半导体器件物理 chapter3 pn结及金属半导体接触课件

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1、第三章pn结与金属－半导体接触主要内容一、平衡pn结二、非平衡pn结三、pn结直流特性四、pn结电容与交流特性五、金属－半导体接触·六、肖特基二极管特性二极管作用：整流、稳压、变容、发光。一、平衡PN结二极管1、PN结的形成在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、外延法或离子注入等方法掺入P型（或N型）杂质。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:受主离子施主离子自建电场因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半

2、导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。空间电荷区及内建电场内建电场：实际上是组成p-n结的n型材料和p型材料之间的接触电势差。按照多种材料串联接触的电势差在同一温度下只决定于第一种材料和最后一种材料而和中间任何一种材料无关这一性质，不难理解，用普通电表测不出p-n的内建电势；无论画电路图或列电路方程都不应考虑这个电势差。但内建电势影响载流子分布，在研究半导体器件的物理过程时是非常重要。内建电场和内建电势2、平衡pn结（1）扩散流等于漂移流。（2）pn结的内建电势VD(N型区到P型区的电势差)（接触电势差））：接触

3、电势差，由pn结两边的掺杂浓度决定，与半导体材料的特性相关。平衡pn结能带图P区能带相对于n区能带上移的原因：能带图是按电子的能量高低来画的。由于内建电场，使P区的电子能量在原来能级的基础，迭加上一个由电场引起的附加势能。能带上移的高度即为接触电势差。在半导体中有电场存在的地方，能带会发生弯曲，朝电场所指的方向上移，电场强度越强，能带弯曲越厉害，电场为零或很弱的地方，能带保持平直。在空间电荷区边界（xp)处的载流子浓度分别等于p区平衡少子浓度和多子浓度。在空间电荷区边界（xn)处的载流子浓度分别等于n区平衡少子浓度和多子浓度。平衡pn结载流子浓度分布二、非平衡pn结

4、及直流特性在pn结上施加偏置电压时，pn结处于非平衡状态。为分析方便，规定p区接电源正极为正向偏置，反之则为反向偏置。非平衡态下pn结能带图正向电压反向电压1、PN结的正向特性正向偏置时，扩散大于漂移。正向电流P区N区正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程）扩散电流、复合电流2、PN结的反向特性反向偏置时，漂移大于扩散。反向电流漂移电流、产生电流空间电荷区边界少子浓度与外加偏压的关系：PN结的特性单向导电性：正向偏置正向导通电压Vbi～0.7V(Si)反向偏置反向击穿电压VB正向导通，多数载流子扩散电流；反向截止，少数载流子漂移电流。pn结直

5、流特性三pn结的击穿特性击穿机理：热击穿、雪崩击穿和隧道击穿。后两种属于电击穿。热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。如果产生的热量不能及时散发出去，结温上升和反向电流的增加将会交替进行下去，最后使反向电流无限增长，如果没有保护措施，pn结将被烧毁而永久失效。这种击穿是由热效应引起的，所以称热击穿。电击穿现象：PN结反向电压增加到一定数值（VB）时，反向电流开始急剧上升，这种现象称为PN结击穿。VB称为击穿电压。PN结电击穿机构有两种：雪崩击穿（AvalancheBre

6、akdown)隧道击穿或齐纳击穿(TunnelingorZenerBreakdown)雪崩击穿耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格原子碰撞时使其电离，从而产生电子-空穴对。新产生的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原子碰撞再产生第三代电子-空穴对。如此继续，产生大量导电载流子，电流迅速上升。隧道击穿PN结掺杂浓度十分高(>51017cm-3）时，耗尽区宽度变得很窄，耗尽区内的电场高达106Vcm-1。这种情况下，价带电子可以直接穿过禁带到达导带，成为自由电子，引起电流迅速增加。这种击穿叫做隧道击穿。雪崩击穿和隧道击穿的区

7、别机理：隧道击穿取决于穿透隧道的几率势垒区宽度要窄。雪崩击穿取决于碰撞电离有一定的势垒区宽度。从实验上可区分这两种不同的电击穿。研究分析表明：硅pn结：<4V隧道击穿>6V雪崩击穿四、pn结电容与交流特性PN结在不同的偏置下，存贮的电荷会发生变化，这说明PN结具有电容效应。PN结中有两类电荷随外加电压变化，因此存在两种类型的电容势垒电容CT扩散电容CD当外加电压VA变化时，pn结的空间电荷宽度跟着发生变化，因而势垒区的电荷量也就随外加电压变化而变化。这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电效应。因为发生在势垒区，故称势垒电容，用CT表示。势垒电容扩