第七章-半导体器件ppt课件.ppt

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1、第七章半导体器件基础7.1PN结PN结的制备方法突变结和缓变结PN结7.1.1PN结的制备方法合金法扩散法生长法离子注入法合金法n型SiAl块Al液体铝硅合金结P型硅n型Sin型Si扩散法N型硅氧化SiO2光刻扩散P型硅N型硅N型硅生长法离子注入法7.1.2突变结N型区中施主杂质浓度为ND，均匀分布P型区中受主杂质浓度为NA，也是均匀分布在交界面，杂质浓度由NA突变为ND具有这种杂质浓度分布的PN结称为突变结突变结NxNANDxjx缓变结缓变结中，杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的NxNANDxjx7.1.3PN结P，N型半导体接触前后PN结能带图P，N型

2、半导体未接触前++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层P，N半导体接触后少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层漂移电流和扩散电流1.漂移运动载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。2.扩散运动半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子的

3、扩散运动。几个概念空间电荷区——在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。热平衡－－动态平衡多子扩散运动扩散电流少子漂流运动漂移电流动态平衡时，PN结

4、总电流为零，形成一个稳定的空间电荷区。空间电荷区内只有不能移动的离子，是载流子不能停留的区域或载流子耗尽的区域，故又称耗尽层。PN结能带图7.1.4总电子电流密度总电子电流密度等于电子的漂移速度加上电子的扩散电流补充：电子电流密度空穴电流密度总电流密度空间层势垒平衡PN结的空间电荷区两端间的电势差VD，称为PN结的接触电势差或者内建电势差qVD称为PN结的势垒高度势垒高度正好补偿了n区和p区的费米能级之差接触电势差和PN结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度等有关在一定的温度下，突变结两边掺杂浓度越高，接触电势差越大禁带宽度越大，ni越小，Vd也越大硅P

5、N结的电势差比锗的大势垒UO硅0.5V锗0.1V理想PN结模型符合以下假设：小注入条件，注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多突变耗尽层条件，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动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和复合玻耳兹曼边界条件，在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布肖克莱方程式结论PN结具有单向导通性，在正向偏压下，正向电流密度呈指数关系变化；在反向偏压下，J＝－Js，为常数，与外加电压无关温度对电流密度影响很大，Js随着温度的变化迅速增加7.1.5PN结击穿当PN结上加的反向电压增大到一定数值时，反向

6、电流突然剧增，这种现象称为PlN结的反向击穿。PN结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用VBR表示。反向击穿可分为雪崩击穿、齐纳击穿和热点击穿三类。雪崩击穿当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时，将原子电离，产生新的“电子一空穴对”。这些新的“电子一空穴对”，又被强电场加速再去碰撞其他原子，产生更多的“电子一空穴对”。如此链锁反应，使结内载流子数目剧增，并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本质是碰撞电离。齐纳击穿齐纳击穿通常发生

7、在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高，PN结很窄，这样即使施加较小的反向电压(5v以下)，结层中的电场却很强。在强电场作用下，会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成“电子一空穴对”，从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。一般地：击穿电压UBR<6V的属于齐纳击穿击穿电压UBR>6V的属于雪崩击穿热电击穿当PN结施加反向电压时，流过PN结的反向电流要引起热损耗，将产生大量的热能，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，产生的热能也迅速上升，进而

8、又导致结温上升。如此反复循环，最后使Js无限增大而发生击穿这种由于热不稳定性引起