第二章 PN结.ppt

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1、微电子器件与IC设计第2章PN结1据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：pn结金属－半导体接触MOS结构异质结超晶格半导体器件物理两种或两种以上不同的极薄（几埃到几百埃）半导体单晶薄膜交替地生长在一起而形成的周期性结构材料。在原子尺度上人工设计和 改变材料的结构参数和组分，改变材料的能带结构和物理性能。2第2章PN结2.1PN结的形成及空间电荷区2.2PN结直流V-I特性2.3PN结电容2.4PN结击穿32.1PN结的形成及空间电荷区2.1.1、PN结的形成及类型1、PN结含义：在一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工艺方法把P型（或N

2、型）杂质掺入其中，使这块单晶相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类型，在二者交界面的过渡区即称为PN结。PNPN结4半导体二极管半导体二极管按结构分为点接触型和面接触型点接触型(a)适用于高频电路，面接触型(b)适用于整流(c)是硅平面工艺型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。52.1.1、PN结的形成及类型2、PN结的类型(1)、突变结单边突变结P＋N结N＋P结P区N区x杂质浓度xjNAND62.1.1、PN结的形成及类型(2)、缓变结NPx杂质浓度xjND-NA72.1.1、PN结的形成及类型(3)、实际PN结近似缓变PN结附近杂质浓度有两种近似处理方法A。线性缓变结近似B。

3、突变结近似NPx杂质浓度xjND-NA82.1.1、PN结的形成及类型线性缓变结近似适用于表面杂质浓度较低、结深较深的缓变结x杂质浓度xjND-NA杂质浓度xjxαj92.1.1、PN结的形成及类型突变结近似适用于表面杂质浓度较高、结深较浅的缓变结x杂质浓度xjND-NA杂质浓度xjx102.1.2、空间电荷区空间电荷区形成内建电场内建电场阻止多子扩散载流子浓度差内建电场促使少子漂移多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区的形成112.1.2、空间电荷区NP空间电荷区XMXNXP空间电荷空间电荷区基本概念：122.1.3、平衡PN结能带图（没有外加偏

4、压）空间电荷区内建电场PNxpxnVDqVD势电能势子电带能qVDECEVEFEi内建电场内建电势差VD基本概念：形成PN结前形成PN结后平衡PN结有统一的费米能级132.1.3、PN结能带图平衡PN结能带图空间电荷区又称势垒区耗尽层空间电荷区内建电场PNxpxnVDqVD势电能势子电带能qVDECEVEFEi注意：由“多子”变成“少子”142.1.4、PN结内建电势差求VD:空间电荷区内建电场PNVDqVD势电能势子电带能qVDECEVEFEi0-XpXn152.1.4、PN结内建电势差式中NA：P区掺杂浓度；ND：N区掺杂浓度ni：本征载流子浓度对于锗PN结，通常可取VD=0.3—0.4V

5、对于硅PN结，通常可取VD=0.6—0.7V（1）突变结：162.1.4、PN结内建电势差式中，α：杂质浓度梯度(X=Xj)，Xm：PN结势垒宽度（2）线性缓变结（3）推论172.1.5、平衡PN结载流子浓度分布势垒区本征费米能级随x的变化（1）空间电荷区内的载流子浓度（2）空间电荷区边界的少数载流子浓度182.2PN结直流V-I特性（肖克莱方程）非平衡PN结处于一定偏置状态下的PN结称为非平衡PN结。当P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为正向PN结。反之，则称反向PN结。外加电压基本降落在势垒区192.2.1、正向PN结（1）势垒的变化正向电压使势垒区宽度变窄、势垒高度变低外加电场与内建

6、电场方向相反空间电荷区中的电场减弱破坏扩散与漂移运动间的平衡扩散运动强于漂移运动注入少子注入的少子边扩散边复合20正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移NP212.2.1、正向PN结（2）正向PN结中载流子的运动电流在N型区中主要由电子携带电流在P型区中主要由空穴携带通过PN结的电流在扩散区内实现电流载体转换P区N区jnjpLnLp22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〕23电子扩散空穴漂移空穴扩散电子漂移PN242.2.2、反向PN结（1）反向PN结的少子抽取反向电压使势垒区宽度变宽势垒高度变高外加电场与内建电场方向相同增强空

7、间电荷区中的电场破坏扩散漂移运动平衡漂移运动强于扩散运动抽取少子25N区P区电子：空穴：P区N区扩散扩散漂移漂移反向偏置时，漂移大于扩散NP262.2.2、反向PN结(2)反向PN结中载流子的运动P区N区jpjnLnLp272.2.3非平衡PN结的能带图（1）正偏（2）反偏282.2.4、V-I特性方程1、理想PN结模型（1）小注入。即注入的非平衡少数载流子浓度远低于平衡多子浓度,即掺杂浓度。（