第二章P-N结.ppt

第二章第二章P-NP-N结结半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结结 采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这种种P型和型和N型区之间的型区之间的冶金学界面冶金学界面称为称为P-N结。结。双极型及双极型及MOS型半导体器件是由一个或几个型半导体器件是由一个或几个P-N结组结组成的，成的，P-N结是很多半导体器件的心脏结是很多半导体器件的心脏，所以研究，所以研究P-N结结的交、直流特性，是搞清器件机理的基础。的交、直流特性，是搞清器件机理的基础。2.12.1 P-NP-N结及其能带图结及其能带图结及其能带图结及其能带图P-NP-N结的形成结的形成结的形成结的形成 在一块在一块N型型(或或P型型)半导体单晶上，用适当的工艺（如合金法、扩散法、半导体单晶上，用适当的工艺（如合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把生长法、离子注入法等）把P型（或型（或N 型）杂质掺入其中，使这块半导体型）杂质掺入其中，使这块半导体单晶的不同区域分别具有单晶的不同区域分别具有N型和型和P型的导电类型，在两者的交界面处就形型的导电类型，在两者的交界面处就形成了成了P-N结。结。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理制作方法制作方法制作方法制作方法合金法合金法合金法合金法 把一小粒铝放在一块把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上，加热到一型单晶硅片上，加热到一定温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体定温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在开始凝固，在N型硅片上形成一含有高浓度铝的型硅片上形成一含有高浓度铝的P型型硅薄层，它和硅薄层，它和N型硅衬底的交界面即为型硅衬底的交界面即为P-N结（称之结（称之为铝硅合金结）。为铝硅合金结）。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理扩散法扩散法扩散法扩散法 在在N型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得等工艺制得P-N结。其杂质分布由扩散过程及杂结。其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。如图所示在质补偿决定。如图所示在N型硅单晶上，生长一型硅单晶上，生长一层层SiO2，通过光刻、扩散将，通过光刻、扩散将P型杂质扩散入型杂质扩散入N型硅型硅单晶中，形成单晶中，形成P-N结（亦称之为扩散结）。结（亦称之为扩散结）。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理突变结突变结突变结突变结 合金结的杂质分布如图所示，合金结的杂质分布如图所示，N型区中施主杂质浓度为型区中施主杂质浓度为ND，而且是均匀分布的，而且是均匀分布的，P型区中受主杂质浓度为型区中受主杂质浓度为NA，也是均，也是均匀分布的。在交界面处，杂质浓度从匀分布的。在交界面处，杂质浓度从NA（P型区中）突变为型区中）突变为ND（N型区中），故称之为突变结。型区中），故称之为突变结。设设P-N结的位置在结的位置在x=xj处，则突变结的杂质分布可表示为处，则突变结的杂质分布可表示为 半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 实际的突变结，两边的杂质浓度相差很大。例如实际的突变结，两边的杂质浓度相差很大。例如N区的施区的施主杂质浓度为主杂质浓度为1016cm-3，而，而P区的受主杂质浓度为区的受主杂质浓度为1019cm-3。如图所示的杂质分布可近似为突变结。如图所示的杂质分布可近似为突变结。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理缓变结缓变结缓变结缓变结 由扩散法形成的由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从结，杂质浓度从P区到区到N区是逐渐区是逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设设P-N结位置在结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为处，则结中的杂质分布可表示为 半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 如果杂质分布可用如果杂质分布可用x=xj处的处的切线切线近似表示，则称之为近似表示，则称之为线性缓变结，如图所示。线性缓变结，如图所示。此时，线性缓变结的杂质分布可表示为此时，线性缓变结的杂质分布可表示为 j是是x=xj处切线的斜率，称之为处切线的斜率，称之为杂杂质浓度梯度质浓度梯度，决定于扩散杂质的实际，决定于扩散杂质的实际分布，可以用实验方法测得。分布，可以用实验方法测得。但对于但对于高表面浓度的浅扩散结高表面浓度的浅扩散结，xj处的斜率处的斜率j非常大，这时扩散结可非常大，这时扩散结可用突变结来近似。用突变结来近似。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 合金结和高表面浓度的浅合金结和高表面浓度的浅扩散结一般可认为是突变结，扩散结一般可认为是突变结，而低表面浓度的深扩散结一般而低表面浓度的深扩散结一般可认为是线性缓变结。可认为是线性缓变结。综上所述综上所述综上所述综上所述 半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结能带图结能带图结能带图结能带图扩散扩散扩散扩散当半导体形成当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从导致了空穴从P区到区到N区，电子从区，电子从N区到区到P区的扩散运动。区的扩散运动。空间电荷空间电荷空间电荷空间电荷/空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区 对于对于P区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在在P-N结附近结附近P区一区一侧出现了一个负电荷区侧出现了一个负电荷区；同理，同理，在在P-N结附近结附近N区一侧出现了区一侧出现了由电离施主构成的一个由电离施主构成的一个正电正电荷区荷区，通常把在，通常把在P-N结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷空间电荷，它们所存在的区域称为，它们所存在的区域称为空间电荷区空间电荷区（也称之为（也称之为势垒区势垒区）半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理内建电场内建电场内建电场内建电场 空间电荷区中的这些电空间电荷区中的这些电荷产生了荷产生了从从N区指向区指向P区区，即，即从从正电荷指向负电荷正电荷指向负电荷的电场，的电场，称之为内建电场（自建电场）称之为内建电场（自建电场）。漂移漂移漂移漂移 在内建电场作用下，载流子作漂移运动。显然，电子和在内建电场作用下，载流子作漂移运动。显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自扩散运动的方向相反。空穴的漂移运动方向与它们各自扩散运动的方向相反。因此，内建电场起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用。因此，内建电场起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运区逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动逐渐加强，在没有外加电压的情况下，载流子的扩散和动逐渐加强，在没有外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终达到动态平衡，即从漂移最终达到动态平衡，即从N区向区向P区扩散过去多少电区扩散过去多少电子，同时就有同样多的电子在内建电场作用下返回子，同时就有同样多的电子在内建电场作用下返回N区。区。因而电子的因而电子的扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反，从而相互抵消。对于空穴，情况完全相似。因此没有净电从而相互抵消。对于空穴，情况完全相似。因此没有净电流流过流流过P-N结，即净电流为零。结，即净电流为零。这时这时空间电荷的数量一定空间电荷的数量一定，空间电荷区空间电荷区不再继续扩不再继续扩展，展，保持一定的宽度保持一定的宽度，同时，同时存在一定的内建电场存在一定的内建电场。一般在。一般在这种情况下的这种情况下的P-N结称为热平衡状态下的结称为热平衡状态下的P-N结（简称平结（简称平衡衡P-N结）。结）。2.22.2 平衡平衡平衡平衡P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理平衡平衡平衡平衡P-NP-N结的能带图结的能带图结的能带图结的能带图 N型、型、P型半导体的能带图，图中型半导体的能带图，图中EFn和和EFp分别表示分别表示N型和型和P型半导体的费米能级。型半导体的费米能级。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义，结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的区流向费米能级低的P区，空穴则从区，空穴则从P区流向区流向N区。因而区。因而EFn不断下移不断下移，而，而EFp不断上移不断上移，直至，直至EFn=EFp。这时，这时，P-N结中有统结中有统一的费米能级一的费米能级EF，P-N结结处于平衡状态处于平衡状态，其能带图，其能带图如图所示。如图所示。能带相对移动的原因能带相对移动的原因是是P-N结空间电荷区中存结空间电荷区中存在内建电场的结果。在内建电场的结果。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结的载流子分布结的载流子分布结的载流子分布结的载流子分布 计算平衡计算平衡P-N结中各处的载流子浓度时，取结中各处的载流子浓度时，取P区电势为区电势为零零，则势垒区中一点，则势垒区中一点x的电势的电势V(x)为正值，越接近为正值，越接近N区的点，区的点，其电势越高，到势垒区边界其电势越高，到势垒区边界xn处的处的N区电势最高为区电势最高为VD，如，如图所示。图所示。图中图中xn，-xp分别为分别为N区和区和P区势垒区边界。区势垒区边界。对电子而言，相应的对电子而言，相应的P区的电势能为区的电势能为0，比比N区的电势能区的电势能E(xn)=Ecn=-qVD高高qVD。势垒区内点势垒区内点x处的电势能为处的电势能为E(x)=-qV(x)，比比N区高区高qVD-qV(x)。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理nn0 N区平衡多数载流子区平衡多数载流子电子浓度电子浓度 np0 P区平衡少数载流子区平衡少数载流子电子浓度电子浓度pn0 N区平衡少数载流子区平衡少数载流子空穴浓度空穴浓度 pp0 P区平衡多数载流子区平衡多数载流子空穴浓度空穴浓度半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理平衡平衡平衡平衡P-NP-N势垒区电子势垒区电子势垒区电子势垒区电子和空穴的浓度分布和空穴的浓度分布和空穴的浓度分布和空穴的浓度分布半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理当当x=-xp时，时，V(x)=0，n(-xp)=np0 当当x=-xp时，时，V(x)=0，p(-xp)=pp0 同一种载流子在同一种载流子在同一种载流子在同一种载流子在势垒区两边的浓度关势垒区两边的浓度关势垒区两边的浓度关势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布系服从玻尔兹曼分布系服从玻尔兹曼分布系服从玻尔兹曼分布函数关系函数关系函数关系函数关系 半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层 室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但已电离，但载流子浓度比起载流子浓度比起N区和区和P区的多数载流子浓区的多数载流子浓度小得多度小得多，好像已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗，好像已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗尽层，即认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电尽层，即认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于电离杂质浓度。荷密度就等于电离杂质浓度。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理势垒区和接触电势差势垒区和接触电势差势垒区和接触电势差势垒区和接触电势差 从图中可以看出，在从图中可以看出，在P-N结的空间电荷区中能带发生结的空间电荷区中能带发生弯曲，电子从势能低的弯曲，电子从势能低的N区向势能高的区向势能高的P区运动时，必须区运动时，必须克服这一势能克服这一势能“高坡高坡”，才能达到，才能达到P区；同理，空穴也必区；同理，空穴也必须克服这一势能须克服这一势能“高坡高坡”，才能从，才能从P区到达区到达N区。这一势区。这一势能能“高坡高坡”通常称为通常称为P-N结的势垒，故空间电荷区也叫结的势垒，故空间电荷区也叫势势垒区垒区。从图中还可以看出。从图中还可以看出P区导带和价带的能量比区导带和价带的能量比N区的区的高高qVD。VD称为称为P-N结的结的接触电势差接触电势差。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理在热平衡条件下求接触电势差在热平衡条件下求接触电势差半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理2.32.3 P-NP-N结直流特性结直流特性结直流特性结直流特性平衡平衡平衡平衡P-NP-N结结结结非平衡非平衡非平衡非平衡P-NP-N结结结结 一定宽度和势垒高度的一定宽度和势垒高度的势垒区；势垒区；内建电场恒定；内建电场恒定；净电流为零；净电流为零；费米能级处处相等。费米能级处处相等。当当P-N结两端有外加电压时结两端有外加电压时 半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理外加直流电压下，外加直流电压下，外加直流电压下，外加直流电压下，P-NP-N结势垒的变化及载流子的运动结势垒的变化及载流子的运动结势垒的变化及载流子的运动结势垒的变化及载流子的运动正向偏压正向偏压正向偏压正向偏压 P-N结加正向偏压结加正向偏压V（即（即P区接电源正极，区接电源正极，N区接负极）区接负极）势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和区和N区中载流子浓度很大，电阻很小，所以区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本外加正向偏压基本降落在势垒区降落在势垒区。正向偏压在势垒区中产生了。正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方与内建电场方向相反向相反的电场，因而的电场，因而减弱减弱了势垒区中的电场强度，这就表了势垒区中的电场强度，这就表明明空间电荷相应减少空间电荷相应减少。故。故势垒区的宽度也减小势垒区的宽度也减小，同时，同时势垒势垒高度从高度从qVD下降为下降为q(VD-V)。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，削弱了漂移运动，使动之间的平衡，削弱了漂移运动，使扩散电流大于漂移电扩散电流大于漂移电流流。所以在加正向偏压时，产生了所以在加正向偏压时，产生了电子从电子从N区向区向P区以及区以及空穴从空穴从P区到区到N区的净扩散电流区的净扩散电流。电子通过势垒区扩散入电子通过势垒区扩散入P区，在边界区，在边界xp处形成电子的处形成电子的积累，成为积累，成为P区的非平衡少数载流子，结果使区的非平衡少数载流子，结果使xp处电子浓处电子浓度比度比P区内部高，形成了区内部高，形成了从从xp处向处向P区内部的电子扩散流区内部的电子扩散流。非平衡少子边扩散边与非平衡少子边扩散边与P区的空穴复合，经过区的空穴复合，经过扩散长扩散长度度的距离后，全部被复合。这一段区域称为的距离后，全部被复合。这一段区域称为扩散区扩散区。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理+REPN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 在一定的正向偏压下，单位时间内从在一定的正向偏压下，单位时间内从N区来到区来到xp处的处的非平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的分非平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的分布。所以，布。所以，在正向偏压一定时，在在正向偏压一定时，在xp处就有一不变的向处就有一不变的向P区内部流动的电子扩散流区内部流动的电子扩散流。同理，同理，在边界在边界xn处也有一不变的向处也有一不变的向N区内部流动的空区内部流动的空穴扩散流穴扩散流。N区的电子和区的电子和P区的空穴都是多数载流子，分别进入区的空穴都是多数载流子，分别进入P区和区和N区后形成区后形成P区和区和N区的非平衡少数载流子。区的非平衡少数载流子。当增大正偏压时，势垒降得更低，增大了流入当增大正偏压时，势垒降得更低，增大了流入P区的区的电子流和流入电子流和流入N区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的非平衡载流子的电注入电注入。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 在假设通过势垒区的电子电在假设通过势垒区的电子电流和空穴电流均保持不变的情况流和空穴电流均保持不变的情况下，通过下，通过P-N结的总电流，就是结的总电流，就是通通过边界过边界xp的电子扩散电流与通过的电子扩散电流与通过边界边界xn的空穴扩散电流之和的空穴扩散电流之和。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理反向偏压反向偏压反向偏压反向偏压当当P-N结加反向偏压结加反向偏压V时（时（V0）（即（即N区接电源正极，区接电源正极，P区接负极）区接负极）反向偏压在势垒区产生的电场反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场与内建电场方向一致方向一致，势垒区的电场增强势垒区的电场增强，势垒区也变宽势垒区也变宽，空间电荷数量变多空间电荷数量变多，势垒高度由势垒高度由qVD增加为增加为q(VD-V)。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 势垒区电场增强，破坏了载流子的扩散运动和势垒区电场增强，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的原有平衡，增强了漂移运动，使漂移运动之间的原有平衡，增强了漂移运动，使漂移流大于扩散流漂移流大于扩散流。这时，这时，N区边界区边界xn处的空穴被势垒区的强电场处的空穴被势垒区的强电场驱向驱向P区，而区，而P区边界区边界xp处的电子被驱向处的电子被驱向N区。当区。当这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来补充，形成了反向偏压下的电子扩散电流和空穴补充，形成了反向偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流，这种情况好像少数载流子不断被抽出扩散电流，这种情况好像少数载流子不断被抽出来，所以称为来，所以称为少数载流子的抽取或吸出少数载流子的抽取或吸出。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 P-N结中结中总的反向电流等于势垒区边界总的反向电流等于势垒区边界xn和和xp附近的少数载流子扩散电流之和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，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，也不随电压变化，所以在反向偏压下，P-N结的结的电流较小并且趋于不变电流较小并且趋于不变。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理外加直流电压下，外加直流电压下，P-N结的能带图（自学）结的能带图（自学）理想理想P-N 假设条件假设条件 为了讨论为了讨论P-N结伏安特性方便起见，先合理假设结伏安特性方便起见，先合理假设P-N结满足以下条件：结满足以下条件：（1）小注入条件小注入条件（即注入的少数载流子浓度比平（即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多）；衡多数载流子浓度小得多）；（2）突变耗尽层条件突变耗尽层条件：即外加电压和接触电势差都：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降落在耗尽层上，注入的少数载流子在P区和区和N区是纯扩区是纯扩散运动；散运动；（3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用。耗尽层中载流子的产生及复合作用。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理JS理想理想P-N 结伏安特性表达式（电流电压关系式）结伏安特性表达式（电流电压关系式）Ln、Lp分别分别表示电子表示电子和空穴的扩和空穴的扩散长度散长度 2-142-14半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理P-N结具有单向导电性结具有单向导电性 在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数关系迅速增大指数关系迅速增大。在室温下，在室温下，k0T/q=0.026V，一般外加正向偏，一般外加正向偏压约零点几伏，故压约零点几伏，故exp(qV/k0T)1，式（，式（2-14）可以表示为可以表示为半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 在反向偏压下，在反向偏压下，V0，当，当q|V|远大于远大于k0T时，时，exp(qV/k0T)趋于零，式（趋于零，式（2-14）可表示为）可表示为 负号表示电流密度方向与正向时相反；负号表示电流密度方向与正向时相反；反向电流密度为常量，与外加电压无关反向电流密度为常量，与外加电压无关。-Js 反向饱和电流密度反向饱和电流密度（2-162-16）半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理正向及反向偏压正向及反向偏压下，曲线是不对下，曲线是不对称的，称的，表现出表现出P-N结具有结具有单向导电性单向导电性或或整整流效应流效应。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理实际反偏实际反偏P-N 结直流特性的补充说明结直流特性的补充说明 P-NP-N结反向扩散电流结反向扩散电流结反向扩散电流结反向扩散电流 P-N结反偏时，结反偏时，V0，此时势垒边界处的非平衡，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，形成稳不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳态扩散。态扩散。当反偏绝对值足够大时当反偏绝对值足够大时，势垒边界处的，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，即压的变化而变化，即反向电流趋于饱和反向电流趋于饱和。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结反向势垒产生电流结反向势垒产生电流结反向势垒产生电流结反向势垒产生电流 在反向偏压时，在反向偏压时，实际测得的反向电流比理论计算值大实际测得的反向电流比理论计算值大得多得多，而且，而且反向电流是不饱和的反向电流是不饱和的，随反向偏压的增大略有，随反向偏压的增大略有增加。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电压增加。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电压下的下的P-N结情况，还必须考虑其他因素的影响。其中的主结情况，还必须考虑其他因素的影响。其中的主要因素是存在反向势垒产生电流。要因素是存在反向势垒产生电流。反偏时，势垒区内的电场加强，在势垒区内，由于热反偏时，势垒区内的电场加强，在势垒区内，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。表示。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理表面对反向漏电流的影响表面对反向漏电流的影响表面对反向漏电流的影响表面对反向漏电流的影响 由于硅由于硅P-N结的势垒产生电流要比反向扩散结的势垒产生电流要比反向扩散电流大得多，所以可以用式（电流大得多，所以可以用式（2-17）计算硅）计算硅P-N结的反向漏电流，只要乘以结的反向漏电流，只要乘以P-N结结面积结结面积A即即可。可。但往往用这种方法计算得到的反向漏电流但往往用这种方法计算得到的反向漏电流比实际测量得到的漏电流小很多，这说明我们比实际测量得到的漏电流小很多，这说明我们还忽略了其他影响反向漏电流的重要因素。还忽略了其他影响反向漏电流的重要因素。这个因素就是半导体表面对反向漏电流的这个因素就是半导体表面对反向漏电流的影响。影响。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 表面对反向漏电流的影响表面对反向漏电流的影响 主要表现在以下三个方面主要表现在以下三个方面 表面漏电流表面漏电流。P-N结沟道漏电流结沟道漏电流。表面复合电流表面复合电流。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理表面漏电流表面漏电流表面漏电流表面漏电流 实际生产中表面漏电流可能比体内电流大很多。实际生产中表面漏电流可能比体内电流大很多。在在P-N结的生产过程中，硅片表面很可能沾污一些结的生产过程中，硅片表面很可能沾污一些金属离子（如钠离子）和水汽分子，这些金属离子和水金属离子（如钠离子）和水汽分子，这些金属离子和水汽分子相当于在半导体表面并联了一个附加的电导，它汽分子相当于在半导体表面并联了一个附加的电导，它可以使电流从可以使电流从N区电极沿半导体表面直接流到区电极沿半导体表面直接流到P区的电区的电极，从而引起反向漏电流的增加。极，从而引起反向漏电流的增加。如果如果表面沾污严重的话，由此引出的表面漏电流可表面沾污严重的话，由此引出的表面漏电流可能比势垒产生电流大得多，从而成为反向漏电流的主要能比势垒产生电流大得多，从而成为反向漏电流的主要成分成分。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理P-NP-N结沟道漏电流结沟道漏电流结沟道漏电流结沟道漏电流 硅平面器件通常是用二氧化硅层作保护的，一硅平面器件通常是用二氧化硅层作保护的，一方面可以提高器件的稳定性和可靠性，另一方面也方面可以提高器件的稳定性和可靠性，另一方面也可以减小反向漏电流。可以减小反向漏电流。但如果二氧化硅层质量不好的话，会使半导体但如果二氧化硅层质量不好的话，会使半导体表面出现反型，形成反型沟道。（具体内容还会在表面出现反型，形成反型沟道。（具体内容还会在本书第七章作详细介绍。）本书第七章作详细介绍。）反型沟道的存在相当于增大了反型沟道的存在相当于增大了P-N结的结面积，结的结面积，即势垒区面积增大，从而使势垒产生电流增大即势垒区面积增大，从而使势垒产生电流增大。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理表面复合电流表面复合电流表面复合电流表面复合电流 半导体存在一些具有复合中心作用的能级，一半导体存在一些具有复合中心作用的能级，一部分少数载流子将在表面通过这些复合中心能级复部分少数载流子将在表面通过这些复合中心能级复合掉，从而导致反向电流的增加。合掉，从而导致反向电流的增加。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 综上所述，综上所述，P-N结的反向电流包括结的反向电流包括体内扩散电流体内扩散电流、势势垒产生电流垒产生电流和和表面漏电流表面漏电流三种成分。三种成分。在实际在实际P-N结二极管中，往往是表面漏电流占了主要结二极管中，往往是表面漏电流占了主要地位。因此，在生产过程中，地位。因此，在生产过程中，如何减小表面漏电流成了如何减小表面漏电流成了一个重要问题一个重要问题，通常可以从以下三个工艺角度加以考虑。，通常可以从以下三个工艺角度加以考虑。所选用的材料尽量避免掺杂不均匀、位错密度过高和所选用的材料尽量避免掺杂不均匀、位错密度过高和含有过多的有害杂质；含有过多的有害杂质；避免氧化层结构疏松和光刻中的针孔、小岛等问题；避免氧化层结构疏松和光刻中的针孔、小岛等问题；注意工艺洁净度，如去离子水和化学试剂的纯度，特注意工艺洁净度，如去离子水和化学试剂的纯度，特别应该注意减小钠离子的沾污。别应该注意减小钠离子的沾污。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理2.4 P-N结电容结电容 P-N结有整流效应，但是它又包含着破坏整流特结有整流效应，但是它又包含着破坏整流特性的因素。这个因素就是性的因素。这个因素就是P-N结的电容。结的电容。一个一个P-N结在结在低频低频电压下，能很好地起整流作用，电压下，能很好地起整流作用，但是当但是当电压频率增高电压频率增高时，其整流特性变坏，甚至基本上时，其整流特性变坏，甚至基本上没有整流效应。这是因为没有整流效应。这是因为P-N结具有电容特性。结具有电容特性。讨论：讨论：P-N结为什么具有电容特性？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？结电容的大小和什么因素有关？P-N结电容包括结电容包括势垒电容势垒电容和和扩散电容扩散电容两部分。两部分。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容 当当P-N结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。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电荷的减少是由于N区的电子和区的电子和P区的空穴过来中和了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，将有一部分电这就是说，在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴子和空穴“存入存入”势垒区。反之，当正向偏压减小时，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多，这就是由一部分电子和空穴从势垒区中“取出取出”。对于加反向偏压的情况，可作类似分析。对于加反向偏压的情况，可作类似分析。半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理 P-N结上外加电压的变化，引起了电子结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的和空穴在势垒区的“存入存入”和和“取出取出”作用，作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个化，这和一个电容器的充放电电容器的充放电作用相似。作用相似。这种这种P-N结的电容效应称为势垒电容，结的电容效应称为势垒电容，以以CT表示。表示。势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容半导体器件物理半导体器件物理第二章第二章第二章第二章 P-NP-N结结结结半导体器件物理半导体器件物理扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容 正向偏压时，有空穴从正向偏压时，有空穴从P区注入区注入N区。当正向偏压区。当正向偏压增加时，由增加时，由P区注入到区注入到N区的空穴增加，注入的空穴一区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了部分扩散走了，一部分则增加了N区的空穴积累，增加区的空穴积累，增加了载流子的浓度梯度。了载流子的浓度梯度。电子情况完全相同。电子情况完全相同。在外加电压变化时，在外加电压变化时，N扩散区内积累的非平衡空穴扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。也增加，