge。电场的大小则要由对每个结解泊松方程进行计算。2.10 P-结击穿2.10 P-结击穿例题：计算硅单边突变结的击穿电压。解：（2.14）式中nx换成W，再代入式（2-126）得到=WxBAm1expea（2-127）注意在公式（2-14）=nmxx1e e（2-14）中。最大电场在0=x处，大多数雪崩倍增发生在那里。作为近似计算，可采用级数展开以简化指数 项，并考虑到对于x 0，有 WxWxWx+=1 111L（2-128）把（2-127）和（2-128）式代入（2-125）式并求积分得到把（2-15）和（
39、2-23）式一起用于（2-129）式时，就得到雪崩击穿电压与轻掺杂一边杂质浓度的关系。（2-129）2.10 P-结击穿隧道击穿隧道击穿隧道击穿是在强电场作用下，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机理。也称为齐纳击穿。对于一定的半导体材料，势垒区中的电场越大，或隧道长度越短，则电子穿过隧道的几率越大。一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。杂质浓度高时，反向偏压不高的情况就能发生隧道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。小结 小结雪崩效应和隧道效应引起的击穿统称为电击穿。热电击穿热电击穿/热击穿热击穿当P-N结上施加反向电压时，流过P-N结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。对于禁带宽度比较小的半导体如锗P-N结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很值得重视。