微电子器件与IC设计.pptx

1第 2 章 PN 结2.1 PN结的形成及空间电荷区 2.2 PN结直流V-I特性2.3 PN结击穿2.4 PN结电容第1页/共60页22.1 PN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。P PN NPN结第2页/共60页3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。第3页/共60页4第4页/共60页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 PN结 NP结P区N区x杂质浓度xjNAND第5页/共60页62.1.1、PN结的形成及类型(2)、缓变结NPx杂质浓度xjND-NA第6页/共60页72.1.1、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。突变结近似NPx杂质浓度xjND-NA第7页/共60页82.1.1、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xjxj第8页/共60页92.1.1、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xjx第9页/共60页102.1.2、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空间电荷区的形成第10页/共60页112.1.2、空间电荷区NP空间电荷区XMX XN NX XP Pl空间电荷l空间电荷区l基本概念：第11页/共60页122.1.3、平衡PN结能带图 （没有外加偏压）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VDl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第12页/共60页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”第13页/共60页14l内建电场：第14页/共60页15l耗尽区宽度：第15页/共60页16当p-n结一侧的掺杂浓度远比另一侧高的突变结为单边突变结图(a)和(b)分别显示单边突变p-n结及其空间电荷分布，其中NAND在这个例子，p侧耗尽层宽度较n侧小很多(也就是xp1，所以可以简化为I=I0eqVF/kT第43页/共60页442.2.42.2.4、V-I V-I 特性方程单边结近似对于P+N结 NAND对于N+P结 NDNA讨论：第44页/共60页452.2.5.V-I特性方程的补充（3 5为实际PN结的情况）（1）（2）（3）小电流下，正向电流比理论值大；要考虑势垒复合电流的影响。（4）大电流下，正向电流比理论值小，势垒区以外存在大注入自建电场。（5）反向电流比理论值大；要考虑表面漏电流及势垒产生电流JG的影响。（6）当T升高时，JF增大，JR增大。第45页/共60页46温度的影响第46页/共60页472.3 PN结击穿2.3.1、PN结击穿的含义 PN结反向电压超过某一数值时，反向电流急剧增加的现象称为“PN结击穿”，这时的电压称为击穿电压（VR）VRIV第47页/共60页482.3.2、产生击穿的机构产生击穿的机构热效应隧道效应雪崩效应第48页/共60页492.3.2、产生击穿的机构1、雪崩击穿 PN结加大的反向偏压 载流子从电场获得能量 载流子与势垒区晶格碰撞能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子空穴 新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴 载流子倍增 硅 PN 结发生雪崩击穿的电场强度为 105106 V/cm非破坏性可逆击穿第49页/共60页50第50页/共60页512.3.2、产生击穿的机构2、隧道击穿反向偏压升高 P区价带顶高于 N区导带底 当势垒区宽度较小 P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带 形成电子空穴对这种效应称“隧道效应”一般：隧道击穿的电压较低，如 Si PN 结，VB 6.7 V非破坏性可逆击穿 P+区N+区势垒区ECEV第51页/共60页52（1）隧道：掺杂 势垒宽度 隧穿几率 雪崩：掺杂平均自由程从电场获得的能量（2）雪崩：势垒宽度碰撞倍增次数第52页/共60页532.3.2、产生击穿的机构3、热击穿 热损耗局部升温电流增加 破坏性击穿 第53页/共60页542.4 PN结电容PNPN结电容结电容势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容第54页/共60页552.4.1.势垒电容1 1、势垒电容的来源当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电、放电，这就是PN结势垒电容。第55页/共60页562.4.1.势垒电容2、突变结势垒电容计算第56页/共60页572.4.1.势垒电容3、势垒电容的讨论（1）PN结势垒电容和平板电容不同，是非线性电容（2）PN结在正偏，零偏及反偏压下均具有电容效应（3）PN结势垒电容与外加电压有关正偏电压越高，电容越大。反偏电压越高，电容越小。（4）PN结势垒电容与其杂质浓度分布有关（5 5）由于采用耗尽层近似，反偏下，计算的结果与实际值接近，而正偏下计算的CT则误差较大第57页/共60页582.4.2、PN结扩散电容正向偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变化所产生的电容效应称为“扩散电容”当PN结外加正向偏压V，在其势垒区二边的扩散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累。当V升高，注入的“少子”电荷增多。相当于电容“充电”；当V降低，注入的“少子”电荷减少，相当于电容“放电”。第58页/共60页592.4.2、PN结扩散电容作业：P65 2.1，2.2，2.5第59页/共60页60感谢您的观看！第60页/共60页