半导体物理第六章 (2)PPT讲稿.ppt

半导体物理第六章第1页，共140页，编辑于2022年，星期五1p-n结与能带p-n结形成和杂质分布p-n结形成和类型p-n结形成方法：一块n型(或P型)半导体单晶体上，利用合金法扩散法生长法离子注入法等适当的工艺方法把P型(或n型)杂质掺入其中，使单晶体不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面处就形成了p-n结第2页，共140页，编辑于2022年，星期五扩散法合金法第3页，共140页，编辑于2022年，星期五1p-n结与能带p-n结类型：按杂质分布一般可以归纳为突变结和线性缓变结：突变结突变结实际上的合金突变结两边的载流子浓度有数量级差别，称之为单边突变结。表示方法P+-NN+-P第4页，共140页，编辑于2022年，星期五缓变结杂质分布缓变结缓变结线性缓变结第5页，共140页，编辑于2022年，星期五线性缓变结近似突变结近似-高表面浓度浅扩散结表示方法P+-NN+-P第6页，共140页，编辑于2022年，星期五空间电荷区单独的n和p型半导体是电中性的。产生原因当这两块半导体结合形成p-n结时，由于它们之间存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。界面附近p区留下了不可动的带负电荷的电离受主，而n区一例出现了电离施主构成的一个正电荷区，通常就把在p-n结附近的这些电离施主和电离受主所构成的电荷称为空间电荷。它们所存在的区域称为空间电荷区第7页，共140页，编辑于2022年，星期五空间电荷区空间电荷区中的电荷产生了从n区指向p区的电场内建电场。内建电场作用载流子作漂移运动。因电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。因此，内建电场起阻碍电子和空穴继续扩散的作用。E内第8页，共140页，编辑于2022年，星期五载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，无外加电压的情况下，电子和空穴的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。没有电流流过pn结。这时空间电荷的数量一定，空间电荷区保持一定的宽度其中存在一定的内建电场。一般称这种情况为热平衡状态下的p-n结(简称为平衡p-n结)。第9页，共140页，编辑于2022年，星期五平衡平衡p-n结费米能级一致结费米能级一致第10页，共140页，编辑于2022年，星期五载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡平衡p-n结费米能级一致第11页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾平衡态载流子浓度当然当然,类似地类似地第12页，共140页，编辑于2022年，星期五热热平平衡衡态态下下无无净净电电流流通通过过p-np-n结：结：电子电流：电子电流：平衡下电子密度平衡下电子密度电子密度随位置变化电子密度随位置变化考虑爱因斯坦关系考虑爱因斯坦关系本征费米能级变化和电子电势一致：本征费米能级变化和电子电势一致：第13页，共140页，编辑于2022年，星期五第14页，共140页，编辑于2022年，星期五所以平衡态下各处费米能级相同；显示出电子电流和电子密度与费米能级随位置的梯度成反比；在电子电流密度一定时，电子密度大的地方，费米能级随地点变化率小，电子密度小地方费米能级随地点变化率大。同理平衡态平衡态第15页，共140页，编辑于2022年，星期五势垒区势垒区第16页，共140页，编辑于2022年，星期五接触电势差接触电势差平平衡衡p-np-n结结的的空空间间电电荷荷区区两两端端电电势势差差V VD D，称称为为p-np-n结结接接触触电电势势差差或或内内建建电电势势差差。相相应应的的电电子子电电势势能能之之差差即即能能带带的的弯弯曲曲量量qVqVD D称称为为p-np-n结的势垒高度。结的势垒高度。势垒高度正好补偿了势垒高度正好补偿了n n和和p p区费米能级之差：区费米能级之差：第17页，共140页，编辑于2022年，星期五取n0和p0分别表示n和p区的平衡电子浓度，则对非简并半导体：因VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度和禁带宽度相关第18页，共140页，编辑于2022年，星期五第19页，共140页，编辑于2022年，星期五平衡p-n结中载流子分布电子分布规律：在x处能量dE范围内电子数：取p区电子势能为零Ecp=0，n区电子势能为Ecn=qVD。势垒区内任一处x的内建电势V(x)和位置相关，电子势能为Ec(x)=qV(x)，计算出电子浓度分布：第20页，共140页，编辑于2022年，星期五采用变量代换：Z=(E-E(x)/k0T，第21页，共140页，编辑于2022年，星期五平衡p-n中载流子分布同样得到空穴浓度分布：第22页，共140页，编辑于2022年，星期五载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布函数关系载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布函数关系第23页，共140页，编辑于2022年，星期五根据电子浓度表达式：根据电子浓度表达式：x=xn，V(x)=VD，即，即n区多子浓度。区多子浓度。x=xp，V(x)=0，有，有 为为p区少子平衡浓度区少子平衡浓度根据空穴浓度表达式根据空穴浓度表达式在在x=xn，n区平衡少子浓度区平衡少子浓度x=xp，为，为p区多子平衡浓度区多子平衡浓度第24页，共140页，编辑于2022年，星期五耗尽层近似耗尽层近似：一般情况下，势垒区杂质全部电离，但势垒区载流子的浓度：一般情况下，势垒区杂质全部电离，但势垒区载流子的浓度远小于平衡态远小于平衡态n区和区和p区多子浓度，认为载流子耗尽，空间电荷区的电荷密区多子浓度，认为载流子耗尽，空间电荷区的电荷密度就等于电离杂质浓度。度就等于电离杂质浓度。设势垒区电势比设势垒区电势比n区导带高区导带高0.1eV,设势垒区高度设势垒区高度0.7eV,该处空穴浓度为该处空穴浓度为第25页，共140页，编辑于2022年，星期五第26页，共140页，编辑于2022年，星期五2p-n结的电流电压特性非平衡下的非平衡下的p-n结结平衡下没有净电流通过p-n结,每一种载流子的扩散和漂移电流互相抵消，p-n结中费米能级处处相等。当p-n结两端有外加电压时，p-n结处于非平衡状态。第27页，共140页，编辑于2022年，星期五2p-n结的电流电压特性外加正向偏压(即p区接电源正极n区接负极)外加正向偏压基本降落在势垒区:因势垒区内载流子浓度很小；正向电压减弱势垒区电场，破坏原载流子扩散和漂移运动之间平衡，削弱了漂移运动，使扩散流大于漂移流。电子从n区向p区以及空穴从p区向n区的净扩散流。第28页，共140页，编辑于2022年，星期五2p-n结的电流电压特性非平衡下的p-n结电电子子在在边边界界-xp处处形形成成高高浓浓度度电电子子的的积积累累成成为为p区区的的非非平平衡衡少少数数载载流流子子，形形成成了了边边界界向向p区区内内部部的的电电子子扩扩散散流流，边边扩扩散散边边与与空空穴穴复复合合，经经若若干干倍倍扩扩散散长长度度后后全全部部被被复复合合，此此区区域域为为扩扩散散区区。正正向向偏偏压压一一定定时时，此此处处有有稳稳定定的的电电子子扩扩散散流流。同同理理，在在边边界界xn处处也也有有一一不不变变的的向向n区区内内部部流流动动的的空穴扩散流。空穴扩散流。正正向向偏偏压压增增时时，势势垒垒降降得得更更低低，流流入入p区区的的电电子子流流和和注注入入n区区的的空空穴穴流流增增大大，外外加加正正向向偏偏压压使使非非平平衡衡载载流流子子进进入入半半导导体体的的过过程程称称为为非非平平衡衡载载流流子子的电注入的电注入。第29页，共140页，编辑于2022年，星期五正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，减弱势垒区中的场强，空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度下降为：q(VD-V）第30页，共140页，编辑于2022年，星期五p-n结任一截面处通过的电子流和空穴流并不相等，由电流连续性原理通过p-n结的总电流是相等的（势垒区载流子的复合不计），只是对于不同的截面，电子流和空穴流的比例不同。*通过p-n结的总电流，为两端少子扩散电流之和。第31页，共140页，编辑于2022年，星期五p-n结加反向偏压结加反向偏压(V0)(V0)反反向向偏偏压压增增强强势势垒垒区区的的电电场场，势势垒垒区区变变宽宽，势势垒垒高高度度高高为为q(VD-V),漂漂移移运运动动增增强强漂漂移移流流大大于于扩扩散散流流。这这时时n区区边边界界xn处处的的空空穴穴被被势势垒垒区区的的强强电电场驱向场驱向p区，而区，而p区边界处的电子被驱向区边界处的电子被驱向n区。区。边边界界附附近近的的少少数数载载流流子子被被电电场场驱驱走走后后，内内部部的的少少子子就就来来补补充充，形形成成了了反反向偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流向偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流-少数载流子的抽取或吸出。少数载流子的抽取或吸出。E内E外xPxn第32页，共140页，编辑于2022年，星期五p-n结加反向偏压(V0,exp(qV/k0T区空穴分布：n则)0,在x=xn处，pnp(x)n0p，n(x)0；区内部n在p，xLpn(x)=pn0。反向偏压下的p-n费米能级第45页，共140页，编辑于2022年，星期五第46页，共140页，编辑于2022年，星期五小注入时扩散区中不存在电场在结区两端少子扩散电流密度为小注入时扩散区中不存在电场在结区两端少子扩散电流密度为 假设势垒区内的复合假设势垒区内的复合产生作用可以忽略，通过产生作用可以忽略，通过p-n结的总电流密度结的总电流密度J为为 其中其中理想理想p-n结模型的电流电压方程式结模型的电流电压方程式称为称为肖克莱方程式肖克莱方程式。第47页，共140页，编辑于2022年，星期五可看出：1）偏压一定，总电流密度一定。2）单向导电性：在正向偏压下电流密度随正向偏压呈指数关系迅速增大。因qVkoT，J Jsexp(qV/koT),电流随正向偏压呈指数增大2）在反向偏压下,VPn0因为前面求出因为前面求出所以第64页，共140页，编辑于2022年，星期五对对p+-n结加正向偏压时，电流电压关系可表为：结加正向偏压时，电流电压关系可表为：其中其中m在在12之间变化，随外加正向偏压而定。在很低的正向之间变化，随外加正向偏压而定。在很低的正向偏压下，偏压下，m2，势垒区的复合电流起主要作用；正向偏压较大时，势垒区的复合电流起主要作用；正向偏压较大时，m1，扩散电流起主要作用，大注入时，扩散电流起主要作用，大注入时m2，这时一部分正向电压，这时一部分正向电压降落在空穴扩散区的结果。降落在空穴扩散区的结果。第65页，共140页，编辑于2022年，星期五串联电阻效应：串联电阻效应：在大电流时，还必须考虑体电阻上的电压在大电流时，还必须考虑体电阻上的电压降，这样势垒区上的电压降就更小，正向电流增加更缓慢。降，这样势垒区上的电压降就更小，正向电流增加更缓慢。第66页，共140页，编辑于2022年，星期五第67页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问1PN结内建电场是从P取指向N区还是N区指向P区?2PN结两端哪端电子电势能高?3外加电压时候,PN结两端准费米能级差与外加电压的关系如何?第68页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问E内E外xPxnx=xn,x=xp处处 EfnEFp=qV正向偏压下的p-n费米能级第69页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问3若若若若第70页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问3第71页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问4简述理想PN结电流电压方程的推导思路第72页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问4简述理想PN结电流电压方程的推导思路1)求解边界条件-XN和XP处的载流子浓度,而体内非平衡载流子浓度已知。2）利用连续性方程，解出载流子在扩散区的分布。3）依据载流子在扩散区的分布方程，计算XN和XP处电流密度。4）考虑两部分扩散电流密度之和，既得到流过PN结的电流密度。第73页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问简述理想PN结电流电压方程的推导思路4)总电流3）扩散电流2）连续性方程1）边界条件-玻耳兹曼边界条件而在体内,载流子浓度等于平衡状态载流子浓度-XPXN第74页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问5当PN结正偏时，应考虑-（）电流，反偏时，应考虑（）电流。填写产生或复合。6说明大注入条件下扩散区的特点。第75页，共140页，编辑于2022年，星期五回顾提问回顾提问EVP第76页，共140页，编辑于2022年，星期五3p-n结的电容特性电容来源势垒电容：势垒区的电场随p-n结外加正偏压变化，即空间电荷数产生变化，因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷的变化主要在于载流子数量变化。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，当正向偏压减少时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加空间电荷数量增多，这就是有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。对于加反向偏压的情况，可作类似分析。总之，p-n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这种电容效应称为势垒电容。用CT表示。第77页，共140页，编辑于2022年，星期五3p-n结的电容特性电容来源扩散电容：正向偏压时，有空穴从p区注入n区，于是在n区边界扩散区一侧一个扩散长度内，便形成了非平衡空穴和电子的积累，同样在p区也有非平衡电子空穴的积累。当正向偏压增加时，由p区注入到n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n区的空穴积累，增加了浓度梯度，所以外加电压变化时，n区扩散区内积累的非平衡空穴也变化；同样，p区扩散区内积累的非平衡电子也要随外加电压变化。这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为p-n结的扩散电容。用符号CD表示第78页，共140页，编辑于2022年，星期五当P-N结在一个固定直流偏压V的作用下，迭加一个微小的交流电压dv，在这个微小电压dv所引起的电荷变化dQ称这个直流偏压下的微分电容PN结的直流偏压不同，微分电容也不同。结的直流偏压不同，微分电容也不同。第79页，共140页，编辑于2022年，星期五突变结势垒电容突变结势垒区中的电场、电势分布：p-n结势垒区耗尽层近似，势垒区为杂质全部电离，空间电荷区由电离杂结势垒区耗尽层近似，势垒区为杂质全部电离，空间电荷区由电离杂质组成，质组成，n区有均匀施主杂质浓度区有均匀施主杂质浓度NA，p区有均匀受主杂质浓度区有均匀受主杂质浓度ND。空间电荷密度空间电荷密度势垒区宽度势垒区宽度电荷总量电荷总量 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，势垒区宽度主要向杂质度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大，势垒区宽度主要向杂质浓度低的一边扩展。浓度低的一边扩展。第80页，共140页，编辑于2022年，星期五第81页，共140页，编辑于2022年，星期五突变结势垒区内的泊松方程为突变结势垒区内的泊松方程为积分一次，得积分一次，得第82页，共140页，编辑于2022年，星期五根据势垒边界处电场为零条件，得根据势垒边界处电场为零条件，得电场强度在势垒中心达到最大电场强度在势垒中心达到最大 第83页，共140页，编辑于2022年，星期五电势分布函数（由电场方程的积分得到，考虑到平衡条件下电势分布函数（由电场方程的积分得到，考虑到平衡条件下 V(-xp)=0,V(xn)=VD,以及中心处电势连续性以及中心处电势连续性）突变结的势垒宽度突变结的势垒宽度xD：利用在势垒中心电势连续性可得：利用在势垒中心电势连续性可得由,第84页，共140页，编辑于2022年，星期五因为因为而而所以所以第85页，共140页，编辑于2022年，星期五有外加偏压时有外加偏压时单位面积电容为单位面积电容为 对单边突变结对单边突变结pn，pn结来说，接触电势差结来说，接触电势差VD随着低掺杂一边的杂随着低掺杂一边的杂质浓度的增加而升高；而单边突变结的势垒宽度随轻掺杂一边的杂质质浓度的增加而升高；而单边突变结的势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度增大而下降。势垒区几乎全部在轻掺杂的一边，因而能带弯曲主浓度增大而下降。势垒区几乎全部在轻掺杂的一边，因而能带弯曲主要发生于这一区域。则要发生于这一区域。则pn电容可简化为：电容可简化为：第86页，共140页，编辑于2022年，星期五第87页，共140页，编辑于2022年，星期五若PN结面积为A,显示与平行板电容一致,但是一个随外加电压而变化的非线性电容第88页，共140页，编辑于2022年，星期五突变结的特点：突变变结结的的势势垒垒电电容容和和结结的的面面积积以以及及轻轻掺掺杂杂一一边边的的杂杂质质浓浓度度的的平平方方根根成成正正比比，因因此此减减小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径；小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径；突突变变结结势势垒垒电电容容和和电电压压的的平平方方根根成成反反比比，反反向向偏偏压压越越大大，则则势势垒垒电电容容越越小小，若若外外加加电电压压随随时时间间变变化化，则则势势垒垒电电容容也也随随时时间间而而变变，可可利利用用这这一一特特性性制制作作变容器件。此结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。变容器件。此结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。第89页，共140页，编辑于2022年，星期五注意：注意：电电容容表表达达式式导导出出利利用用了了耗耗尽尽层层近近似似，这这对对于于加加反反向向偏偏压压时时是是适适用用的的。然然而而当当p-n结结加加正正向向偏偏压压时时，一一方方面面降降低低了了势势垒垒高高度度，使使势势垒垒区区变变窄窄，空空间间电电荷荷数数量量减减少少，所所以以电电容容比比加加反反向向偏偏压压时时大大；另另一一方方面面，使使大大量量载载流流子子流流过过势势垒垒区区，它它们们对对势势垒垒电电容容也也有有贡贡献献。因因考虑这一因素，这些公式就不适用于正向偏情况下的电容计算。考虑这一因素，这些公式就不适用于正向偏情况下的电容计算。一般正向偏压时的势垒电容近似计算：一般正向偏压时的势垒电容近似计算：第90页，共140页，编辑于2022年，星期五第91页，共140页，编辑于2022年，星期五线性缓变结电容线性缓变结概念：对于较深的扩散结，在结附近其电荷分布为线性，可以近似作为线性缓变结。线性缓变结电容也采用耗尽层近似，则势垒区的空间电荷密度为：电势分布表达式：解泊松方程，利用结边界电场为零，设结中心处电势为零条件外加电场时：第92页，共140页，编辑于2022年，星期五单位截面电容的电荷量：单位面积电容线性缓变结特点：势垒电容和结面积及杂质浓度梯度的立方根成正比，因此减小结面积和降低杂质浓度梯度有利于减小势垒电容；势垒电容和电压的立方根成反比，增大反向电压，电容减小。势垒电容和电压关系，可用来测定杂质浓度及梯度分布。第93页，共140页，编辑于2022年，星期五缓变结电荷、电场、电势、电势能分布图第94页，共140页，编辑于2022年，星期五扩散电容概念p-n结加正向偏压时，由于少子的注入，在扩散区内有一定数量的少子和等量的多子的积累，而且它们的浓度随正向偏压的变化而变化，从而形成了扩散电容。扩散电容计算注入到n和p区非平衡少子浓度分别为：第95页，共140页，编辑于2022年，星期五扩散区内积分得到扩散区电荷积累量：单位面积扩散电容单位截面积总的扩散电容为第96页，共140页，编辑于2022年，星期五扩散电容特点扩散电容特点这里用的浓度分布是稳态公式，所以应用于低频情况，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，扩散电容便起主要作用。对单边突变结如p-n而言，np0pn0,CCDn第97页，共140页，编辑于2022年，星期五4.p-n结击穿概念实验显示，对p-n结施加的反向偏压增大到某一数值VBR时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为p-n结击穿。发生击穿时的反向偏压称为p-n结的击穿电压。击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加。p-n结击穿机理：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿第98页，共140页，编辑于2022年，星期五雪崩击穿在反向偏压下，流过在反向偏压下，流过p-n结的反向电流，主要是由结的反向电流，主要是由p区扩散到势垒区区扩散到势垒区中的电子电流和由中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。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，具有很大的动能，它们与势垒区穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价带上的电子碰撞出来，成为导内的晶格原子发生碰撞时，能把价带上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。从能带观点来看，就是高能量的电电电子，同时产生一个空穴。从能带观点来看，就是高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子空穴对。空穴对。第99页，共140页，编辑于2022年，星期五雪崩击穿载流子载流子(电子和空穴电子和空穴)在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子续发生碰撞，产生第三代的电子空穴对。如此继续下去，载流子空穴对。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流于的方式称为载流子的倍增效应。就大量增加，这种繁殖载流于的方式称为载流子的倍增效应。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，从而发生了反向电流，从而发生p-n结击穿。这就是雪崩击穿的机理。结击穿。这就是雪崩击穿的机理。第100页，共140页，编辑于2022年，星期五第101页，共140页，编辑于2022年，星期五隧道击穿(齐纳击穿)概念：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引起的一种击穿现象。因为是由齐纳提出来解释电介质击穿现象的，故叫齐纳击穿。机理p-n结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，势垒越高，内建电场也超强，势垒区能带也越加倾斜，甚至可势垒越高，内建电场也超强，势垒区能带也越加倾斜，甚至可以使以使n区的导带底比区的导带底比p区的价带顶还低。内建电场区的价带顶还低。内建电场E使使p区的价带电区的价带电子得到附加势能子得到附加势能qEx；第102页，共140页，编辑于2022年，星期五当内建电场当内建电场E大到某值以后，大到某值以后，p区价带中的部分电子所得到的附加势能区价带中的部分电子所得到的附加势能qEx可可以大于禁带宽度以大于禁带宽度Eg。随着反向偏压的增大，势垒区内的电场增强，能带更加。随着反向偏压的增大，势垒区内的电场增强，能带更加倾斜，相同能量的倾斜，相同能量的p区的价带电子和区的价带电子和n区的导带上电子水平距离区的导带上电子水平距离x将变将变得更短。得更短。当反向偏压达到一定数值，当反向偏压达到一定数值，x短到一定程度时，量子力学证明短到一定程度时，量子力学证明p区价区价带中的电子将通过隧道效应穿过禁带而到达带中的电子将通过隧道效应穿过禁带而到达n区导带中。区导带中。第103页，共140页，编辑于2022年，星期五隧道几率是：隧道几率是：式中式中E(x)表示点表示点x处的势垒高度，处的势垒高度，E为电子能量为电子能量,x1及及x2为势垒区的边界。为势垒区的边界。电子隧道穿过的势垒可看成为三角形势垒。一定的半导体材料势垒区中的电电子隧道穿过的势垒可看成为三角形势垒。一定的半导体材料势垒区中的电场愈大，或隧道长度场愈大，或隧道长度x愈短，则电子穿过隧道的几率愈大。当电场愈短，则电子穿过隧道的几率愈大。当电场E大大到或到或x短到一定程度时，将使短到一定程度时，将使p区价带中大量的电子隧道穿过势垒到区价带中大量的电子隧道穿过势垒到达达n区导带中去，使反向电流急剧增大，于是区导带中去，使反向电流急剧增大，于是p-n结就发生隧道击穿。这时外结就发生隧道击穿。这时外加的反向电压即为隧道击穿电压加的反向电压即为隧道击穿电压(或齐纳击穿电压或齐纳击穿电压)。第104页，共140页，编辑于2022年，星期五势垒区导带底斜率势垒区导带底斜率而这个斜率也可以表示为而这个斜率也可以表示为所以所以其中其中第105页，共140页，编辑于2022年，星期五在杂质浓度较低，反向偏压大时，势垒宽度增大，隧道长度会变长，不在杂质浓度较低，反向偏压大时，势垒宽度增大，隧道长度会变长，不利于隧道击穿，但是却有利于雪崩倍增效应，所以在一般杂质浓度下，利于隧道击穿，但是却有利于雪崩倍增效应，所以在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。而杂质浓度高时，反向偏压不高的情况下就能雪崩击穿机构是主要的。而杂质浓度高时，反向偏压不高的情况下就能发生隧道击穿，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。发生隧道击穿，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。第106页，共140页，编辑于2022年，星期五热电击穿当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。反向电压逐渐增大反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，上升速度很快。因此，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，反向饱和流密度进一步增大。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。窄禁带宽度半导体在室温下出现热电击穿。第107页，共140页，编辑于2022年，星期五5.p-n结隧道效应实验现象实实验验发发现现，对对于于两两边边都都是是重重掺掺杂杂的的p-n结结的的电电流流电电压压持持性性如如图图所所示示，正正向向电电流流开开始始就就随随正正向向电电压压的的增增加加而而迅迅速速上上升升达达到到一一个个极极大大值值IP称称为为蜂蜂值值电电流流，对对应应的的正正向向电电压压VP，称称为为峰峰值值电电压压。随随后后电电压压增增加加，电电流流反反而而减减小小，达达到到一一极极小小值值Iv，称称为为谷谷值值电电流流，对对应应的的电电压压Vv。称称为为谷谷值值电电压压。当当电电压压大大于于谷谷值值电电压压后后电电流流又又随随电电压压而而上上升升。在在Vp到到Vv这这段段电电压压范范围围内内，随随着着电电压压的的增增大大电电流流反反而而减减小小的的现现象象称称为为负负阻阻，这这一一段段电电流流电电压压特特性性曲曲线线的的斜斜率率为为负负的的，这这一一特特性性称称为为负负阻阻特特性性。反反向向时时，反向电流随反向偏压的增大而迅速增加。反向电流随反向偏压的增大而迅速增加。第108页，共140页，编辑于2022年，星期五5.p-n结隧道效应实验现象由重掺杂的由重掺杂的p区和区和n区形成的区形成的p-n结通常称为隧道结。结通常称为隧道结。这这种种隧隧道道结结制制成成的的隧隧道道二二极极管管,由由于于它它具具有有正正向向负负阻阻特特性性而而获获得得了了多多种种用用途途。例例如如用用于于微微波波放放大大、高高速速开开关关、激激光光振振荡荡源源等等。隧道结的这种电流电压特性，是与它的隧道效应密切相关的。隧道结的这种电流电压特性，是与它的隧道效应密切相关的。第109页，共140页，编辑于2022年，星期五隧道结电流电压特性解释在隧道结中正向电流由两部分组成。一是扩散电流，随正向电在隧道结中正向电流由两部分组成。一是扩散电流，随正向电压的增加而指数增加；正向偏压微小的情况下，扩散电流很小，压的增加而指数增加；正向偏压微小的情况下，扩散电流很小，以隧道电流为主。隧道电流和偏压关系：以隧道电流为主。隧道电流和偏压关系：未未加加偏偏压压时时：处处于于热热平平衡衡状状态态时时n区区和和p区区的的费费米米能能级级相相等等，虽虽然然n区区导导带带和和p区区价价带带有有相相同同的的能能量量量量子子态态，但但费费米米能能级级以以下下占占满满，而而费费米米能能级级以以上上为为空空，在在n区区的的导导常常和和P区区的的价价带带中中出出现现具具有有相相同能量的量子态。所以隧道电流为零。同能量的量子态。所以隧道电流为零。第110页，共140页，编辑于2022年，星期五很小正向电压很小正向电压V，n区相对于区相对于p区的能级提供区的能级提供qV，p区费米能级以上有空区费米能级以上有空量子态，量子态，n区费米能级以下有量子态被占据，区费米能级以下有量子态被占据，n区的导带带中的电区的导带带中的电子可能穿过隧道到子可能穿过隧道到P区价带中产生从区价带中产生从p区向区向n区的正向隧道电流，这区的正向隧道电流，这时对应于特性曲线上的点时对应于特性曲线上的点1；第111页，共140页，编辑于2022年，星期五继继续续增增大大正正向向电电压压，势势垒垒高高度度不不断断下下降降，有有更更多多的的电电子子从从n区区穿穿过过隧隧道道到到p区的空量子态，使隧道电流不断增大。区的空量子态，使隧道电流不断增大。当当正正向向电电流流增增大大到到Ip时时，这这时时p区区的的费费米米能能级级与与n区区导导带带底底一一样样高高，n区区的的导导带带和和p区区的的价价带带中中能能量量相相同同的的量量子子态态达达到到最最多多,n区区的的导导带带中中的的电电子子可可能能全全部部穿穿过过隧隧道道到到p区区价价带带中中的的空空量量子子态态去去，正正向向电电流达到极大值流达到极大值Ip这时对应干特性曲线的点这时对应干特性曲线的点2；第112页，共140页，编辑于2022年，星期五增增大大正正向向电电压压，势势垒垒高高度度进进一一步步降降低低，在在结结两两边边能能量量相相同同的的量量子子态态减减少少使使n区区导导带带中中可可能能穿穿过过隧隧道道的的电电子子数数以以及及p区区价价带带中中可可能能接接受受穿穿过过隧隧道道的的电电子子的的空空量量子子态态均均减减少少，所所以以隧隧道道电电流流减减小小，出出现现负负阻阻，如如特性曲线上的点特性曲线上的点3；第113页，共140页，编辑于2022年，星期五正向偏压增大到正向偏压增大到Vv时，时，n区导带底和区导带底和p区价带顶一样高，这时区价带顶一样高，这时p区价带和区价带和n 区导带中没有能量相同的量子态，因此不能发生隧道区导带中没有能量相同的量子态，因此不能发生隧道穿通，隧道电流应该减少到零，对应于特性曲线上的点穿通，隧道电流应该减少到零，对应于特性曲线上的点4。实际上正向电流并不完全为零，而是有一个很小的谷值电流实际上正向电流并不完全为零，而是有一个很小的谷值电流Iv，它的数值要比谷值电压下的正向扩散电流大得多，也称为，它的数值要比谷值电压下的正向扩散电流大得多，也称为过量电过量电流流。实验证明，谷值电流基本上具有隧道电流的性质。实验证明，谷值电流基本上具有隧道电流的性质。第114页，共140页，编辑于2022年，星期五产生谷值电流的一个可能原因是简并半导体能带边缘的延伸，产生谷值电流的一个可能原因是简并半导体能带边缘的延伸，当当VVv时，时，n区导带底和区导带底和p区价带顶高度相同，但是由于能带边缘的区价带顶高度相同，但是由于能带边缘的延伸延伸n区导带底有一个向下延伸的尾部，区导带底有一个向下延伸的尾部，p区价带项有一个向上延伸的区价带项有一个向上延伸的尾部，于是尾部，于是n区导带和区导带和p区价带仍有能量相同的量子态，这时仍可区价带仍有能量相同的量子态，这时仍可产生隧道效应形成谷值电流。产生隧道效应形成谷值电流。当存在深能级的杂质或缺陷时，谷值电流增大，这说明了当存在深能级的杂质或缺陷时，谷值电流增大，这说明了产生谷值电流的另一个可能原因，是通过禁带中的某些深能级产生谷值电流的另一个可能原因，是通过禁带中的某些深能级所产生的隧道效应；所产生的隧道效应；第115页，共140页，编辑于2022年，星期五对硅、锗对硅、锗p-n结来说，正向偏压大于结来说，正向偏压大于Vv时，一般地扩散电流占主导时，一般地扩散电流占主导这时隧道结和一般这时隧道结和一般p-n结的正向持性基本一样；结的正向持性基本一样；第116页，共140页，编辑于2022年，星期五加反向偏压时加反向偏压时 p区区能能带带相相对对n区区能能带带升升高高，在在结结两两边边能能量量相相同同的的量量子子态态范范围围内内，p区区价价带带中中费费米米能能级级以以下下的的量量子子态态被被电电子子占占据据，而而n区区导导带带中中费费米米能能级级以以上上有有空空的的量量子子态态。因因此此，p区区中中的的价价带带电电子子就就可可以以穿穿过过隧隧道道到到n区区导导带带中中，产产生生反反向向隧隧道道电电流流，随随着着反反向向偏偏压压的的增增加加，P区区价价带带中中可可以以穿穿过过隧隧道道的的电电子子数数大大大大增增加加，故故反反向向电电流流也也迅迅速速增增加加，如如特特性性曲曲线上的点线上的点5所示。所示。在在隧隧道道结结中中，即即使使反反向向电电压压很很小小时时，反反向向电电流流也也是是比比较较大大的的，这这与与一一般般p-n结是不同的。结是不同的。第117页，共140页，编辑于2022年，星期五隧隧道道结结是是利利用用多多子子隧隧道道效效应应工工作作的的，因因为为单单位位时时间间通通过过p-n结的多子数目起伏较小，所以隧道二极管的噪声较低。结的多子数目起伏较小，所以隧道二极管的噪声较低。隧隧道道结结用用重重掺掺杂杂的的简简并并半半导导体体制制成成，所所以以温温度度对对多多子子浓浓度影响甚小，使隧道二极管的工作温度范围增大度影响甚小，使隧道二极管的工作温度范围增大。由由于于隧隧道道效效应应本本质质上上是是一一量量子子跃跃迁迁的的过过程程，电电子子穿穿过过势势垒垒极极其其迅迅速速，不不受受电电子子渡渡越越时时间间限限制制，使使隧隧道道二二极极管管可可以以在在极极高高频频率率下下工工作作。这这些些优优点点，使使隧隧道道结结得得到到了了广广泛泛的应用。的应用。第118页，共140页，编辑于2022年，星期五第119页，共140页，编辑于2022年，星期五第120页，共140页，编辑于2022年，星期五第121页，共140页，编辑于2022年，星期五第122页，共140页，编辑于2022年，星期五第123页，共140页，编辑于2022年，星期五第124页，共140页，编辑于2022年，星期五第125页，共140页，编辑于2022年，星期五第126页，共140页，编辑于2022年，星期五第127页，共140页，编辑于2022年，星期五第128页，共140页，编辑于2022年，星期五第129页，共140页，编辑于2022年，星期五第130页，共140页，编辑于2022年，星期五第131页，共140页，编辑于2022年，星期五第132页，共140页，编辑于2022年，星期五第133页，共140页，编辑于2022年，星期五第134页，共140页，编辑于2022年，星期五第135页，共140页，编辑于2022年，星期五第136页，共140页，编辑于2022年，星期五第137页，共140页，编辑于2022年，星期五第138页，共140页，编辑于2022年，星期五第139页，共140页，编辑于2022年，星期五第140页，共140页，编辑于2022年，星期五